本發明屬于冶金領域，涉及一種連鑄工藝，具體的說是一種新型免涂裝耐候鋼橋用高強緊固件耐候鋼的連鑄工藝。

背景技術：

耐候鋼的開發研究早在1910年就開始了，Buck D.M.首先開發了能夠抑制在大氣中銹蝕的含銅鋼，從1916年起，美國材料試驗協會以及英國鋼鐵協會組織實施了大規模的鋼材耐候性露天試驗，獲知Cu、Cr、P等元素對于提高鋼材耐候性最有效，Ni、Mo、Al、V、Ti等元素也有一定的效果；耐候鋼并不是不發生銹蝕，而是在使用的初期階段與普通鋼一樣生銹，只是兩者在其后的銹蝕速度不同而已，普通鋼隨著銹蝕的進展，銹層膨脹變厚，Fe₃O₄形成并開始產生裂縫，隨后銹層發生剝離，從而進一步加劇銹蝕向內部進展，而耐候鋼在干燥與潮濕的環境交替變化中，鋼材表面上形成由Cu、Cr、P等元素濃縮后的致密且連續的安定銹層；

耐候鋼的抗大氣腐蝕機理和主要合金元素的作用：耐候鋼較普碳鋼有良好的抗大氣腐蝕能力，其中合金元素起到了決定性作用，使鋼鐵材料在銹層和基體之間形成一層約50～100μm厚的致密且與基體金屬粘附性好的非晶態尖晶石型氧化物層；由于這層致密氧化物膜的存在，阻止了大氣中氧和水向鋼鐵基體滲入，減緩了銹蝕向鋼鐵材料縱深發展，從而大大提高了鋼鐵材料的耐大氣腐蝕能力；并且，由于銹層的穩定，使得非裸露用耐候鋼的涂裝層不易脫落，研究表明，依耐候鋼成分不同，鋼構件使用環境不同，耐候鋼的抗大氣腐蝕能力可比普通鋼提高2～8倍，涂裝性可提高1.5～10倍，包括:l)降低銹層的導電性能，自身沉淀并覆蓋鋼表面;2)影響銹層中物相結構和種類，阻礙銹層的生長;3)推遲銹的結晶;4)加速鋼均勻溶解;5)加速Fe²⁺向Fe³⁺的轉化，并能阻礙腐蝕產物的快速生長;6)合金元素及其化合物阻塞裂紋和缺陷，進一步研究結果表明，耐候鋼中加入的合金元素對其耐大氣腐蝕性能的影響不盡相同；

C:對鋼的耐大氣腐蝕不利，同時C影響鋼的焊接性能、冷脆性能和沖壓性能等；

Si:與其他元素如Cu、Cr、P、Ca配合使用可改善鋼的耐候性；

Mn:對耐蝕性的影響還沒有一致認識，較多學者認為，Mn能提高鋼對海洋大氣的耐蝕性，但對在工業大氣中的耐蝕性沒有什么影響，耐候鋼中Mn含量一般為0.5%～2%；

P:是提高鋼耐大氣腐蝕性能最有效的合金元素之一，一般P含量在0.08%～0.15%時耐蝕性最佳，當P與Cu聯合加入鋼中時，顯示出更好的復合效應，在大氣腐蝕條件下，鋼中的P是陽極去極化劑，它在鋼中能加速鋼的均勻溶解和Fe²⁺的氧化速率，有助于在鋼表面形成均勻的FeOOH銹層，促進生成非晶態經基氧化鐵FeOx(OH)_3-2x致密保護膜，從而增大了電阻，成為腐蝕介質進入鋼基的保護屏障，使鋼內部免遭大氣腐蝕，當磷形成PO₄^3－時還起到緩蝕作用；

S:對耐候起不良作用，作為殘余元素，其含量被控制在小于0.04％以下。

Cr:能在鋼表面形成致密的氧化膜，提高鋼的鈍化能力。耐候鋼中Cr含量一般為0.4%～1%(最高1.3%)。當Cr與Cu同時加入鋼中時，效果尤為明顯；最近MasatoYamashita等人研究指出，Cr含量提高利于細化α－FeOOH，當銹層/金屬界面的α－FeOOH中Cr含量超過5%時，能有效抑制腐蝕性陰離子，特別是Cl^－離子的侵入;同時T.Kamimura等人認為，添加Cr元素還可以阻止干濕交替過程中干燥時Fe³⁺、Fe²⁺的還原反應，從而提高鋼的耐候性，但在Cl^－離子含量較高的地區，添加Cr元素被認為是有害的；

