《一種高碳鋼線材及其製備方法》是江蘇省沙鋼鋼鐵研究院有限公司於2014年2月11日申請的發明專利，該專利申請號為2014100477557，公布號為CN103805861A，公布日為2014年5月21日，發明人是王雷、麻晗、李平。
《一種高碳鋼線材及其製備方法》提供的高碳鋼線材，包括以下成分：C、Si、Mn、Cr、V、Ti及Fe。該發明還提供了所述高碳鋼線材的製備方法。該發明的高碳鋼線材，具有較為理想的力學性能，不僅具有較高的強度，平均抗拉強度可達1560兆帕，同時，具有良好的塑性，平均斷後收縮率值為30%，斷後伸長率大於等於9%，可滿足生產2300兆帕的預應力鋼絞線的性能要求。
2021年6月24日，《一種高碳鋼線材及其製備方法》獲得第二十二屆中國專利優秀獎。
基本介紹
- 中文名：一種高碳鋼線材及其製備方法
- 申請人：江蘇省沙鋼鋼鐵研究院有限公司
- 發明人：王雷、麻晗、李平
- 申請號：2014100477557
- 申請日：2014年2月11日
- 公布號：CN103805861A
- 公布日：2014年5月21日
- 地址：江蘇省蘇州市張家港市錦豐鎮永新路沙鋼科技大樓
- 代理機構：北京三聚陽光智慧財產權代理有限公司
- 代理人：張建綱
- Int. Cl.：C22C38/28、C22C38/32、C22C33/04、C21D8/06
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,技術領域,權利要求,實施方式,實施案例,效果實驗,專利榮譽,
專利背景
高碳鋼線材可用於生產高強度預應力鋼絲、鋼絞線、彈簧鋼絲、鋼絲繩及鋼簾線等產品。這些產品需高碳鋼線材經過多次的拉拔來生產，拉拔減面率最高可以達到96%。高的拉拔減面率必然對高碳鋼材的強度、塑性、表面質量及純淨度等方面具有較高的要求。
2014年2月前，中國國內市場的預應力鋼絲及鋼絞線主要以1860兆帕級產品為主，其所使用的原材料主要為直徑在11-13毫米的SWRH82B高碳鋼線材，其強度通常在1130~1200兆帕之間。也出現了1960兆帕乃至2100兆帕級的預應力鋼絞線。在鋼鐵製造業，開發高強度的鋼材一直是該領域研發的方向，鋼材強度的提高，可減少鋼材的使用量，例如，2300兆帕級鋼絞線與1860兆帕級鋼絞線相比，鋼材用量可以減少約24%，同時，鋼材強度的提高還可簡化預應力結構，降低施工成本，具有顯著的經濟與社會效益。
中國專利檔案CN103122437A公開的釩矽複合微合金化超高強度盤條及其製備方法，該盤條包括C0.85–0.95%、Si0.95–1.10%、Mn0.50–0.60%、Cr0.20–0.35%、Ti0.01-0.05%、Al0.005–0.050%、V0.11–0.15%，還包括Ni0.001-0.15%、Cu0.001-0.25%、B0.0001–0.005%、Nb0.01-0.03%、Mo0.001–0.03%中的一種或幾種，餘量為鐵和雜質。上述盤條具有較高的強度，其抗拉強度在1370兆帕以上，可用於生產2140兆帕級的預應力鋼絞線，但是，上述盤條無法滿足更高強度預應力的要求，實現更高強度的預應力鋼絞線的製備仍是合金領域的研究熱點。
發明內容
專利目的
《一種高碳鋼線材及其製備方法》的目的是提供一種抗拉強度在1530兆帕以上，可滿足2300兆帕級預應力鋼絞線的製備要求的高碳鋼線材。還提供所述高碳鋼線材的製備方法。
技術方案
《一種高碳鋼線材及其製備方法》的高碳鋼線材，按重量百分比計算，包括以下成分：C：0.88-0.94%；Si：1.25-1.50%；Mn：0.45-0.55%；Cr：0.25-0.45%；V：0.16-0.20%；Ti：0.02-0.08%；餘量為Fe。
所述高碳鋼線材還含有：Mo：0.01-0.15%；Al：0.001-0.10%；B：0.0005-0.0015%；Nb：0.01-0.03%中的一種或多種。
