盤條

高強度預應力鋼絲是一種經濟高效鋼材, 具有抗拉強度和屈服強度高、塑性好, 鬆弛性能低等特點, 廣泛應用於水泥製品、橋樑、核電站、高層大跨度房屋、高速公路等建設。隨着我國預應力行業的發展, 82B盤條作為生產高強度預應力鋼絲的原料, 其生產和使用越來越引起人們的重視。青鋼自2003年12月份開始生產82B 盤條, 為進一步提高82B盤條的質量, 中心試驗室專門成立了“82B盤條質量研究”技術創新課題小組, 對影響82B 盤條的因素進行了綜合分析和研究 ^[1]  。

82B 盤條為預應力鋼絲及鋼絞線用熱軋盤條,其國內牌號為82MnA, 化學成分見表1。

盤條的金相組織主要應為索氏體組織, 不應有馬氏體、網狀滲碳體及對性能有害的組織。

盤條就是直徑比較小的圓鋼，商品形態是捲成盤供貨，在工地上常見的有直徑 6、8、10、12 毫米的，以低碳鋼居多，一般不用於鋼筋混凝土結構的主筋，多用於制鋼筋套，還有小直徑的用於磚混結構中的“磚配筋”。

盤條的品種很多。碳素鋼盤條中的低碳鋼盤條俗稱軟線，中、高碳鋼盤條俗稱硬線。盤條主要供作拉絲的坯料，也可直接用作建築材料和加工成機械零件。不鏽鋼盤條用於製造不鏽鋼絲、不鏽鋼彈簧鋼絲、不鏽頂鍛鋼絲和不鏽鋼絲繩用鋼絲。隨着生產技術的進步，已出現方形、

六角形、扇形和其他異形斷面的盤條；直徑的上限已擴大到38毫米；盤重從原來的40-60公斤已增加到3000公斤。由於軋後熱處理新工藝的開發，盤條表面的氧化鐵皮明顯減薄，組織性能也得到很大的改善。

盤條在使用前需要用鋼筋調直機調直下料，同時也在機器中去除氧化鏽皮，也在反覆的彎曲拉伸中，強度有一定的提高。沒有調直機的小型工地，使用捲揚機拉直盤條，如果是直接拉是不可取的，容易產生太大的塑性變形，應該一端用滑輪重錘，以控制拉力。

1　連鑄坯成分偏析的影響

（1）中心偏析的影響

在鋼坯試樣的橫截面上, 用Ø5. 5mm 的鑽頭,分別在邊部、中部各取4個, 心部取1個試樣, 用紅外碳硫儀分析碳、硫含量, 用化學法分析硅、錳、磷含量。結果表明, 心部碳的質量分數最大為1. 06%,中心各碳偏析係數為1. 33, 遠遠超出標準要求(鋼簾線用小方坯中心碳偏析係數≤1. 05), 其它元素偏析程度較小。該連鑄坯軋製的盤條在用户拉拔時易發生脆斷, 且斷口呈杯錐狀。縱剖該斷口試樣發現, 中心部位存在“V”形裂紋, 金相組織檢驗發現,中心處存在着網狀或半網狀滲碳體。

滲碳體本身不易變形, 在晶界處呈網狀或半網狀分佈, 對盤條質量的危害很大。盤條在拉拔時易沿晶界產生裂紋, 在進一步拉拔時脆斷。其原因是連鑄坯本身存在着中心碳偏析, 儘管軋製時線材組織處於奧氏體化狀態, 且軋製温度較高, 但由於保温時間有限, 心部碳偏析難以消除, 從而破壞了線材基體組織的均勻性能, 導致線材在拉拔過程中形成杯錐狀斷口而斷裂。中心偏析是連鑄小方坯代表性的缺陷, 解決的辦法是採用大尺寸矩形方坯軋製, 因為大尺寸鑄坯在軋製時能增加軋製比, 消除上述缺陷, 所以一般不宜用小於120mm ×120mm的連鑄方坯, 特別是軋製碳的質量分數大於0. 75%線材。另外, 嚴格控制鋼水的過熱度, 採用電磁攪拌及連鑄時輕壓下技術, 同時強化連鑄二冷段冷卻強度等來降低中心偏析。

