高強度橋梁纜索用鋼研究現狀和發展趨勢

劉祥 ，孫浩博 ，張俊峰 ，安繪竹 ，徐曦 ，于福海

（1.海洋裝備用金屬材料及其應用國家重點實驗室，遼寧 鞍山 114009；2.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；3.鞍鋼股份有限公司線材廠，遼寧 鞍山 114042）

懸索橋是是現代大跨度橋梁最主要的建設形式，其結構是通過懸掛與塔橋和兩端的纜索和吊索拉起橋面，具有節省材料，自重輕等優勢。主纜是懸索橋的主要承重構件，主要承受拉力，其強度與性能是建設懸索橋的重要工程因素，因此高強度橋梁纜索用鋼的開發一直受到世界各國的重視。

1 國內外高強度橋梁纜索用鋼的發展

1.1 國外高強度橋梁纜索用鋼的發展

世界上第一座現代化懸索橋是建于19世紀末的布魯克林大橋，其跨度僅500 m，主纜鋼絲采用熱鍍鋅鋼絲，強度約為1 200 MPa。20世紀后半葉，隨著世界經濟復蘇，懸索橋纜索制造技術得到迅速發展，20世紀80年代各國橋梁纜索用鋼絲的強度基本達到了1 570 MPa；到20世紀末主要發達國家生產的橋梁纜索用鋼絲強度已達到1 670 MPa；而建成于1998年的明石海峽大橋，采用新日鐵公司專門為其開發的SWRS82B作為主纜鋼絲材料，其強度達到1 770 MPa。進入21世紀，我國與韓國在高強度橋梁纜索的研發與應用處于領先地位，韓國2014年建成的李舜臣大橋和蔚山大橋首次應用了強度為1 860 MPa和1 960 MPa級別的主纜鋼絲［1-2］。

1.2 國內高強度橋梁纜索用鋼的發展

我國現代懸索橋建設雖起步較晚，但起點較高，且發展迅速。1995年我國建成了第一座現代化懸索橋——廣州灣汕頭海灣大橋，其主纜索強度約為1 570 MPa；2005年通車的江蘇潤揚大橋，其主纜強度超過1 670 MPa；2008年建成的西堠門大橋，主纜強度為 1 770 MPa，達到國際先進水平［3］。近年來，國內橋梁纜索用鋼產業取得長足發展，具備了研發先進高強度橋梁纜索用鋼的能力，如興澄特鋼、青島特鋼、寶武集團等成功開發了1 960 MPa和2 000 MPa級別的高強度橋索鋼絲，并先后應用于2019年的楊泗港江大橋、廣東虎門二橋和2020年的滬通長江大橋；正在建設的伶仃洋大橋已采用強度2 060 MPa級別橋索鋼絲作為主纜，并已進入主纜施工階段；計劃中的常泰大橋設計使用強度2 100 MPa以上的橋索鋼絲，興澄特鋼、青島特鋼、寶武集團均已開展了相關研究［4-8］。

2 高強度橋梁纜索用鋼絲的服役特點、要求及現狀

隨著社會需求的增長，對大跨度現代懸索橋梁的使用性能和安全性的要求不斷提高。高強度橋梁纜索用鋼絲是現代大跨度懸索橋建設的基礎，因此研制更高性能、更具可靠性的橋梁纜索用鋼絲成為國內外橋梁建設的重要研發課題。

2.1 鋼絲強度

橋索鋼絲強度是懸索橋設計中的重要參數，主要包括抗拉強度Rm和塑性延伸強度Rp0.2，國內外相關標準通常以抗拉強度評價鋼絲強度級別［9］。高強度鋼絲不僅能提高主纜的承載能力，為更大跨度的橋梁建設提供條件，也能夠節省纜索用量，節約成本。據統計，主纜熱鍍鋅鋼絲強度每提高100 MPa，可使主纜用料減少10%。

橋索鋼絲的強度主要由盤條初始強度、拉拔和熱鍍過程強度和韌性變化決定。由于生產盤條直徑一般小于14.0 mm，冷拔成鋼絲的總壓縮率低于70%，冷拔過程產生冷作硬化效應不明顯。因此，通過優化產品成分設計和配置合理的熱處理工藝提高盤條初始強度與抗熱鍍軟化能力成為高強度橋索鋼開發的主要研究方向［10］。

2.2 扭轉性能

扭轉性能是鋼絲在單向扭轉時的塑性變形能力，早期多數國家并不將其作為考核指標，僅日本對橋梁纜索用鋼的扭轉性能有嚴格標準。隨著大量跨江、海懸索橋梁的建設，大風、車輛震動等都會使橋索承受一定的扭轉載荷，因此扭轉性能逐漸成為評判橋梁纜索鋼絲安全性的重要標準，我國相關標準也對不同級別鋼絲的抗扭轉能力做出了要求。

