大跨度橋梁用2 160 MPa 超高強鋼絞線的研制

孟書鋒

（河鋼集團張宣科技公司，河北 張家口 075100）

0 引言

金屬制品公司是張宣科技新建的線材深加工產業基地，公司裝配有世界先進的全封閉環保節能型自動酸洗磷化生產線1 條，國內先進的低松弛預應力鋼絞線的生產線3 條，其中LZ-9/1200 鋼絲直進立式連續拉絲機組6 組，所有卷筒冷卻采用噴淋式循環水冷和獨立風冷，模子盒冷卻采用強力水冷；1×7-Φ17.8 mm低松弛預應力鋼絞線設備捻股機2 套，1×7-Φ21.6 mm低松弛預應力鋼絞線設備捻股機1 套，穩定運行速度110 m/min；同時還建立了國內此行業中首套計算機二級系統，可實現關鍵設備數據實時采集，物料跟蹤及質量追溯、自動生成生產統計報表及能源管理等多項功能，整條產線年產量可達9 萬t，目前公司通過了ISO9001：2008 質量管理體系認證，且是GB/T 5224—2022 新國標的起草單位之一[1-3]。

伴隨著國家建設的提檔晉級，對城市高強度立交橋建設、部分偏遠或地質條件復雜的地區大跨度橋梁的建設均提出了更高強度、更輕量化、更加安全的建筑材料設計和應用需求。針對重點工程項目中更大跨度橋梁所用新材料的需求，金屬制品公司開展了新技術新工藝研究，組織專業力量論證并制定了Φ15.2 mm規格2 160 MPa 超高強度鋼絞線開發方案，且最終由小批量試生產提升至穩定批量供應，大跨度橋梁用2 160 MPa 超高強鋼絞線的成功研制，滿足了重點領域、重點工程對新材料的建設需求，在提高強度、提高使用壽命的同時可減少鋼絞線使用數量，減輕了結構自重，并節約了建設成本[4-5]。

1 原料成分設計及性能控制

高碳鋼線材不僅具有含碳量高和強度高的特點，還具有良好的強韌性以滿足冷拉拔性能的要求。通過前期開展的母材成分控制與鋼絞線綜合性能的技術研究，摸索推算出了C、Cr、V、尺寸等因素對高碳鋼盤條的影響關系，最終專業化制定了超高強鋼絞線用母材的尺寸和成分控制標準[6]。2 160 MPa 級別鋼絞線抗拉強度實際控制需達到2 190 MPa 以上，根據減面比和抗拉強度控制目標，決定將母材尺寸控制為14.0 mm 以及原始抗拉強度≥1 320 MPa。為提高大規格盤條的淬透性，合理添加Mn、V 等合金元素，并通過斯太爾摩冷卻線強制冷卻，使高碳盤條冷卻形成更多索氏體組織。經母材取樣實測，得到原料成分控制如表1 所示。

表1 原料成分

原料實測抗拉強度1 330～1 351 MPa，索氏體占比為88%～90%，面縮率為34%～37%。

2 酸洗工藝控制

為保證拉拔質量，采用標準的酸洗磷化工藝替代機械剝殼工藝進行盤條拉拔前的表面預處理。經酸洗磷化后，盤條表面附著的氧化鐵皮去除干凈且形成一層灰黑色的磷化膜。該膜由一系列不同的晶體組成，在顯微鏡下可以看到在晶體的聯接點上有細小裂縫的多孔結構，這種具有微孔結構的磷化膜富有延展性，在后續拉拔時潤滑劑容易嵌入微孔而被帶入拉絲模中，能達到良好的潤滑效果，在大氣條件下還具有較好的抗腐蝕性，因此控制生成高質量的磷化膜是該工藝的核心目標。酸洗工藝采用常溫五道連洗，具體酸洗工藝如表2 所示。

