2 160 MPa級橋梁纜索用線材的研發*

馬海寬，焦 悅，李培力，隋 健，寇永樂，任明杰

(1.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032；2.金屬擠壓與鍛壓國家重點實驗室，陜西 西安 710032)

0 引言

隨著科技的快速發展，冶金技術日新月異，鋼鐵材料發生了極大的變化，世界范圍內橋梁纜索用線材的生產技術突飛猛進，特別是線材索氏體化處理技術使得線材的強度和韌性得到了大幅提升，獲得了良好的綜合機械性能[1]。同時，高碳鋼冶煉技術不斷改進，線材的后加工技術發展愈加成熟和完善，使得鋼絲承重能力越來越強，保證了以纜索為承重主體的懸索橋和斜拉橋的安全。21世紀初期，世界范圍內建設的大跨度懸索橋主纜采用的熱鍍鋅鋼絲的抗拉強度基本不低于1 670 MPa，部分技術強國建設的大型橋梁甚至開始采用1 770 MPa級熱鍍鋅鋼絲作為橋梁纜索的主纜。我國也大范圍采用1 770 MPa級熱鍍鋅鋼絲作為主纜索股，典型業績有武漢鸚鵡州長江大橋、馬鞍山公路長江大橋、舟山西堠門橋梁等。2018年，湖北武漢市的楊泗港大橋采用Φ6.2 mm、1 960 MPa級的熱鍍鋅鋁鋼絲作為主纜索股[2]；廣東省的虎門二橋(公路懸索橋)的主纜索股采用Φ5.0 mm、1 960 MPa級的熱鍍鋅鋁鋼絲。當前，我國對2 000 MPa級橋梁纜索用鋼絲進行了科技攻關，并取得了科技突破，如2020年7月1日通車的滬蘇通大橋采用了我國自主研發的Φ7.0 mm、2 000 MPa級的熱鍍鋅鋼絲作為斜拉索[3]，同時, 正在建設的深中通道伶仃洋大橋將會使用2 060 MPa級的熱鍍鋅鋼絲作為主纜。

1 技術難點

為了滿足更大跨度、更輕量化的橋梁設計要求，研究開發2 160 MPa級橋梁纜索用線材已成為鋼鐵生產企業面臨的新挑戰。超高強度橋梁纜索用線材的核心技術難點是：

(1) 線材冷態拉伸變形量有限。 成品鋼絲直徑通常在5 mm～7 mm范圍內，現有成熟的線材生產技術及裝備，若使高碳熱軋線材具有良好拉拔性能，其直徑一般不超過14 mm，由于線材的冷拉拔總壓縮率一般情況下不會超過85%，通過增大冷拉拔形變量來提高強度的方式難以實現。因此，提高線材的自身強度成為獲得高強度鋼絲的唯一途徑，其方式主要有以下3 種：①適當提高線材的碳含量，減少冶金制造難度，提高鋼絲的起始強度；②添加合金元素，主要包括硅、鉻、釩等；③對線材進行熱處理，使線材的組織更加均勻，提升線材的索氏體化率。

(2) 在線材具備高強度的同時其還應具有良好的扭轉性能[4]。

2 研發方向

如前所述，為了制取2 160 MPa級橋梁纜索用線材，需在以下方面進行深入研究：

(1) 適量提高碳含量，提高線材的自身強度。

(2) 提高硅質量分數，既能提高原始線材的強度，還可以避免鋼絲在進行熱鍍鋅鋁工藝時強度的降低。

(3) 嚴格控制線材中的鉻含量，使其質量分數不超過0.30%，目的是保證熱鍍鋅鋁后鋼絲的扭轉性能。鉻能夠起到細化層片提高線材強度的作用，但過量的鉻會提高鋼絲組織的熱穩定性，導致其扭轉性能差[5]。