扭轉性能受復雜因素影響，早年研究表明：珠光體層片間距、組織均勻程度扭轉性能影響顯著，層片間距小，晶界數量多，扭轉性能更好；熱鍍鋅過程中，鋼絲中滲碳體片層受熱球化形成滲碳體顆粒，對位錯產生釘扎作用，造成內部缺陷，影響扭轉性能。通過優化化學成分、添加合金元素，可有效改善鋼絲組織，提高鋼絲的熱穩定性。采用合適的熱鍍鋅工藝，也能夠減輕滲碳體球化對鋼絲性能的影響［11］。

近年來，研究鋼絲微觀組織、織構與扭轉性能關系的研究報道逐漸增多。趙敏等通過實驗發現，鋼絲的{110}織構強度對扭轉性能存在顯著影響，鋼絲扭轉性能隨{110}織構強度增大而降低；東南大學蔣建清團隊對鋼絲拉拔過程中珠光體組織、織構取向變化、組織層狀撕裂機理、扭轉斷口形貌分析等方面進行研究，力求探索出通過改善微觀組織來提高鋼絲強度、扭轉性能的有效方法［12-18］。

2.3 抗腐蝕性能

橋梁纜索長期與潮濕空氣環境接觸，在污染地區易受酸雨侵蝕，為保證橋梁的安全性，橋梁纜索鋼絲要具備良好的抗腐蝕性。熱鍍鋅法具有操作簡便、可靠耐用、成本低廉等優點，廣泛應用于鋼絲、板件耐腐蝕處理。Zn鍍層與大氣接觸，其表面會迅速氧化，形成的致密的保護膜，屏蔽外界環境對被鍍零件的直接侵蝕；而Zn的電極電位較Fe低，一旦發生電化學腐蝕，可作為陽極先于被鍍零件損耗，兼具陰極保護法的效果。熱鍍過程中，鋅液與基件表面Fe相互擴散形成合金層，使鍍層與基體結合更加牢固。

但Zn鍍層存在腐蝕產物疏松、高溫易腐蝕等缺陷，且Zn-Fe合金層塑性較差，在長期應力作用下易產生裂紋，影響纜索使用壽命。為進一步提升鍍層的綜合性能，70年代后Zn-Al合金鍍層得到了開發和廣泛應用。Al具備與Zn類似的耐腐蝕特性，且與Fe具有更好的親合力，能夠形成韌性更好的Fe-Al合金層，減少硬脆的Fe-Zn合金層生成。比利時研發的Galfan（Zn-5%Al-Re）鍍層在國內應用最廣，虎門二橋、滬通大橋等主纜鋼絲上都有應用。目前對Zn-Al-Mg三元合金鍍層的研究與開發已成為國內外鋼材表面防腐研究的熱點，Mg能夠優化合金層，使其更薄更致密，同時其腐蝕產物可以降低溶解氧的擴散速度，減緩鍍層的電化學腐蝕。日新制鋼早在1988年就研制出了Zn-Al-Mg系合金鍍層，隨后新日鐵、塔塔鋼鐵、蒂森克虜伯等公司也先后開發出不同種類的Zn-Al-Mg鍍層，其抗腐蝕能力為Zn-Al鍍層的5～8倍。2019年初，寶鋼集團開發出適用于橋梁纜索用鋼絲的Zn-Al-Mg鍍層，并具備工業化生產能力［19-20］。

3 高強度橋梁纜索鋼絲用鋼成分設計特點

成分設計是提高盤條強度、改善盤條性能的重要方法。日本對高強度橋梁纜索用鋼的研究起步最早，20世紀末，新日鐵開發了SWRS82B鋼，化學成分見表1。國內外后續高強橋索鋼的開發主要是以此為基礎，通過優化成分設計和添加強化合金達到更高性能［5］。

表1 SWRS82B鋼化學成分（質量分數）Table 1 Chemical Compositions in Steel SWRS82B（Mass Fraction） %

3.1 C元素

C是決定鋼鐵材料強度的重要元素。隨著C含量增加，組織中會形成更多滲碳體，使索氏體片層間距減小，材料抗拉強度、硬度不斷提高，塑性不斷降低。超高強橋索鋼材料C含量通常大于0.82%，屬過共析鋼，隨著含C量增大，材料軋制過程中更易在晶界間產生網狀碳化物，影響盤條性能。因此，橋索鋼材料的C含量一般控制在1.0%以內。

