橋梁纜索用無(wú)粘結(jié)鍍鋅預(yù)應(yīng)力鋼絞線的研制生產(chǎn)

橋梁纜索用無(wú)粘結(jié)鍍鋅預(yù)應(yīng)力鋼絞線的研制生產(chǎn)

王雅志
（天津冶金鋼線鋼纜集團(tuán)有限公司，天津300400）

為滿(mǎn)足鞍座式斜拉索的特殊要求，研制生產(chǎn)了Φ15.20 mm系列1 860 MPa橋梁纜索用無(wú)粘結(jié)熱鍍鋅鋼絞線。通過(guò)采用原料微合金化和鍍鋅、穩(wěn)定化處理特殊過(guò)程控制等綜合優(yōu)化技術(shù)方案，使該類(lèi)產(chǎn)品具備較高的強(qiáng)度、韌性和抗彎曲疲勞性能。

斜拉索；熱鍍鋅；鋼絞線；鞍座系統(tǒng)；彎曲疲勞

1 引言

橋梁是公路建設(shè)重要組成部分，隨著我國(guó)公路建設(shè)事業(yè)快速發(fā)展，跨越江河、海峽的超大橋梁建設(shè)進(jìn)入了一個(gè)輝煌的時(shí)期，斜拉橋、懸索橋不斷涌現(xiàn)。隨著對(duì)橋梁使用壽命的要求的不斷提高，橋梁纜索如何適應(yīng)其要求，成為鋼材生產(chǎn)企業(yè)關(guān)注的問(wèn)題。

2013年，中國(guó)境內(nèi)設(shè)計(jì)的第一座符合當(dāng)今世界最新設(shè)計(jì)理念的鞍座特大公路橋梁——五河淮河特大橋開(kāi)始招標(biāo)。該橋建在安徽省境內(nèi)淮河上游，全長(zhǎng)1 031.3 m，其主橋?yàn)椋?46+125）m，由主橋、南、北引橋三部分組成，系柱式獨(dú)塔空間雙索面混合梁斜拉橋。根據(jù)橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用要求，該橋梁所使用的斜拉索材料必須具有較高的抗彎曲疲勞性能，需要滿(mǎn)足鞍座系統(tǒng)抗彎曲疲勞試驗(yàn)的相關(guān)要求。

國(guó)際上在橋梁設(shè)計(jì)和制造領(lǐng)域?qū)π崩鞯男阅芤笥?大主流派別，歐美國(guó)家設(shè)計(jì)時(shí)注重于“高強(qiáng)度、低松弛”，日本業(yè)界在設(shè)計(jì)時(shí)則更加關(guān)注于“高強(qiáng)度、高韌性”。五河淮河大橋在設(shè)計(jì)時(shí)，將上述兩大主流派別的關(guān)注重點(diǎn)合二而一，采用以“高強(qiáng)度、低松弛、高韌性”為核心的技術(shù)要求，大大提高了鋼材生產(chǎn)的難度。

2 研制路線

2.1 制定研制目標(biāo)（根據(jù)客戶(hù)協(xié)議）

根據(jù)客戶(hù)對(duì)于產(chǎn)品各項(xiàng)性能指標(biāo)的要求，我們制定了產(chǎn)品研制的目標(biāo)指標(biāo)，如表1所示。

2.2 設(shè)計(jì)工藝流程

根據(jù)上述研制目標(biāo)，我們對(duì)該產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝流程進(jìn)行了優(yōu)化，其主要生產(chǎn)流程見(jiàn)圖1。

3 需要解決的技術(shù)問(wèn)題

在產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中，經(jīng)過(guò)反復(fù)研究，確定本項(xiàng)目的關(guān)鍵在于如何滿(mǎn)足鞍座系統(tǒng)抗疲勞試驗(yàn)指標(biāo)即在537～837 MPa載荷下，200萬(wàn)次不斷裂,剩余強(qiáng)度為不小于0.95倍標(biāo)準(zhǔn)公稱(chēng)強(qiáng)度和0.92倍平均極限強(qiáng)度。要想實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，必須解決以下問(wèn)題：

與原料廠家合作，研究該產(chǎn)品專(zhuān)用盤(pán)條的技術(shù)條件，為成品在高強(qiáng)度下保持高韌性奠定基礎(chǔ)。

表1 研制目標(biāo)指標(biāo)

圖1 產(chǎn)品生產(chǎn)流程見(jiàn)圖

研究工藝流程，拉拔工藝參數(shù)及模具尺寸，合理分配半成品壓縮率，確保強(qiáng)度最高，韌性損失最小。

研究熱鍍鋅工藝，解決浸鋅時(shí)間影響鋅層厚度和鋼絲扭轉(zhuǎn)制的問(wèn)題。

研究穩(wěn)定化處理工藝，解決回火溫度與張力匹配，產(chǎn)品伸長(zhǎng)率與松弛率的矛盾問(wèn)題，保證產(chǎn)品符合要求。

4 原料及工藝參數(shù)研究

產(chǎn)品的性能指標(biāo)是由原料盤(pán)條質(zhì)量水平、半成品鋼絲鍍鋅工藝和后續(xù)鍍鋅鋼絞線生產(chǎn)工藝共同影響所決定的。確定原料適用要求是能否實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目目標(biāo)的重要因素之一。