優選的，所述高碳鋼線材，按重量百分比計算，包括以下成分：C：0.92%；Si：1.35%；Mn：0.50%；Cr：0.26%；V：0.18%；Ti：0.07%；餘量為Fe。
《一種高碳鋼線材及其製備方法》的高碳鋼線材在製備過程中可能會含有微量的不可避免的雜質，但不影響該發明的實施及技術效果的實現。
所述的高碳鋼線材的製備方法，包括以下步驟：
1）冶煉：將金屬原料熔融，冶煉至C含量為0.2-0.7%，P含量小於110百萬分比濃度，在1590-1610攝氏度下，出鋼；所述金屬原料中，熔融後的鐵水占所述金屬原料的總重量的百分比為70-85%；
2）精煉：加入含Cr、Si、Mn、Al、Ti、V、B、Mo或Nb中的一種或多種的合金材料，精煉大於或等於40分鐘；
3）連鑄：控制過熱度小於或等於30攝氏度，保持2.50-2.60米/分鐘的恆拉速，得連鑄坯；
4）軋制：保持空煤比小於或等於0.7加熱，在溫度900攝氏度-1100攝氏度下對步驟3）中得到的連鑄坯進行軋制，吐絲溫度為830-860攝氏度；
5）冷卻：採用斯太爾摩控制冷卻，奧氏體相變前保持8-11K/秒的冷卻速度，奧氏體相變後期採用1-2K/秒的冷卻速度，終冷溫度大於500攝氏度。
其中，所述過熱度是連鑄澆鑄溫度與鋼液熔點之間的差值。所述空煤比為加熱爐所使用的空氣與高爐煤氣的體積比。
步驟1）中，所述金屬原料為廢鋼與鐵水的混合物。在步驟1）冶煉前，先對熔融的鐵水進行預脫硫處理，脫硫至鐵水中硫含量小於0.005%。
步驟2）具體為：依次加入含Cr、Si、Mn、Al、Mo、Nb、Ti、V的合金材料，精煉，保持精煉渣鹼度為2.8-3.0，精煉結束前15分鐘，加入含B的合金材料，惰性氣體軟攪拌大於或者等於15分鐘。
步驟3）中連鑄分為一冷及二冷；所述一冷為水冷，控制比水量為4.1-4.5升/千克；所述二冷為氣霧冷卻，控制比水量為1.8-2.0升/千克。
步驟4）中所述軋制包括粗軋與精軋，在1000攝氏度-1100攝氏度下對步驟3）中得到的連鑄坯先進行粗軋，再在溫度900-950攝氏度下精軋。
步驟5）所述相變前線材移動速度為0.8-1.3米/秒，風機風速為30-40米/秒；相變後期線材移動速度為0.6-0.8米/秒，風機風速為0-10米/秒。
所述的高碳鋼線材在製備2300兆帕級預應力鋼絲、2300兆帕級預應力鋼絞線及7毫米的1960兆帕級橋樑纜索鍍鋅鋼絲中的套用。
Si是鐵素體強化元素，能夠通過固溶強化提高鐵素體的強度。另外，Si在鐵素體/滲碳體界面的富集有助於提高鋼絲在熱處理過程中的熱穩定性。Si可提高C在奧氏體中的擴散速度，有利於加熱過程C的均勻化過程，同時Si提高了C的活性，使C與V更易結合，進而促進VC在鐵素體中的析出，但過多的Si會引起脫碳，降低表面質量。
Mn能消除或減弱由於硫所引起的鋼的熱脆性，從而改善鋼的熱加工性能。Mn還可與Fe形成固溶體，提高鋼中鐵素體和奧氏體的硬度和強度；同時，Mn是碳化物形成元素，可進入滲碳體中取代一部分鐵原子。Mn在鋼中可以降低臨界轉變溫度，起到細化珠光體的作用，從而提高了珠光體鋼的強度；此外，Mn穩定奧氏體組織的能力僅次於Ni，可以顯著地提高鋼的淬透性。
Cr是強碳化物生成元素，它在鋼中主要存在於滲碳體片層中通過置換作用形成合金滲碳體。Cr的添加提高了奧氏體的穩定性，可以阻止熱軋時晶粒的長大，另外Cr的添加使得鋼的連續冷卻轉變曲線右移，在相同的冷速下可以細化珠光體片層間距。由於珠光體中合金滲碳體的存在，Cr的添加有助於提高滲碳體片層的熱穩定性。
V與鋼中的C、N結合可形成彌散析出的VNC，進而抑制熱軋時奧氏體晶粒的長大。V在相變初期還易於在奧氏體晶界上形成VC顆粒，降低晶界上C元素的含量，從而可以有效的抑制網狀滲碳體的產生；同時V在相變過程中會在珠光體中的鐵素體間析出，對高碳鋼線材起到析出強化作用，有利於提高高碳鋼線材的強度。但是，過高的V會引起高碳鋼線材組織控制困難。