Ni：是一種比較穩定的元素，加入Ni能使鋼的自腐蝕電位向正方向變化，增加了鋼的穩定性；

Cu：在鋼中加入0.2%一0.4%的Cu時，無論在鄉村大氣、工業大氣或海洋大氣中，都具有較普碳鋼優越的耐蝕性能，關于Cu對改善鋼的耐大氣腐蝕性能作用機理，說法不一，主要有兩種機制:一為Tomashov提出的促進陽極鈍化論，認為鋼與表面二次析出的Cu之間的陰極接觸，能促使鋼陽極鈍化，并形成保護性較好的銹層;另一是Cu富集說，認為Cu在基體與銹層之間形成Cu、P為主要成份的的阻擋層，它與基體結合牢固，因而具有較好的保護作用；這些解釋都是基于Cu在鋼的表面及銹層中的富集現象，因此這兩種機制可能同時起作用，值得注意的是，Cu有抵消鋼中S的有害作用的明顯效果，其作用特點是鋼中S含量愈高，合金元素Cu減低腐蝕速率的相對效果愈顯著，一般認為這是Cu和S生產難溶的硫化物所致；

Mo:當鋼中含0.4%一0.5%Mo時，在大氣腐蝕環境(尤其是工業大氣)下鋼的腐蝕速率可能降低二分之一以上；

耐大氣腐蝕鋼中耐蝕合金元素的作用特點，是經長期使用后，才顯示出來的，耐蝕效果研究還表明，可以提高鋼的抗大氣腐蝕性能的合金元素應滿足以下條件:l)在鐵中的溶解度大于銹層中的溶解度;2)可以和鐵形成固溶體;3)可以提高鋼的電位；

近二、 三十年來，我國在修建跨越大江、大河及海灣橋梁時，鋼橋以其高強、快速及跨越能力大而成為不可替代的橋型，得到迅猛的發展，但鋼結構橋梁必須解決銹蝕問題，人們曾在涂裝的耐久性上動了不少腦筋，并取得了成功，使得涂裝的使用期限大大地延長，即使這樣，再次涂裝仍無法避免，涂裝費用仍很可觀，而且無法從根本上消除隱患，因而人們設想從材質上下功夫，開發一種難以銹蝕的而且一次性造價不太高的橋梁用的鋼種，即耐候鋼，耐候鋼，即耐大氣腐蝕鋼，是介于普通鋼和不銹鋼之間的低合金鋼，耐候鋼由普碳鋼添加少量銅、鎳等耐腐蝕元素制造而成，具有優質鋼的強韌、塑延、成型、焊割、磨蝕、高溫、抗疲勞等特性；其耐候性為普碳鋼的2~8倍，涂裝性為普碳鋼的1.5~10 倍，耐候鋼并非不銹鋼，初期同普通碳鋼一樣也會銹蝕，后期情況則不同，耐候鋼銹蝕一段時間后由于鋼表面Cu、P 等微量元素富集，形成一層致密的非晶態銹層組織，并與基體結合得非常牢固，這層穩定化銹層能夠在一定程度上抵御大氣中水氣及有害離子的侵入，防止基體金屬進一步腐蝕，耐候鋼在使用時，可以涂裝、裸用或進行穩定化處理，涂裝時的要求與普通碳鋼相同；

概括而言，耐候鋼的優點主要有：

（1）節約橋梁初期成本：同普通鋼加涂裝相比，大大減少涂裝系統的費用，從而節約初期成本，由國外的調查研究結果表明，通常耐候鋼的費用比普通鋼加涂裝低 5%左右；

（2）降低橋梁全壽命成本：耐候鋼橋降低對將來維修養護的要求，不僅大大減小維修的直接費用，而且減小包括中斷交通或占用鐵路的間接費用，這些費用遠遠超過總費用的 5%。

（3）減少工廠和現場涂裝，加快建造速度；

（4）耐候鋼橋最終呈耐看的深褐色，隨時間增長與環境協調；

（5）涂裝釋放揮發性有機物，而耐候鋼可以避免或減少涂裝，對環境影響小；

從整個使用期的費用來衡量，一般認為耐候鋼橋相比普通鋼橋的費用較低，因此，將維護費用較低的耐候鋼應用到橋梁中，會有很好的經濟效益，有研究美國的耐候鋼與普通鋼每噸使用量的造價比較，采用等級50的鋼材，比較可知，耐候鋼比普通鋼的制造價格高約5%，但是普通鋼的涂漆防護費用卻是兩者間制造差價的3倍，考慮到使用期間的重新油漆費用比初期油漆費用要高，因此，一般認為從整個使用期間的費用來衡量，耐候鋼橋的費用遠遠低于普通鋼橋的費用；