（2）　表面增碳的影響

從用户處拿回的斷絲試樣, 有一部分呈筆尖狀斷口, 且在試樣的一側有一連串魚鱗狀裂紋。根據以往的經驗, 應為表面局部組織不均勻所致。對斷絲試樣進行金相檢驗發現, 在魚鱗狀裂紋附近, 組織中出現了塊狀和網狀滲碳體。

這是由於連鑄過程中, 操作不當, 保護渣中的石墨碳隨鋼液進入結晶器, 造成連鑄坯表面局部增碳所致。

2　非金屬夾雜物的影響

通過對82B 盤條的非金屬夾雜物檢驗發現,82B 盤條的非金屬夾雜物一般為C, D 類夾雜, 且C類夾雜較多, 最高達C4. 5e, D類夾雜一般為1 ～ 1. 5級。觀察到的夾雜物最大寬度為30 μm, 遠遠超過標準要求(標準要求C 類≤1, D 類≤0. 5)。非金屬夾雜物存在於盤條中, 對盤條後續加工主要有如下幾方面的危害:

(1)拉拔和捻制變形時, 破壞了鋼絲基體的連續性, 造成應力集中, 一旦受到拉應力或切應力的作用, 沿夾雜物方向就產生破裂, 造成鋼絲拉拔捻制時易斷裂, 且斷口不規則;

(2)非金屬夾雜物降低鋼絲力學性能, 尤其是降低其橫向力學性能, 使鋼絲塑性降低, 在高變形情況下易斷裂, 彎曲、扭轉值降低, 非金屬夾雜物成為鋼絲疲勞斷裂源, 造成鋼絲耐疲勞極限降低;

(3)在鋼絲熱處理時, 由於非金屬夾雜物的膨脹係數與鋼絲基體有差異, 在鋼絲內割裂鋼絲基體連續性, 起局部缺口作用, 造成鋼絲熱處理過程中形成微裂紋, 在繼續拉拔、捻制時微裂紋擴展使鋼絲斷裂。

3　氣體含量的影響

通過對82B 盤條做氧、氮分析, 發現盤條中氧的質量分數為(55 ～ 85) ×10- 6 , 平均為68. 42 ×10-6 , 氮的質量分數為(50 ～ 60) ×10- 6 , 平均為54. 09 ×10- 6 , 遠遠高於標準要求(wO ≤25 ×10- 6 ,wN ≤30 ×10-6 )。鋼中含氮過高會造成鋼質惡化,氮能增加鋼的實效硬化性, 使鋼的強度和硬度提高,塑性、抗衝擊性和韌性顯著下降。鋼中的氧也會對鋼的力學性能產生不良影響, 影響程度與氧的濃度以及含氧的夾雜物類型、分佈、多少有關。鋼中的氫危害極大, 隨着鋼中含氫量的增加, 塑性和韌性顯著下降, 尤其對於82B 這樣的高碳鋼, 在加工冷卻過程中, 這種現象更為嚴重。

4　軋製工藝的影響

由於高線盤條的軋製是在規定的孔型系統中完成的, 變形條件基本固定, 各道次的變形參數已確定, 在實際生產時主要是通過對軋製温度的控制即控温軋製來實現的。控温軋製的主要目的是細化晶粒:通過低温開軋, 可以控制原始奧氏體晶粒的尺寸;通過降低終軋温度, 可以阻止形成奧氏體晶粒長大;通過對精軋後線材的急劇水冷, 達到所設定的吐絲温度, 不僅可以將形變奧氏體迅速轉變成過冷奧氏體, 為組織轉變作好充分準備, 同時也控制了過冷奧氏體晶粒尺寸。但應該注意的是, 由於軋機設備負荷的限制, 開軋温度不能太低, 否則設備易發生事故。另外, 如果開軋温度控制過低容易造成坯料加熱不均, 奧氏體化不均, 碳化物不能充分溶解, 鑄坯中的疏鬆等缺陷不能完全消除, 造成盤條通條性能差及最終組織異常。通過對82B 盤條做奧氏體晶粒度檢驗發現, 青鋼生產的82B 盤條晶粒度為6 ～ 7級, 與武鋼、寶鋼、沙鋼的相比(8 級), 晶粒度較粗。