Ti可固定鋼液中的自由氮，避免自由氮固溶於鋼中產生的自然時效現象，避免由此造成的鋼脆性的增加，提高得到的鋼的塑性及韌性。
Mo可以明顯地提高高碳鋼的淬透性。同時，Mo可以減少晶界上網狀滲碳體出現的幾率，有利於提高高碳鋼盤條的塑性。但是過量的Mo將會與Cr組合作用，使珠光體與貝氏體轉變曲線出現分離，導致高碳鋼在連續冷卻過程中極易出現貝氏體組織。
Al是一種活潑金屬，極易與鋼水中的氧作用生成Al2O3，其在鋼中可作為重要的深脫氧劑使用，降低鋼水中的氧含量，進而降低鋼水中的夾雜物，提高鋼水純淨度。另外，Al可以與鋼水中的N結合生成AlN，細小的AlN在鋼水中析出，可以抑制隨後熱軋前加熱過程中奧氏體晶粒的長大，進而減小奧氏體晶粒度。
B容易在晶界偏聚，可以抑制先共析鐵素體在奧氏體晶界上形核。但是，B極易與鋼中的自由氮結合形成脆性的析出相，從而使盤條產生脆性。
Nb可與鋼中的C、N結合形成Nb（NC），抑制奧氏體晶粒長大。固溶Nb可以通過阻止再結晶或動態再結晶而阻止晶粒的長大。
改善效果
（1）《一種高碳鋼線材及其製備方法》的高碳鋼線材，含有C、Si、Mn、Cr、V、Ti、Fe及雜質，其中，V含量在0.16–0.20%，此範圍下，得到的高碳鋼線材為全珠光體組織，索氏體含量在95%以上，珠光體片層間距在80-100微米之間，組織較為均勻，且V的加入抑制了網狀滲碳體的產生，力學強度得到了較為明顯的提升。同時，保持Si含量為1.25–1.50%，經多次實驗發現，Si含量在1.2以上時，對V的析出促進作用最為顯著。Si在1.25–1.50%的範圍內時，脫碳層厚度可控，且可提高奧氏體中C原子的活度，使V與C更易結合，顯著促進V的析出，大幅提高了高碳鋼線材的強度。所述高碳鋼線材中，結合Mn、Cr、Ti的添加，及含量的控制，使得到的高碳鋼線材具有較為理想的力學性能，不僅具有較高的強度，平均抗拉強度可達1560兆帕，同時，具有良好的塑性，平均斷後收縮率值為30%，斷後伸長率大於等於9%，可滿足生產2300兆帕的預應力鋼絞線的性能要求。其中，0.02-0.08%的Ti的加入，可以與自由N結合形成彌散細小的TiN來固定鋼中的自由氮。由於電爐冶煉過程中的電弧會電離空氣，使得鋼液中的氮含量比較高，而自由氮固溶於鋼中會產生自然時效現象，增加鋼的脆性，因此，控制鋼中的自由氮含量在50百萬分比濃度以下，並加入0.02-0.08%的Ti，添加的Ti固定自由氮，形成TiN，通過控制鑄坯冷卻速度與熱軋前加熱溫度來控制TiN的析出與長大，提高得到的碳鋼線材的強度。
（2）該發明的高碳鋼線材，還含有Mo、Al、B、Nb中的一種或多種。Mo可以明顯地提高高碳鋼的淬透性，減小珠光體的片層間距，同時Mo也可以減少晶界上網狀滲碳體出現的幾率，有利於提高高碳鋼盤條的塑性。Al可起到深脫氧的作用，有利於提高鋼水的純淨度。B可起到減少高碳鋼晶界鐵素體的作用。Nb產生的彌散析出細小碳化物以及部分固溶Nb，可細化奧氏體的晶粒，提高盤條的強度與塑性。
（3）該發明的高碳鋼線材，包括C：0.92%；Si：1.35%；Mn：0.50%；Cr：0.26%；V：0.18%；Ti：0.07%；餘量為Fe。在該配比下，得到的高碳鋼線材抗拉強度可達1575兆帕，斷後收縮值可達36%，斷後伸長率可達10%，具有優越的力學性能。
（4）該發明的高碳鋼線材的製備方法，包括鐵水預處理、電爐冶煉、精煉、連鑄、軋制。在生產中，控制軋制溫度及冷卻速度，可避免脫碳及異常組織的形成，同時使索氏體化率達到95%以上。
（5）該發明的高碳鋼線材的製備方法，由於隨著對抗拉強度要求的提高，產品的缺陷敏感性隨之增加，該發明的方法，連鑄過程連鑄分為一冷及二冷，其中，所述二冷，採用氣霧強冷，由此得到的連鑄坯組織緻密、微觀偏析程度小，可保證軋材的組織均勻性。