日本建設省土木研究所推算的耐候鋼橋與普通鋼橋的費用指數，得出使用60年后的普通鋼橋的費用為耐候鋼橋的約1.5倍，100年后為2倍以上，從整個使用期間的費用來看耐候鋼橋顯示較好的經濟效果；

耐候高強緊固件在美、日、歐已被強制性地要求用于免涂裝耐候鋼橋的構件連接和安裝，美國免涂裝耐候鋼橋已經超過一萬座，在每年新增的近30座鋼橋中大部分采用耐候設計，目前我國正在積極推動免涂裝耐候鋼橋的建造，川藏線藏木大橋采用免涂裝耐候的方案已通過審核，大渡河大橋也擬建成免涂裝耐候鋼橋；為此，要求盡快解決所有耐候鋼材配套及相關制造安裝技術，目前國內耐候高強緊固件產品還處于空白，急需自主研制，南鋼開發NHL10耐侯鋼橋緊固件用鋼，以適應市場需求，填補國內耐候高強緊固件產品的空白。

但該鋼種在連鑄生產過程易產生漏鋼事故，鋼坯表面容易出現表面縱裂紋，連鑄過程中易發生漏鋼事故主要由于該類鋼種含有鉻、銅、鎳等元素，坯殼易與結晶器銅板發生粘連，從而發生粘結漏鋼，因為該鋼種的磷、銅、礬等元素含量高，在結晶過程中偏析傾向大，使鋼的晶界脆化，易產生裂紋；

目前避免發生漏鋼事故，出現表面縱裂紋的主要方法是選用合適的保護渣及合理的一冷、二冷工藝，該鋼種合金含量較多，生產過程中應保證二冷段噴嘴嚴格對中，并適當降低連鑄拉速及二冷冷卻強度，避免連鑄裂紋的產生；鑄坯表面缺陷過深，部分鑄坯無法通過修磨處理使用，只能報廢。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是，針對以上現有技術存在的缺點，提出一種免涂裝耐候鋼橋用高強緊固件耐候鋼的連鑄工藝，該連鑄工藝有效避免發生漏鋼，合適的保護渣及合理的冷卻工藝，避免鑄坯出現表面縱裂紋，采用結晶器電磁攪拌，末端電磁攪拌，改善鋼的各元素成分偏析，大幅度提高高強緊固件耐候鋼鑄坯質量，生產穩定。

本發明解決以上技術問題的技術方案是：

一種免涂裝耐候鋼橋用高強緊固件耐候鋼的連鑄工藝，該連鑄工藝包括以下步驟：

（1）鑄機開始澆注前，將保護渣放入保護渣烘烤爐進行烘烤，烘烤溫度控制在140±10℃，烘烤時間為40±10min，確保保護渣干燥與進行預熱，所述結晶器保護渣質量百分比計包括以下組分：SiO₂：30±5%，CaO：22±5%，MgO：2.5±0.5%，Al₂O₃：10.5±1%，Fe₂O₃：2.5±1%， MnO₂：≤1.1%，Na₂O：3.5±1.5%，F^－：3.5±1.5%，C_tot：15.7±1.5%，H₂O(105℃)：≤0.5%，以上各成分的重量百分之和為100%，R：0.7±0.15，其中R是堿度，即CaO/SiO₂的比值；

（2）連鑄采用全保護澆注，大包至中間包、中間包至結晶器全保護澆注，中間包開澆前灌氬氣，鋼包到中間包采用長水口氬封保護澆注，中間包到結晶器采用整體內裝浸入式水口保護澆注，中間包中鋼水使用覆蓋劑，中間包連續測溫；在連鑄澆注過程中采用結晶器電磁攪拌，結晶器液面采用全自動液面檢測，連鑄拉速按中間包過熱度自動控制，結晶器及二冷自動配水，結晶器電磁攪拌，末端電磁攪拌；