4.1 原料選擇

為了適應(yīng)產(chǎn)品的技術(shù)要求，我們與原料生產(chǎn)廠合作研究了該產(chǎn)品專(zhuān)用盤(pán)條，嚴(yán)格控制盤(pán)條化學(xué)成分中的C含量，并添加Cr、V元素，降低P、S等有害元素的含量。Cr可增加鋼的淬透性，使索氏體比率提高，改善拉拔性能，還可提高鋼材的抗氧化性和耐腐蝕性，但Cr易偏析，不宜加入過(guò)多，否則會(huì)造成馬氏體增多；適當(dāng)添加V可細(xì)化晶粒、提高鋼材強(qiáng)度和韌性的作用。C的含量應(yīng)適宜，過(guò)低會(huì)造成強(qiáng)度不足，過(guò)高易形成網(wǎng)狀滲碳體，使拉拔性能變壞。控制N、O含量，降低鋼材脆性，考慮以上因素，最終確定了成分含量。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，選擇采用盤(pán)條的尺寸為Φ13.0 mm，要求具有最適合拉拔的索氏體化組織含量≥85%。

4.2 拉拔

（1）拉絲工藝采用攪拌潤(rùn)滑和旋轉(zhuǎn)冷卻模具組合技術(shù)，提高拉拔后鋼絲表面質(zhì)量，減少拉拔應(yīng)力優(yōu)化塑性和扭轉(zhuǎn)性能。

（2）模具采用“小角度+長(zhǎng)模芯”；

（3）配模工藝路線：

經(jīng)過(guò)大量樣品分析，光面鋼絲抗拉強(qiáng)度及扭轉(zhuǎn)性能合格率100%，平均抗拉強(qiáng)度1 920 MPa，平均扭轉(zhuǎn)次數(shù)25次，且斷口平齊，符合要求。

4.3 熱鍍鋅

眾所周知，熱鍍鋅工藝對(duì)鋼材強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)值影響很大，溫度高會(huì)降低強(qiáng)度，影響鍍層質(zhì)量，溫度低會(huì)降低扭轉(zhuǎn)值；同一溫度下，浸鋅時(shí)間長(zhǎng)，強(qiáng)度降低，浸鋅時(shí)間短，影響鋅層厚度及扭轉(zhuǎn)。經(jīng)過(guò)反復(fù)模擬試驗(yàn)、驗(yàn)證，終于找到了既能確保鋅層質(zhì)量，又能保證高強(qiáng)度、高扭轉(zhuǎn)的最佳工藝。

鍍鋅工藝在采用多組電解堿洗+電解酸洗+更新的EMW電磁感應(yīng)抹拭組合技術(shù)的同時(shí)，采用新的熱鍍鋅生產(chǎn)工藝：

（1）鋅溫：460～465℃；

（2）浸鋅時(shí)間為50 s。

圍繞確保鍍鋅鋼絲的產(chǎn)品質(zhì)量，在熱鍍鋅工序加大鍍鋅鋼絲表面抽樣檢查和巡回檢查力度，強(qiáng)化崗位責(zé)任制，對(duì)于檢查發(fā)現(xiàn)的漏鍍、鋅瘤等問(wèn)題及時(shí)做出標(biāo)識(shí)、記錄，區(qū)別存放，堅(jiān)決杜絕有問(wèn)題的半成品流入下工序現(xiàn)象的發(fā)生。

采取上述措施后，對(duì)鍍鋅鋼絲的性能和質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果表明，鍍鋅鋼絲的扭轉(zhuǎn)性能明顯改善，扭轉(zhuǎn)合格率達(dá)到95%以上。

圖2為扭轉(zhuǎn)后鋼絲斷口。

圖2 扭轉(zhuǎn)后鋼絲斷口

4.4 精整

為防止絞線工序積鋅斷線，必須保證鍍鋅絲表面光滑，同時(shí)鋅層致密度高，也能提高防腐性能，因此對(duì)外層絲進(jìn)行精整：標(biāo)注實(shí)際長(zhǎng)度。