（6）該發明的高碳鋼線材的製備方法，將鐵水先進行脫硫，至鐵水中硫含量小於0.005%以提高鋼水的純淨度，可減輕精煉過程中脫硫的壓力，進而更好的減少製得的高碳鋼線材的夾雜物含量，保證線材的性能。
技術領域
《一種高碳鋼線材及其製備方法》屬於合金領域，具體涉及一種高碳鋼線材及其製備方法。
權利要求
1.一種高碳鋼線材，其特徵在於，按重量百分比計算，包括以下成分：C：0.88-0.94%；Si：1.25-1.50%；Mn：0.45-0.55%；Cr：0.25-0.45%；V：0.16-0.20%；Ti：0.02-0.08%；餘量為Fe；其製備方法包括以下步驟：
1）冶煉：將金屬原料熔融，冶煉至C含量為0.2-0.7%，P含量小於110百萬分比濃度，在1590-1610攝氏度下，出鋼；所述金屬原料中，熔融後的鐵水占所述金屬原料的總重量的百分比為70-85%；
2）精煉：加入含Cr、Si、Mn、Ti或V中的一種或多種的合金材料，精煉大於或等於40分鐘，保持精煉渣鹼度為2.8-3.0；
3）連鑄：控制過熱度小於或等於30攝氏度，保持2.50-2.60米/分鐘的恆拉速，得連鑄坯；連鑄分為一冷及二冷；所述一冷為水冷，控制比水量為4.1-4.5升/千克；所述二冷為氣霧冷卻，控制比水量為1.8-2.0升/千克；
4）軋制：保持空煤比小於或等於0.7加熱，在溫度900攝氏度-1100攝氏度下對步驟3）中得到的連鑄坯進行軋制，吐絲溫度為830-860攝氏度；
5）冷卻：採用斯太爾摩控制冷卻，奧氏體相變前保持8-11K/秒的冷卻速度，奧氏體相變後期採用1-2K/秒的冷卻速度，終冷溫度大於500攝氏度。
2.根據權利要求1所述的高碳鋼線材，其特徵在於，還含有：Mo：0.01-0.15%；Al：0.001-0.10%；B：0.0005-0.0015%；Nb：0.01-0.03%中的一種或多種。
3.根據權利要求1或2所述的高碳鋼線材，其特徵在於，按重量百分比計算，包括以下成分：C：0.92%；Si：1.35%；Mn：0.50%；Cr：0.26%；V：0.18%；Ti：0.07%；餘量為Fe。
4.一種權利要求1-3任一所述的高碳鋼線材的製備方法，其特徵在於，包括以下步驟：
1）冶煉：將金屬原料熔融，冶煉至C含量為0.2-0.7%，P含量小於110百萬分比濃度，在1590-1610攝氏度下，出鋼；所述金屬原料中，熔融後的鐵水占所述金屬原料的總重量的百分比為70-85%；
2）精煉：加入含Cr、Si、Mn、Al、Ti、V、B、Mo或Nb中的一種或多種的合金材料，精煉大於或等於40分鐘；
3）連鑄：控制過熱度小於或等於30攝氏度，保持2.50-2.60米/分鐘的恆拉速，得連鑄坯；
4）軋制：保持空煤比小於或等於0.7加熱，在溫度900攝氏度-1100攝氏度下對步驟3）中得到的連鑄坯進行軋制，吐絲溫度為830-860攝氏度；
5）冷卻：採用斯太爾摩控制冷卻，奧氏體相變前保持8-11K/秒的冷卻速度，奧氏體相變後期採用1-2K/秒的冷卻速度，終冷溫度大於500攝氏度。
5.根據權利要求4所述的高碳鋼線材的製備方法，其特徵在於：步驟1）中，所述金屬原料為廢鋼與鐵水的混合物。
6.根據權利要求4或5所述的高碳鋼線材的製備方法，其特徵在於：在步驟1）冶煉前，先對熔融的鐵水進行預脫硫處理，脫硫至鐵水中硫含量小於0.005%。
7.根據權利要求6所述的高碳鋼線材的製備方法，其特徵在於，步驟2）具體為：依次加入含Cr、Si、Mn、Al、Mo、Nb、Ti、V的合金材料，精煉，保持精煉渣鹼度為2.8-3.0，精煉結束前15分鐘，加入含B的合金材料，惰性氣體軟攪拌大於或者等於15分鐘。
8.根據權利要求4或5或7所述的高碳鋼線材的製備方法，其特徵在於，步驟3）中連鑄分為一冷及二冷；所述一冷為水冷，控制比水量為4.1-4.5升/千克；所述二冷為氣霧冷卻，控制比水量為1.8-2.0升/千克。