(4) 對線材進行合適的熱處理，提高其強度和韌性。

3 研發過程

結合多年的前期研究，中國重型機械研究院股份公司團隊在SWRS82B線材成分的基礎上，對其主要成分進行優化設計，得到SWRS92Si線材，其主要成分如表1所示。

表1 SWRS92Si線材的主要化學成分(質量分數) %

SWRS92Si相比其他常用線材，C、Si的質量分數得到了提高，鉻質量分數控制在0.30%以下，其強度和扭轉性能得到提高，但還是難以滿足2 160 MPa級橋梁纜索用線材的要求。因此，需要對線材進行熱處理，進而進一步提高其強度和韌性。傳統生產工藝是對吐絲機生產的熱軋線材進行風冷冷卻，在冷卻過程中不但要控制線材內部產生共析滲碳體，還要杜絕馬氏體組織的產生。但由于風冷自身的特性，難以保證做到均勻、可控，線材在進入珠光體相變區域內后無法做到恒溫，導致得到的珠光體組織層片厚度不均勻，尺寸較為粗大，珠光體層片較寬，且寬度分布不均勻[6]，SWRS92Si線材風冷的組織形貌如圖1所示，其強度最高約為1 280 MPa，制取的鋼鐵難以達到2 160 MPa級，因此，采用常規成熟的風冷技術行不通。

圖1 SWRS92Si線材風冷的組織形貌

線材鉛浴冷卻工藝是：首先將線材加熱奧氏體化，然后將奧氏體化的線材快速放到450 ℃～550 ℃的鉛液中冷卻處理，由于鉛的自身特性，線材會迅速冷卻到550 ℃以下，并在熔融狀態的鉛液中發生相變，最終獲得索氏體組織[7]。經過試驗發現，由于冷卻介質鉛液的溫度和索氏體相變轉換溫度基本一致，線材的冷卻效果較好，SWRS92Si線材鉛浴熱處理后的組織形貌如圖2所示，其珠光體團尺寸明顯減小，且珠光體層片顯著細化，線材索氏體化率可大于95%，強度也可提高到1 400 MPa。但是，由于實際生產過程中鉛液有毒對人體有害，還特別容易揮發，嚴重影響工人的健康；且廢鉛液對環境污染嚴重，不能在實際生產中被廣泛應用[8]。

圖2 SWRS92Si線材鉛浴熱處理后的組織形貌

因此，對SWRS92Si線材采用鹽浴熱處理工藝進行強度和韌性提升。經過試驗，SWRS92Si線材通過鹽浴熱處理后珠光體團尺寸較小，SWRS92Si線材鹽浴熱處理后的組織形貌如圖3所示，珠光體層片更加細化，片層更加均勻，索氏體化率可達95%～98%以上；線材強度可達1 500 MPa以上，性能波動小，跟鉛浴基本一致；在生產過程中熔鹽介質穩定安全，節能綠色環保，可廣泛應用于實際生產中。

圖3 SWRS92Si線材鹽浴熱處理后的組織形貌

將鹽浴熱處理后的SWRS92Si線材進行拉絲和熱鍍鋅，其強度進一步提升，經過測試，鋼絲的抗拉強度普遍在2 168 MPa以上，平均斷后伸長率為5.4%，扭轉圈數在14～28之間，滿足2 160 MPa級橋梁纜索用鍍鋅鋼絲的要求。

4 核心裝備研發

中國重型機械研究院股份公司針對國內外線材熱處理裝備的技術現狀，結合自身在高端裝備領域的優勢，近年來集中科研力量對線材鹽浴裝備進行了深入研究，憑借多年熱處理裝備的技術和經驗的積累，提出了線材在線鹽浴熱處理裝備與工藝技術方案，其充分利用線材自身熱量，將軋制的線材直接進行鹽浴熱處理，熱處理完成后可直接進行包裝，省去了線材二次加熱再索氏體化的弊端。該裝備具有生產效率高、自動化程度高、節能減排、綠色環保等特點。我公司研發生產的超高強度橋梁用線材SWRS92Si如圖4所示。

圖4 超高強度橋梁用線材SWRS92Si實物

5 結語

隨著跨海工程、跨江工程的深入推進，超大跨度、輕量化的橋梁成為未來發展方向,這也對橋梁纜索用鋼絲的性能提出了更高的要求。未來橋梁纜索用超高強度鋼絲的發展必將朝著超高強度、窄的強度波動范圍以及高的扭轉性能、抗疲勞性能、耐腐蝕性能、抗氫致延遲斷裂性能、抗層狀撕裂性能發展。

中國重型機械研究院股份公司研發團隊在SWRS82B線材的基礎上，研發出了SWRS92Si線材，經過鹽浴熱處理后其強度超過1 500 MPa，再經過拉絲和熱鍍鋅，鋼絲抗拉強度達到了2 168 MPa及以上，整體性能優于現有線材，該方案和技術可大力推廣到實際進行廣泛應用，對提升我國現有線材的整體制造水平具有重大意義。