4.5 捻制及穩(wěn)定化處理

穩(wěn)定化處理工藝既要保證張力下位錯(cuò)釘扎，消除部分殘余應(yīng)力，又要保證鋅層表面質(zhì)量。穩(wěn)定化處理工藝的關(guān)鍵參數(shù)是處理溫度和張力。鍍鋅鋼絞線抗拉強(qiáng)度、松弛性能、延伸性和伸直性的性能指標(biāo)是否符合國(guó)標(biāo)和用戶(hù)的要求，其關(guān)鍵在于對(duì)穩(wěn)定化處理的溫度和所施加的張力的控制。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，我們采用感應(yīng)加熱的同時(shí)施加一定的張力，以確保穩(wěn)定化處理過(guò)程能夠快速進(jìn)行。對(duì)穩(wěn)定化處理過(guò)程中的線速度、張力和溫度3個(gè)主要控制參數(shù)，經(jīng)過(guò)多次反復(fù)試驗(yàn)和篩選，最終確立了如下的穩(wěn)定化生產(chǎn)工藝：

（1）加熱溫度:390～395℃；

（2）張力:100～103 kN；

（3）捻距：220 mm。

在確定的回火溫度下，對(duì)鋼絞線施加軸向張拉力，鋼絞線產(chǎn)生1.5%～2.0%的軸向拉伸塑性變形從而可以保證鋼絞線獲得低松弛、高伸長(zhǎng)等優(yōu)良綜合力學(xué)性能。

4.6 無(wú)粘結(jié)生產(chǎn)工序

（1）該工序原理是將單根鋼絞線通過(guò)專(zhuān)用設(shè)備涂防腐潤(rùn)滑脂和防腐塑料護(hù)套。調(diào)整牽引速度，擠塑機(jī)轉(zhuǎn)速，保證表面質(zhì)量及護(hù)套厚度。

（2）必須保證油脂含量30 g/m以下，塑料覆層1.5～2.0 mm，才能達(dá)到截面形狀六邊形的目的。

5 研制生產(chǎn)結(jié)果

研制生產(chǎn)的產(chǎn)品的力學(xué)性能見(jiàn)表2，無(wú)粘結(jié)工序護(hù)套指標(biāo)結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 成品力學(xué)性能（100卷成品統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)）

表3 無(wú)粘結(jié)工序護(hù)套指標(biāo)

在本產(chǎn)品的研制生產(chǎn)過(guò)程中，采用了意大利引進(jìn)的穩(wěn)定化生產(chǎn)線生產(chǎn)，具備批量生產(chǎn)的能力。所研制的產(chǎn)品經(jīng)國(guó)家建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心檢測(cè)，各項(xiàng)性能指標(biāo)均超過(guò)研制目標(biāo)，鞍座系統(tǒng)抗彎曲疲勞試驗(yàn)經(jīng)權(quán)威部門(mén)“中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七0二研究所”測(cè)試，滿(mǎn)足在637~837 MPa應(yīng)力下循環(huán)200萬(wàn)次不斷的要求，產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。經(jīng)用戶(hù)使用證明，產(chǎn)品應(yīng)用性能良好，符合橋梁領(lǐng)域?qū)π崩鞑牧弦哂懈邚?qiáng)度、高耐腐蝕性能、高耐疲勞性能的要求。

6 結(jié)論

研制生產(chǎn)的斜拉索用鋼絞線產(chǎn)品工藝路線設(shè)計(jì)合理、參數(shù)制定準(zhǔn)確、原料選擇適當(dāng)，具備批量生產(chǎn)的能力。產(chǎn)品經(jīng)國(guó)家建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心檢測(cè)，最大力、屈服負(fù)荷、伸長(zhǎng)率、松弛性能、伸直性、偏斜拉伸系數(shù)、應(yīng)力腐蝕、軸向疲勞等指標(biāo)均超過(guò)研制目標(biāo)。鞍座系統(tǒng)抗彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果符合研制目標(biāo)要求。該產(chǎn)品已獲得國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利。

經(jīng)用戶(hù)使用證明，產(chǎn)品應(yīng)用性能良好，符合橋梁領(lǐng)域?qū)π崩鞑牧弦哂懈邚?qiáng)度、高耐腐蝕性能、高耐疲勞性能的要求，具有良好的發(fā)展前景和社會(huì)效益。

Development and Production of Unbonded Galvanized Pre-stressed Steel Strand for Bridge Cable

WANG Ya-zhi
(Tianjin Metallurgy Steel Wire and Cable Group Co.,Ltd.,Tianjin 300400,China)

Φ15.20 mm series 1 860 MPa unbonded hot-dip galvanized steel strand for bridge cable was developed and produced in order to meet the special requirement by saddle type stay cable. Through the adoption of comprehensive optimization technical plan such as raw material micro alloying and galvanizing and the special process control of stabilization treatment,the product possesses high strength,toughness and bending fatigue resistant property.

stay cable;hot-dip galvanizing;steel strand;saddle system;bending fatigue

10.3969/j.issn.1006-110X.2016.05.005

2016-05-25

2016-06-08

王雅志（1959—），男，高級(jí)工程師，天津冶金鋼線鋼纜集團(tuán)有限公司總經(jīng)理兼總工程師。