9.根據權利要求4或5或7所述的高碳鋼線材的製備方法，其特徵在於，步驟4）中所述軋制包括粗軋與精軋，在1000攝氏度-1100攝氏度下對步驟3）中得到的連鑄坯先進行粗軋，再在溫度900-950攝氏度下精軋。
10.權利要求1-3中任一所述的高碳鋼線材在製備2300兆帕級預應力鋼絲、2300兆帕級預應力鋼絞線及1960兆帕級橋樑纜索鍍鋅鋼絲中的套用。
實施方式
實施案例
《一種高碳鋼線材及其製備方法》實施例1-11及對比例1-4的高碳鋼線材的各組分含量如表1所示。
項目 | C | Si | Mn | Cr | V | Ti | Mo | Al | B | Nb |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
實施例1 | 0.88 | 1.5 | 0.50 | 0.35 | 0.16 | 0.08 | — | — | — | — |
實施例2 | 0.94 | 1.38 | 0.45 | 0.45 | 0.20 | 0.02 | 0.01 | — | — | — |
實施例3 | 0.91 | 1.25 | 0.55 | 0.25 | 0.18 | 0.05 | — | 0.1 | — | — |
實施例4 | 0.90 | 1.40 | 0.46 | 0.40 | 0.19 | 0.06 | — | — | 0.0010 | — |
實施例5 | 0.94 | 1.38 | 0.45 | 0.45 | 0.20 | 0.02 | — | — | — | 0.03 |
實施例6 | 0.91 | 1.25 | 0.55 | 0.25 | 0.18 | 0.05 | 0.15 | — | 0.0015 | — |
實施例7 | 0.90 | 1.40 | 0.46 | 0.40 | 0.19 | 0.06 | 0.08 | 0.001 | — | — |
實施例8 | 0.89 | 1.50 | 0.50 | 0.30 | 0.20 | 0.07 | — | 0.05 | — | 0.01 |
實施例9 | 0.88 | 1.50 | 0.50 | 0.35 | 0.16 | 0.08 | — | — | 0.0005 | 0.02 |
實施例10 | 0.94 | 1.38 | 0.45 | 0.45 | 0.20 | 0.02 | 0.012 | 0.005 | 0.0010 | 0.02 |
實施例11 | 0.92 | 1.35 | 0.50 | 0.26 | 0.18 | 0.07 | — | 0.015 | 0.0015 | — |
對比例1 | 0.88 | 1.50 | 0.50 | 0.35 | — | 0.08 | — | — | — | — |
對比例2 | 0.88 | 0.25 | 0.50 | 0.35 | 0.16 | 0.08 | — | — | — | — |
對比例3 | 0.88 | 1.00 | 0.50 | 0.35 | 0.16 | 0.08 | — | — | — | — |
對比例4 | 0.88 | 1.60 | 0.50 | 0.35 | 0.16 | 0.08 | — | — | — | — |
實施例1
該實施的高碳鋼線材，其成分組成如表1所示，其製備方法包括以下步驟：
1）鐵水預脫硫：採用KR法脫硫，加入脫硫劑CaO脫除熔融的鐵水的硫，至硫含量小於0.005%。
2）電爐冶煉：將金屬原料加入電爐，冶煉開始時使用小電壓電流起弧，約1分鐘待電流穩定後逐漸提高電壓電流，進行穿井，冶煉過程採用流渣冶煉，加強換渣，造泡沫渣，避免增氮；控制終點C含量為0.2%、P含量小於110百萬分比濃度，出鋼，控制出鋼溫度為1590攝氏度，氬氣攪拌壓力為1兆帕，出鋼至1/3時添加高碳鋼專用合成渣與含Cr、Si、Mn合金材料的總量的70%；出鋼避免下渣，如有下渣現象，需進行倒渣操作。其中，所述金屬原料包括廢鋼18噸、鐵水82噸。