3.2 Si元素

Si是鋼鐵材料常用強化元素，Si在鋼中與C形成化合物，以固溶形式溶于鐵素體和奧氏體中，加大Si含量可以降低珠光體中C元素的偏聚，對材料的抗拉強度有顯著的強化作用。高含量Si可以抑制滲碳體受熱分解球化，提高鋼絲抗回火軟化能力，降低熱鍍鋅造成的鋼絲軟化現象。同時高含量的Si也能提高材料的屈服強度和屈服比，使材料彈性極限升高。但是，Si含量增加會降低材料的塑性和韌性。因此，橋索鋼材料的Si含量一般控制在 0.3%～1.5%［21］。

3.3 Mn元素

Mn元素可以提高鋼鐵材料強度，也常用作煉鋼脫氧劑和脫硫劑。Mn可固溶于鐵素體和滲碳體中，其溶于滲碳體的濃度高于鐵素體，滲碳體中的Mn可阻礙其球化，提高材料的熱穩定性，減少鍍鋅過程中的強度損失。Mn還具有降低臨界冷卻速度的作用，可以顯著提高淬透性。由于Mn在冶煉過程中易產生偏析，因此Mn含量一般控制在1.0%以內。

3.4 Cr元素

Cr是常用的強化合金元素，可固溶于滲碳體，也能置換鋼中Fe原子生成（Fe，Cr）3C合金滲碳體，產生析出強化效應，顯著提高材料的抗拉強度。同時，Cr也可減緩滲碳體球化的過程，抑制熱鍍鋅過程中強度的降低，但過量的Cr會造成鋼絲在扭轉過程中出現分層斷裂。因此，Cr含量一般不高于0.5%。

3.5 V元素

V是盤條生產中常用的強化合金元素，但在橋梁纜索用鋼領域使用較少，含V橋索鋼大多處于開發階段。V在鋼中主要以VC、VN、V（C，N）化合物形式存在，含V化合物在加熱和軋制前期溶解于奧氏體中，抑制奧氏體晶粒長大；在線材軋制控冷階段，V化合物在相變過程中析出，起析出強化作用，顯著提高材料的抗拉強度和屈服強度。在過共析鋼中，VC化合物的生成能夠降低周圍組織C濃度，抑制先共析滲碳體生成，同時VC顆粒的析出可以阻礙連續網狀碳化物的產生。V含量過高，碳化物析出過量會嚴重影響材料的塑性，因此V 元素用量一般在 0.06%以下［22-23］。

4 橋梁纜索用鋼盤條熱處理工藝發展現狀

橋梁纜索用鋼是高碳合金鋼，其組織為索氏體化率極高的珠光體結構。因此，橋梁纜索用鋼的生產需要合理的控軋控冷和熱處理工藝來保證產品的性能。斯太摩爾工藝（DP）是國內外線材產線普遍采用的控軋控冷方法，其采用風機風冷降溫，通過改變輥道速度、風速、入口風量來控制線材的相變過程。但由于風冷冷卻能力不穩定，同時存在搭接點與非搭接點冷卻不均勻等問題，經常導致線材不同部位出現明顯的差異。因此，高強度橋梁纜索用鋼盤條通常需要再次鉛浴冷卻、鹽浴冷卻、水浴冷卻等工藝提高組織性能。

4.1 鉛浴冷卻（LP）

鉛浴冷卻工藝最早由英國發明，至今仍廣泛用于鋼絲、鋼繩的生產。其工藝過程是將重新奧氏體化的盤條，浸入熔融態的鉛液中，利用450～550℃的鉛液進行等溫淬火，完成組織相變。由于鉛液溫度與索氏體轉變溫度相近，盤條經鉛浴冷卻可以得到索氏體化率高于95%的組織，具有良好的力學性能。但鉛液本身具有毒性和易揮發性，使用中會對環境和操作人員的健康造成嚴重危害。而且，鉛浴冷卻工藝屬于離線熱處理，需要將盤條再次加熱，還存在操作復雜易掛鉛等問題，導致生產成本較高。因此，國家已出臺政策停止新建并逐步淘汰鉛浴爐，同時鼓勵更節能環保的替代工藝的開發［24］。

4.2 鹽浴冷卻（DLP/QWTP）

鹽浴冷卻工藝目前是替代鉛浴的主流熱處理工藝，其采用熔融硝酸鹽（KNO3、NaNO3）代替鉛液，實現對盤條的恒溫冷卻。根據劉澄等［25］的研究，盤條經過鹽浴冷卻組織索氏體化率可達到95%，產品性能達到了鉛浴水平。與鉛液相比，鹽對環境的危害更小、更易控制，且鹽具有優秀的水溶性，可避免出現“掛鉛”問題。