在開軋温度控制在990 ～ 1 010 ℃, 奧氏體晶粒度為7級;開軋温度控制在1 000 ～ 1 050 ℃, 奧氏體晶粒度為6級, 這説明開軋温度對奧氏體晶粒度的影響較大, 在正常生產的前提下, 應儘可能低地控制開軋温度。

5　軋後控冷工藝的影響

控制冷卻的主要目的是控制過冷度及冷卻速度, 得到強韌化所需要的索氏體組織。根據金屬熱處理原理, 加快冷卻速度, 可以使連續冷卻曲線向右下方移動, 冷卻速度越快,。對於斯太爾摩標準冷卻模式——強制風冷來説, 其冷卻速度不可能達到形成馬氏體的臨界轉變温度。風冷速度越快, 奧氏體轉變成索氏體越容易, 因此, 在實際冷卻時採用大風量, 以求快速冷卻, 一則可以控制鐵素體的析出量, 二則可增大過冷度。對強度有特別要求的82B 盤條, 設定較高的吐絲温度, 加大冷卻速度, 可以達到提高強度的效果。

隨吐絲温度的提高, 盤條的抗拉強度有明顯的升高, 這似乎與吐絲温度越高晶粒越粗大、吐絲温度越低晶粒越細小的理論相矛盾。其實, 此類鋼經過微合金化, 加之在軋製時進行了控温軋製, 經過回覆與再結晶, 形變奧氏體晶粒已經相當細, 即使提高了吐絲温度, 對晶粒的粗化程度相對很小, 因而對強度的影響可忽略。應當注意, 吐絲温度不能過高,否則由於空冷設備限制, 使高碳鋼線材組織轉變不能在控冷線上完全結束, 不僅不能得到預期的組織,同時盤條表面也容易形成較厚的不利於拉拔的氧化鐵皮, 使盤條的綜合性能降低。要合理控制吐絲温度及軋後冷卻速度, 以獲得細索氏體組織, 使成品具有較高的強度及良好的塑性。

對82B盤條的組織檢驗發現, 組織為S +P, 無F組織, 符合標準要求, 但索氏體化率一般在85%左右, 與標準要求的≥95%還有一定的差距, 其心部索氏體化率與沙鋼、寶鋼的相比較低, 只有65%左右(沙鋼75%, 寶鋼85%), 其珠光體團較大, 晶粒較粗大, 因此, 82B 盤條的軋製後控冷工藝還需進一步優化 ^[2]  。

通過以上分析，可以得出如下結論:

(1)連鑄坯中心偏析嚴重, 使盤條在拉拔時易斷裂, 產生杯錐狀斷口;

(2)連鑄坯表面局部增碳,使盤條在拉拔時斷裂, 產生筆尖狀斷口;

(3)盤條中的非金屬夾雜物, 使盤條在拉拔和捻制變形時, 因應力作用而造成鋼絲斷裂;

(4)鋼中O、N 含量過高, 會使鋼的強度和硬度升高, 塑韌性下降;

(5)較低的開軋温度有助於細化盤條的奧氏體晶粒度;

(6)合理的吐絲温度和冷卻速度, 能保證盤條獲得理想的細索氏體組織。

建議:

(1)中心偏析是連鑄小方坯代表性的缺陷, 解決的方法是增大連鑄坯尺寸, 大於180mm ×180mm 為宜, 以提高軋製比;

(2)嚴格控制鋼水的過冷度, 採用連鑄坯凝固末端輕壓下技術及電磁攪拌技術, 減小柱狀晶及中心偏析, 以提高連鑄坯內部質量;

(3)優化原料, 採用爐外精煉措施, 減少鋼水中的氣體及雜質含量;

(4)強化控軋控冷技術, 採用合適的開軋温度、吐絲温度及軋後冷卻速度, 以獲得理想的細索氏體組織 ^[3]  。