3）精煉：依次加入剩餘的含Cr、Si合金材料、含Al的合金材料、含Mo的合金材料、含Nb的合金材料、含Ti的合金材料及含V的合金材料，LF精煉，控制精煉渣二元鹼度為2.8，（FeO）+（MnO）≤1.0%，精煉至鋼液中各成分含量達到表1中的選定數值；精煉結束前15分鐘，餵入SiCa線及B線，餵絲後氬氣軟攪拌15分鐘，加入保溫劑；所述保溫劑為碳化稻殼。
4）連鑄：控制過熱度等於30攝氏度，保持2.50米/分鐘的恆拉速，一冷採用水冷，控制比水量為4.2升/千克，二冷區採用氣霧冷卻，控制比水量為1.9升/千克，連鑄為橫截面140毫米×140毫米×16米的方坯，得連鑄坯。
5）軋制：保持空煤比小於0.7加熱，在1000攝氏度下對步驟4）中得到的連鑄坯先進行粗軋，再在溫度950攝氏度下精軋，吐絲溫度為830攝氏度。
6）冷卻：採用斯太爾摩控制冷卻，奧氏體相變前保持9K/秒的冷卻速度，線材運行速度為0.8米/秒，風機風速為30米/秒；奧氏體相變後期採用1K/秒的冷卻速度，線材運行速度為0.8米/秒，風機風速為10米/秒，降溫至510攝氏度。
實施例2
該實施的高碳鋼線材，其成分組成如表1所示，其製備方法包括以下步驟：
1）鐵水預脫硫：採用KR法脫硫，加入脫硫劑CaO脫除熔融的鐵水的硫，至硫含量小於0.005%。
2）電爐冶煉：將金屬原料加入電爐，冶煉開始時使用小電壓電流起弧，約1分鐘待電流穩定後逐漸提高電壓電流，進行穿井，冶煉過程採用流渣冶煉，加強換渣，造泡沫渣，避免增氮；控制終點C含量為0.7%、P含量小於110百萬分比濃度，出鋼，控制出鋼溫度為1610攝氏度，氬氣攪拌壓力為0.1兆帕，出鋼至1/3時添加高碳鋼專用合成渣與含Cr、Si、Mn合金材料的總量的70%；出鋼避免下渣，如有下渣現象，需進行倒渣操作。其中，所述金屬原料包括廢鋼30噸、鐵水70噸。
3）精煉：依次加入剩餘的含Cr、Si合金材料、含Al的合金材料、含Mo的合金材料、含Nb的合金材料、含Ti的合金材料及含V的合金材料，LF精煉，控制精煉渣二元鹼度為3.0，（FeO）+（MnO）≤1.0%，精煉至鋼液中各成分含量達到表1中的選定數值；精煉結束前15分鐘，餵入SiCa線及B線，餵絲後氬氣軟攪拌15分鐘，加入保溫劑；所述保溫劑為碳化稻殼。
4）連鑄：控制過熱度等於27攝氏度，保持2.60米/分鐘的恆拉速，一冷採用水冷，控制比水量為4.5升/千克，二冷區採用氣霧冷卻，控制比水量為1.8升/千克，連鑄為橫截面140毫米×140毫米×16米的方坯，得連鑄坯。
5）軋制：保持空煤比小於0.7加熱，在1100攝氏度下對步驟4）中得到的連鑄坯先進行粗軋，再在溫度900攝氏度下精軋，吐絲溫度為860攝氏度。
6）冷卻：採用斯太爾摩控制冷卻，奧氏體相變前保持11K/秒的冷卻速度，線材運行速度為0.8米/秒，風機風速為30米/秒；奧氏體相變後期採用2K/秒的冷卻速度，線材運行速度為0.7米/秒，風機風速為10米/秒，降溫至550攝氏度。
實施例3
該實施的高碳鋼線材，其成分組成如表1所示，其製備方法包括以下步驟：
1）鐵水預脫硫：採用KR法脫硫，加入脫硫劑CaO脫除熔融的鐵水的硫，至硫含量小於0.005%。
2）電爐冶煉：將金屬原料加入電爐，冶煉開始時使用小電壓電流起弧，約1分鐘待電流穩定後逐漸提高電壓電流，進行穿井，冶煉過程採用流渣冶煉，加強換渣，造泡沫渣，避免增氮；控制終點C含量為0.5%、P含量小於110百萬分比濃度，出鋼，控制出鋼溫度為1600攝氏度，氬氣攪拌壓力為0.6兆帕，出鋼至1/3時添加高碳鋼專用合成渣與含Cr、Si、Mn合金材料的總量的70%；出鋼避免下渣，如有下渣現象，需進行倒渣操作。其中，所述金屬原料包括廢鋼15噸、鐵水85噸。