1985年日本新日鐵公司建成了DLP（Direct In-line Patenting）在線鹽浴工藝生產線，如圖1所示，DLP工藝核心冷卻設備有冷卻槽和恒溫槽兩個鹽浴裝置，冷卻槽用于控制盤條冷卻速度，使盤條在合適的溫度下進入恒溫槽完成索氏體轉變。DLP工藝無需將盤條重新奧氏體化，大大降低了生產成本，目前僅新日鐵掌握相關技術［26］。國內企業青島特鋼也研發了離線鹽浴QWTP技術來替代鉛浴，QWTP（Qingdao Wire Toughness Patenting）技術工藝流程與鉛浴類似，需要將盤條重新加熱，但在冷卻溫度控制方面更加優越。青鋼已采用此工藝實現1 960～2 000 MPa級別高強度橋梁纜索鋼絲的生產，其產品已經成功應用于虎門二橋、滬通大橋的建設［26-27］。

圖1 DLP工藝流程圖Fig.1 Process Flow Chart for DLP

4.3 水浴冷卻（EDC/XDWP）

水浴冷卻工藝很早就應用于線材和鋼絲的生產中，其原理是將線材浸入沸水中，利用水汽化吸熱來吸收線材表面的熱量，EDC（Easy Drawing Conveyer）工藝流程如圖2所示。

圖2 EDC工藝流程圖Fig.2 Process Flow Chart for EDC

水浴冷卻使用水作為冷卻介質，在冷卻過程中只產生無害的水蒸氣，不僅降低成本也符合綠色環保的工藝發展方向。但是，水浴冷卻工藝無法實現等溫淬火，也難以在冷卻過程中控制溫度，因此，相變過程不穩定，組織索氏體化率≥90%。鉛浴、鹽浴、水浴冷卻組織如圖3所示。

圖3 不同冷卻方式盤條金相組織Fig.3 Metallographic Structures in Wire Rods with Different Cooling Methods

因此，水浴冷卻工藝并沒有在高速線材產線中得到廣泛應用。目前，國內外研究主要集中在向水中加入有機溶劑，增加水的黏度，使線材表面在冷卻過程中形成一層穩固的薄膜，延長膜態冷卻的過程，實現類似等溫淬火的穩定冷卻條件。興澄特鋼自主研發的XDWP（Xingcheng Direct Water Patenting）水浴冷卻技術，以水和RX添加劑作為冷卻介質，已成功生產出1 960 MPa、2 000 MPa級別高強度橋梁纜索鋼絲，并對虎門二橋和滬通大橋的建設提供了小批量產品。水浴冷卻工藝在高強度橋梁纜索用鋼生產領域具有巨大潛力和潛在的經濟效益，但目前工藝尚不成熟，其在高速線材產業的工業化生產還需要進一步探索［28-29］。

5 結論與展望

（1）Zn-Al-Mg合金鍍層是目前性能最佳的耐腐蝕鍍層，日本、美國、德國等已開始工業化生產，國內Zn-Al-Mg合金鍍層起步較晚，近年來已得到初步應用，并正在推進工業化。

（2）成分設計是提高橋梁纜索鋼絲強度、減輕鋼絲熱鍍軟化的重要方法。目前，國內外高強度橋梁纜索用鋼成分主要以SWRS82B為基礎優化設計而來。隨著橋梁纜索用熱鍍鋼絲強度需求的進一步提高，現有成分體系已愈發難以滿足要求，因此，更高強度橋梁纜索用熱鍍鋼絲成分體系成為亟需研發的課題。

（3）盤條熱處理工藝方面，在國家環保政策推動下，鹽浴冷卻工藝取代鉛浴成為生產高強度橋梁纜索用鋼的主流熱處理工藝。新日鐵開發的在線鹽浴（DLP）工藝生產效率較高；國內青島特鋼開發的離線鹽浴（QWTP）工藝強溫度控制能力更強，但生產效率較低，成本較高。水浴冷卻（EDC）工藝使用水與有機溶劑混合液體作為冷卻介質，符合綠色環保的工藝發展方向，具有良好的發展前景。但工藝尚不成熟，未成功進行大規模工業化生產。

（4）隨著國內鋼鐵企業冶金技術和線材產品制造技術的提高以及新設備、新產線的建立，我國不僅實現了橋梁纜索用鋼的國產化，還在高強度橋梁纜索鋼絲的研發與應用上處于世界領先地位。近年來，在國家的推動下，主纜設計強度在2 000 MPa以上的伶仃洋大橋、燕磯長江大橋等更大跨度的懸索橋已陸續開始建設，對橋梁纜索用鋼的性能提出了更高的要求，也為國內橋梁纜索用鋼絲產業的發展提供了新的機遇。