（3）澆注過程中，保護渣每個流每次加入0.5±0.1kg，循環時間為5±1min，確保結晶器內保護渣的渣面保持穩定，保護渣總渣層厚度在4±0.5cm，維持三層結構，目視渣面不得見紅，每隔15±3min，進行一次結晶器渣帶清理工作，其中：

保護渣總渣的三層結構從上至下為粉渣層、燒結層和液渣層。

本發明進一步限定的技術方案為：

前述免涂裝耐候鋼橋用高強緊固件耐候鋼的連鑄工藝中，連鑄采用小方坯連鑄機澆注，斷面150mm×150mm。

前述免涂裝耐候鋼橋用高強緊固件耐候鋼的連鑄工藝中，連鑄時一冷及二冷工藝采用弱冷模式，二冷水比水量控制在0.61±0.03L/kg。

前述免涂裝耐候鋼橋用高強緊固件耐候鋼的連鑄工藝中，結晶器電磁攪拌參數為電流（300－400）A，頻率（2-3）Hz；末端電磁攪拌參數為電流（250－300）A，頻率（7-8）Hz。

前述免涂裝耐候鋼橋用高強緊固件耐候鋼的連鑄工藝中，保護渣的物理指標為：熔點（℃）：1093±50，粘度（Pa.s/1300℃，poise）：10±3，粒度（0.15-1mm）：≥90%，容重（g/cm³）：0.80±0.2。

本發明的有益效果是：

連鑄澆注順利，鑄坯內外部質量良好，表面無裂紋出現，軋制圓鋼的鋼材性能滿足用戶要求，已用于免涂裝耐候鋼橋。

本發明連鑄工序中保護渣采用低碳包晶鋼保護渣，改善結晶器傳熱，避免坯殼與結晶器銅板發生粘連引起的粘結漏鋼。

該連鑄工藝有效避免發生漏鋼，合適的保護渣及合理的冷卻工藝，避免鑄坯出現表面縱裂紋，采用結晶器電磁攪拌，末端電磁攪拌，改善鋼的各元素成分偏析，大幅度提高高強緊固件耐候鋼鑄坯質量，生產穩定。

具體實施方式

實施例1

本實施例提供一種免涂裝耐候鋼橋用高強緊固件耐候鋼的連鑄工藝，該連鑄工藝包括以下步驟：

（1）鑄機開始澆注前，將保護渣放入保護渣烘烤爐進行烘烤，烘烤溫度控制在140℃，烘烤時間為40min，確保保護渣干燥與進行預熱，所述結晶器保護渣質量百分比計包括以下組分：SiO₂：35%，CaO：26%，MgO：2.5%，Al₂O₃：11.2%，Fe₂O₃：2.5%， MnO₂： 1.1%，Na₂O：3.5%，F^－：3.5%，C_tot：14.2%，H₂O(105℃)： 0.5%，以上各成分的重量百分之和為100%，R：0.74，其中R是堿度，即CaO/SiO₂的比值；

保護渣的物理指標為：熔點（℃）：1093，粘度（Pa.s/1300℃，poise）：10，粒度（0.15-1mm）：≥90%，容重（g/cm³）：0.80；

（2）連鑄采用全保護澆注，大包至中間包、中間包至結晶器全保護澆注，中間包開澆前灌氬氣，鋼包到中間包采用長水口氬封保護澆注，中間包到結晶器采用整體內裝浸入式水口保護澆注，中間包中鋼水使用覆蓋劑，中間包連續測溫；在連鑄澆注過程中采用結晶器電磁攪拌，結晶器液面采用全自動液面檢測，連鑄拉速按中間包過熱度自動控制，結晶器及二冷自動配水，結晶器電磁攪拌，末端電磁攪拌，其中：

結晶器電磁攪拌參數為電流300A，頻率2Hz；末端電磁攪拌參數為電流250A，頻率7Hz；

（3）澆注過程中，保護渣每個流每次加入0.5kg，循環時間為5min，確保結晶器內保護渣的渣面保持穩定，保護渣總渣層厚度在4cm，維持三層結構，目視渣面不得見紅，每隔15min，進行一次結晶器渣帶清理工作，其中：保護渣總渣的三層結構從上至下為粉渣層、燒結層和液渣層。