3）精煉：依次加入剩餘的含Cr、Si合金材料、含Al的合金材料、含Mo的合金材料、含Nb的合金材料、含Ti的合金材料及含V的合金材料，LF精煉，控制精煉渣二元鹼度為2.9，（FeO）+（MnO）≤1.0%，精煉至鋼液中各成分含量達到表1中的選定數值；精煉結束前15分鐘，餵入SiCa線及B線，餵絲後氬氣軟攪拌18分鐘，加入保溫劑；所述保溫劑為碳化稻殼。
4）連鑄：控制過熱度等於27攝氏度，保持2.60米/分鐘的恆拉速，一冷採用水冷，控制比水量為4.1升/千克，二冷區採用氣霧冷卻，控制比水量為2.0升/千克，連鑄為橫截面140毫米×140毫米×16米的方坯，得連鑄坯。
5）軋制：保持空煤比小於0.7加熱，在1050攝氏度下對步驟4）中得到的連鑄坯先進行粗軋，再在溫度930攝氏度下精軋，吐絲溫度為840攝氏度。
6）冷卻：採用斯太爾摩控制冷卻，奧氏體相變前保持8K/秒的冷卻速度，線材運行速度為1.3米/秒，風機風速為40米/秒；奧氏體相變後期採用2K/秒的冷卻速度，線材運行速度為0.6米/秒，風機風速為5米/秒，降溫至550攝氏度。
實施例4
該實施的高碳鋼線材，其成分組成如表1所示，其製備方法包括以下步驟：
1）鐵水預脫硫：採用KR法脫硫，加入脫硫劑CaO脫除熔融的鐵水的硫，至硫含量小於0.005%；
2）電爐冶煉：將金屬原料熔融，冶煉至C含量為0.2%，P含量小於110百萬分比濃度，在1600攝氏度下，出鋼；
3）精煉：加入含Cr、Si、Mn、Al、Ti、V、B合金材料，精煉40分鐘，精煉渣鹼度為控制為2.8-3.0；
4）連鑄：控制過熱度等於30攝氏度，保持2.50米/分鐘的恆拉速，得連鑄坯；
5）軋制：保持空煤比等於0.5加熱，在溫度900攝氏度下對步驟3）中得到的連鑄坯進行軋制，吐絲溫度為860攝氏度；
6）冷卻：採用斯太爾摩控制冷卻，奧氏體相變前保持11K/秒的冷卻速度，奧氏體相變後期採用2K/秒的冷卻速度，終冷溫度為540攝氏度。
實施例5-11
實施例5-11的高碳鋼線材，其成分組成如表1所示，其製備方法與實施例1相同。
實施例12
該實施例的預應力鋼絞線，其製備方法如下：
1）取實施例1中的所述高碳鋼線材進行酸洗磷化。
2）將所述高碳鋼線材依次通過8個模具進行冷拔，得鋼絲；所述拉拔次序依次為Ф13.0毫米→Ф11.4毫米→Ф10.0毫米→Ф7.98毫米→Ф7.27毫米→Ф6.55毫米→Ф5.48毫米→Ф5.36毫米→Ф5.02毫米。
3）將上述拉拔得到的鋼絲進行合股並進行穩定化處理，穩定化處理溫度為380±10攝氏度，即得預應力鋼絞線。
實施例13
該實施例的預應力鋼絲，其製備方法如下：
1）取實施例2中的所述高碳鋼線材進行酸洗磷化。
2）將所述高碳鋼線材依次通過8個模具進行冷拔，得鋼絲；所述拉拔次序依次為Ф13.0毫米→Ф11.4毫米→Ф10.0毫米→Ф7.98毫米→Ф7.27毫米→Ф6.55毫米→Ф5.48毫米→Ф5.36毫米→Ф5.02毫米。
3）將上述拉拔得到的鋼絲進行合股並進行穩定化處理，穩定化處理溫度為380±10攝氏度，即得預應力鋼絲。
實施例14
該實施例的橋樑纜索鍍鋅鋼絲，其製備方法如下：
1）取實施例2中的所述高碳鋼線材進行酸洗磷化。
2）將所述高碳鋼線材依次通過9個模具進行冷拔，得鋼絲；所述拉拔次序依次為Ф13.0毫米→Ф11.5毫米→Ф10.2毫米→Ф9.28毫米→Ф8.73毫米→Ф8.45毫米→Ф8.15毫米→Ф7.9毫米→Ф7.4毫米→Ф6.9毫米。
3）將上述拉拔得到的鋼絲依次進行鹼洗、酸洗、水洗、乾燥、助鍍，然後在450攝氏度進行熱鍍鋅處理。將熱鍍鋅後的鋼絲在380攝氏度進行穩定化處理，即得橋樑纜索用鍍鋅鋼絲。
實施例15
該實施例的預應力鋼絞線，採用實施例11中製備得到的高碳鋼線材進行製備，其製備方法與實施例12中的方法相同。
對比例1-4
對比例1-4的高碳鋼線材，其成分組成如表1所示，其製備方法與實施例1相同。
對比例5-8
對比例5-8的預應力鋼絞線，分別採用對比例1-4中製備得到的高碳鋼線材進行製備，其製備方法與實施例12中的方法相同。