表2 酸洗工藝

表調工藝中，草酸溶液質量分數為0.03%，表調結束后晾干15 s。磷化工藝中磷化膜面質量隨磷化總酸度的增加而逐漸增大，在總酸度達到90～100 點時，磷化膜面質量達到最大值；同時磷化膜面質量隨磷化液溫度的升高而增大；膜的耐蝕性隨磷化膜面質量的增大和磷化溫度的升高而增強。磷化液溫度在80～85℃時磷化效果較好，低于65 ℃時，磷化膜的耐蝕性很差，膜層薄[7-8]。故磷化液總酸度調整為80 點，游離酸為10 點，酸比為8，將磷化溫度控制在83 ℃，時間調整控制為300 s，實測磷化膜平均重6.8 g/m2。

3 拉拔工藝控制

拉絲是鋼絞線生產的關鍵工序，既要實現科學縮徑，又要保證半成品具有良好的綜合性能，其中總壓縮率和部分壓縮率是關鍵要素。正常情況下，第一道次壓縮率小于平均壓縮率，目的是對原料規圓，消除軋制時產生的不圓度，有利于后邊的拉拔；第二道次采用最大的壓縮率，通過較大的塑性變形，最大限度提高加工硬化。從第三道次開始依次降低壓縮率，為了保證半成品綜合性能，最后一道略低于平均。為保證良好的加工硬化效果，實現超高強的目的，各道次的模具尺寸設定如表3 所示。

表3 拉拔工藝

孔型參數的合理與否不僅直接影響模具的效能，還直接影響拉拔后鋼絲的性能，尤其是模具孔型工作錐角最為重要。鋼絞線拉拔時模具錐角過大，進入到模具的起點就會越靠近定徑帶，使得變形區變小，導致線材變形變快，產生更多的熱量；而模具錐角過小，則會使線材的起點靠近模具入模口，變形區變長，使線材產生更多殘余應力，導致溫度升高及功耗增加，本次2 160 MPa 超高強鋼絞線模具錐角為特設的小錐角，最終實現穩定拉拔，半成品邊絲直徑實際尺寸5.08 mm，拉拔力為44.37～45.63 kN；芯絲直徑實際尺寸5.28 mm，拉拔力為47.32～47.78 kN，性能滿足要求。邊絲、芯絲的過程能力分別如圖1、圖2 所示。

圖1 邊絲過程能力

圖2 芯絲過程能力

4 捻制及穩定化處理

穩定化處理機理研究表明：穩定化處理使軸向拉伸殘余應力降低，微觀結構中形成柯氏氣團，內部大部分位錯被釘扎，可動位錯數量減少，而且張力還促使在高溫狀態下滲碳體的分解，使位錯釘扎更有利，因而提高鋼材的強度和抗松。穩定化處理工藝設計包括加熱溫度和張力兩個關鍵參數。溫度選擇不能過高，過高會造成位錯密度減小，松弛性能變差，甚至不如未經過穩定化處理的鋼絞線；溫度過低則會使位錯的移動、重新組合、原子的躍遷程度減少，松弛性能改善效果不明顯。捻股工藝參數如表4 所示。

表4 捻股工藝表

經捻制及穩定化處理，鋼絞線表面光潔，伸直性良好，超高強鋼絞線性能數據如表5 所示。

表5 超高強鋼絞線性能

5 結論

1）通過開展母材成分控制與鋼絞線綜合性能的技術研究，摸索推算出了C、Cr、V、尺寸等因素對高碳鋼盤條的影響關系，在此基礎上，設計開發了2 160 MPa 超高強鋼絞線所用的Φ14mm 規格87Mn原料；經過酸洗、磷化等表面預處理工藝，原料表面形成致密均勻的磷化膜。

2）在控制總壓縮率85.7%條件下，按照9 道次的拉拔工藝，合理控制各道次尺寸，并制定了專屬的模具工作錐角，實現了高品質的穩定拉拔，且對應加工硬化系數達到1.05。溫度與張力共同作用，強化了穩定處理效果，1 000 h 應力松弛率為1.57%，遠優于企標。若在相同橋梁或斜拉索中使用該高強度鋼絞線，在滿足相同強度的要求下可減少鋼絞線及配套設施使用量，減輕橋梁及斜拉索重量、降低成本。