在本實施例中，連鑄時一冷及二冷工藝采用弱冷模式，二冷水比水量控制在0.61L/kg。

實施例2

本實施例提供一種免涂裝耐候鋼橋用高強緊固件耐候鋼的連鑄工藝，該連鑄工藝包括以下步驟：

（1）鑄機開始澆注前，將保護渣放入保護渣烘烤爐進行烘烤，烘烤溫度控制在150℃，烘烤時間為50min，確保保護渣干燥與進行預熱，所述結晶器保護渣質量百分比計包括以下組分：SiO₂：31.2%，CaO：22%，MgO：3%，Al₂O₃：11.5%，Fe₂O₃：3.5%， MnO₂： 1.1%，Na₂O：5%，F^－：5%，C_tot：17.2%，H₂O(105℃)： 0.5%，以上各成分的重量百分之和為100%，R：0.71，其中R是堿度，即CaO/SiO₂的比值；

保護渣的物理指標為：熔點（℃）：1143，粘度（Pa.s/1300℃，poise）：13，粒度（0.15-1mm）：≥90%，容重（g/cm³）：1；

（2）連鑄采用全保護澆注，大包至中間包、中間包至結晶器全保護澆注，中間包開澆前灌氬氣，鋼包到中間包采用長水口氬封保護澆注，中間包到結晶器采用整體內裝浸入式水口保護澆注，中間包中鋼水使用覆蓋劑，中間包連續測溫；在連鑄澆注過程中采用結晶器電磁攪拌，結晶器液面采用全自動液面檢測，連鑄拉速按中間包過熱度自動控制，結晶器及二冷自動配水，結晶器電磁攪拌，末端電磁攪拌，其中：

結晶器電磁攪拌參數為電流400A，頻率3Hz；末端電磁攪拌參數為電流300A，頻率8Hz；

（3）澆注過程中，保護渣每個流每次加入0.6kg，循環時間為6min，確保結晶器內保護渣的渣面保持穩定，保護渣總渣層厚度在4.5cm，維持三層結構，目視渣面不得見紅，每隔18min，進行一次結晶器渣帶清理工作，其中：保護渣總渣的三層結構從上至下為粉渣層、燒結層和液渣層。

在本實施例中，連鑄時一冷及二冷工藝采用弱冷模式，二冷水比水量控制在0.64L/kg。

實施例3

本實施例提供一種免涂裝耐候鋼橋用高強緊固件耐候鋼的連鑄工藝，該連鑄工藝包括以下步驟：

（1）鑄機開始澆注前，將保護渣放入保護渣烘烤爐進行烘烤，烘烤溫度控制在130℃，烘烤時間為30min，確保保護渣干燥與進行預熱，所述結晶器保護渣質量百分比計包括以下組分：SiO₂：30%，CaO：27%，MgO：2.7%，Al₂O₃：11.2%，Fe₂O₃：3%， MnO₂： 1.1%，Na₂O：4%，F^－：4%，C_tot：16.5%，H₂O(105℃)： 0.5%，以上各成分的重量百分之和為100%，R：0.9，其中R是堿度，即CaO/SiO₂的比值；

保護渣的物理指標為：熔點（℃）：1043，粘度（Pa.s/1300℃，poise）：7，粒度（0.15-1mm）：≥90%，容重（g/cm³）：0.6；

（2）連鑄采用全保護澆注，大包至中間包、中間包至結晶器全保護澆注，中間包開澆前灌氬氣，鋼包到中間包采用長水口氬封保護澆注，中間包到結晶器采用整體內裝浸入式水口保護澆注，中間包中鋼水使用覆蓋劑，中間包連續測溫；在連鑄澆注過程中采用結晶器電磁攪拌，結晶器液面采用全自動液面檢測，連鑄拉速按中間包過熱度自動控制，結晶器及二冷自動配水，結晶器電磁攪拌，末端電磁攪拌，其中：

結晶器電磁攪拌參數為電流350A，頻率3Hz；末端電磁攪拌參數為電流280A，頻率7.5Hz；

（3）澆注過程中，保護渣每個流每次加入0.4kg，循環時間為4min，確保結晶器內保護渣的渣面保持穩定，保護渣總渣層厚度在3.5cm，維持三層結構，目視渣面不得見紅，每隔12min，進行一次結晶器渣帶清理工作，其中：保護渣總渣的三層結構從上至下為粉渣層、燒結層和液渣層。

在本實施例中，連鑄時一冷及二冷工藝采用弱冷模式，二冷水比水量控制在0.58L/kg。

除上述實施例外，本發明還可以有其他實施方式。凡采用等同替換或等效變換形成的技術方案，均落在本發明要求的保護范圍。