效果實驗
為說明《一種高碳鋼線材及其製備方法》的技術效果，對實施例1-15及對比例1-8中製備得到的產品進行以下實驗。
1、對實施例1-11及對比例1-4中製備得到的高碳鋼線材進行實驗：
（1）實驗方法：
①力學性能的測定：按照國標GB/T228.1-2010進行，測量所述高碳鋼線材的抗拉強度、斷後收縮率及斷後伸長率。
②索氏體化率的測定：採用YB/T169-2000中的圖像儀法進行測量。
（2）實驗結果：
項目 | 抗拉強度（兆帕） | 斷後收縮率（%） | 斷後伸長率（%） | 索氏體化率（%） |
|---|---|---|---|---|
實施例1 | 1565 | 32% | 10% | 96% |
實施例2 | 1550 | 35% | 9% | 95% |
實施例3 | 1570 | 33% | 9% | 96% |
實施例4 | 1545 | 33% | 9% | 96% |
實施例5 | 1570 | 32% | 9% | 97% |
實施例6 | 1585 | 25% | 9% | 96% |
實施例7 | 1595 | 28% | 9% | 96% |
實施例8 | 1575 | 33% | 9% | 94% |
實施例9 | 1570 | 30% | 8% | 95% |
實施例10 | 1555 | 33% | 9% | 97% |
實施例11 | 1575 | 36% | 10% | 97% |
對比例1 | 1230 | 35% | 10% | 90% |
對比例2 | 1420 | 35% | 9% | 95% |
對比例3 | 1500 | 28% | 7% | 95% |
對比例4 | 1540 | 23% | 7% | 95% |
對比例1與2中，分別為未加入V與未加入Si，對比例3與4中Si的添加量分別為低於1.25與高於1.50。實施例1-11與對比例1-4中的高碳鋼線材相比，具有優越的力學性能，抗拉強度平均為1568兆帕，具有較高的力學強度，斷後收縮率平均為33%，斷後伸長率平均為9%，具有較良好的塑性，尤其是實施例11，抗拉強度可達1575兆帕，斷後收縮率為36%，斷後伸長率為10%，具有最為理想的力學性能。與此相比，對比例1-4中，對比例1、2的抗拉強度較低，對比例3，抗拉強度僅能達到1500兆帕，對比例4高碳鋼線材脫碳嚴重，且面縮率不能滿足使用要求。可見，並不是Si的含量越高，越能促進V析出，提升力學性能的。Si在1.25–1.50%的範圍內，V的析出促進作用最為理想。
2、對實施例12-15及對比例5-8中製備得到的預應力鋼絞線、預應力鋼絲及橋樑纜索鍍鋅鋼絲進行實驗：
（1）實驗方法：
按照國標GB/T228.1-2010中的方法對待測鋼絲、鋼絞線的抗拉強度與最大力總伸長率進行測定。
（2）實驗結果：
項目 | 抗拉強度（兆帕） | 最大力總伸長率（%） |
|---|---|---|
實施例12 | 2382 | 4.2 |
實施例13 | 2405 | 4.5 |
實施例14 | 2015 | 5.4 |
實施例15 | 2420 | 4.8 |
對比例5 | 2011 | 4.5 |
對比例6 | 2200 | 4.2 |
對比例7 | 2270 | 3.5 |
對比例8 | 2320 | 3.1 |
實施例12、13、15與對比例5-8中的預應力鋼絞線相比，強度達到了2300兆帕級預應力鋼絞線的強度要求，且滿足最大總伸長率大於3.5%的指標。對比例5-7的強度未達到2300兆帕，而對比例8的最大力總伸長率未達到要求。此外，實施例14中的橋樑纜索鍍鋅鋼絲強度達到了2015兆帕，最大力總伸長率達到5.4%，達到了7毫米橋樑纜索鍍鋅鋼絲的力學性能要求。
專利榮譽
2021年6月24日，《一種高碳鋼線材及其製備方法》獲得第二十二屆中國專利優秀獎。
