2 160 MPa級(jí)橋梁纜索用線材的研發(fā)*

馬海寬，焦 悅，李培力，隋 健，寇永樂，任明杰

(1.中國重型機(jī)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710032)

0 引言

隨著科技的快速發(fā)展，冶金技術(shù)日新月異，鋼鐵材料發(fā)生了極大的變化，世界范圍內(nèi)橋梁纜索用線材的生產(chǎn)技術(shù)突飛猛進(jìn)，特別是線材索氏體化處理技術(shù)使得線材的強(qiáng)度和韌性得到了大幅提升，獲得了良好的綜合機(jī)械性能[1]。同時(shí)，高碳鋼冶煉技術(shù)不斷改進(jìn)，線材的后加工技術(shù)發(fā)展愈加成熟和完善，使得鋼絲承重能力越來越強(qiáng)，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(jì)初期，世界范圍內(nèi)建設(shè)的大跨度懸索橋主纜采用的熱鍍鋅鋼絲的抗拉強(qiáng)度基本不低于1 670 MPa，部分技術(shù)強(qiáng)國建設(shè)的大型橋梁甚至開始采用1 770 MPa級(jí)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(jí)熱鍍鋅鋼絲作為主纜索股，典型業(yè)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(jí)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(jí)的熱鍍鋅鋁鋼絲。當(dāng)前，我國對(duì)2 000 MPa級(jí)橋梁纜索用鋼絲進(jìn)行了科技攻關(guān)，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(fā)的Φ7.0 mm、2 000 MPa級(jí)的熱鍍鋅鋼絲作為斜拉索[3]，同時(shí), 正在建設(shè)的深中通道伶仃洋大橋?qū)?huì)使用2 060 MPa級(jí)的熱鍍鋅鋼絲作為主纜。

1 技術(shù)難點(diǎn)

為了滿足更大跨度、更輕量化的橋梁設(shè)計(jì)要求，研究開發(fā)2 160 MPa級(jí)橋梁纜索用線材已成為鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)面臨的新挑戰(zhàn)。超高強(qiáng)度橋梁纜索用線材的核心技術(shù)難點(diǎn)是：

(1) 線材冷態(tài)拉伸變形量有限。 成品鋼絲直徑通常在5 mm～7 mm范圍內(nèi)，現(xiàn)有成熟的線材生產(chǎn)技術(shù)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(huì)超過85%，通過增大冷拉拔形變量來提高強(qiáng)度的方式難以實(shí)現(xiàn)。因此，提高線材的自身強(qiáng)度成為獲得高強(qiáng)度鋼絲的唯一途徑，其方式主要有以下3 種：①適當(dāng)提高線材的碳含量，減少冶金制造難度，提高鋼絲的起始強(qiáng)度；②添加合金元素，主要包括硅、鉻、釩等；③對(duì)線材進(jìn)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(qiáng)度的同時(shí)其還應(yīng)具有良好的扭轉(zhuǎn)性能[4]。

2 研發(fā)方向

如前所述，為了制取2 160 MPa級(jí)橋梁纜索用線材，需在以下方面進(jìn)行深入研究：

(1) 適量提高碳含量，提高線材的自身強(qiáng)度。

(2) 提高硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)，既能提高原始線材的強(qiáng)度，還可以避免鋼絲在進(jìn)行熱鍍鋅鋁工藝時(shí)強(qiáng)度的降低。

(3) 嚴(yán)格控制線材中的鉻含量，使其質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過0.30%，目的是保證熱鍍鋅鋁后鋼絲的扭轉(zhuǎn)性能。鉻能夠起到細(xì)化層片提高線材強(qiáng)度的作用，但過量的鉻會(huì)提高鋼絲組織的熱穩(wěn)定性，導(dǎo)致其扭轉(zhuǎn)性能差[5]。

(4) 對(duì)線材進(jìn)行合適的熱處理，提高其強(qiáng)度和韌性。

3 研發(fā)過程

結(jié)合多年的前期研究，中國重型機(jī)械研究院股份公司團(tuán)隊(duì)在SWRS82B線材成分的基礎(chǔ)上，對(duì)其主要成分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

SWRS92Si相比其他常用線材，C、Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)得到了提高，鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.30%以下，其強(qiáng)度和扭轉(zhuǎn)性能得到提高，但還是難以滿足2 160 MPa級(jí)橋梁纜索用線材的要求。因此，需要對(duì)線材進(jìn)行熱處理，進(jìn)而進(jìn)一步提高其強(qiáng)度和韌性。傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝是對(duì)吐絲機(jī)生產(chǎn)的熱軋線材進(jìn)行風(fēng)冷冷卻，在冷卻過程中不但要控制線材內(nèi)部產(chǎn)生共析滲碳體，還要杜絕馬氏體組織的產(chǎn)生。但由于風(fēng)冷自身的特性，難以保證做到均勻、可控，線材在進(jìn)入珠光體相變區(qū)域內(nèi)后無法做到恒溫，導(dǎo)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(fēng)冷的組織形貌如圖1所示，其強(qiáng)度最高約為1 280 MPa，制取的鋼鐵難以達(dá)到2 160 MPa級(jí)，因此，采用常規(guī)成熟的風(fēng)冷技術(shù)行不通。

圖1 SWRS92Si線材風(fēng)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(huì)迅速冷卻到550 ℃以下，并在熔融狀態(tài)的鉛液中發(fā)生相變，最終獲得索氏體組織[7]。經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由于冷卻介質(zhì)鉛液的溫度和索氏體相變轉(zhuǎn)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(tuán)尺寸明顯減小，且珠光體層片顯著細(xì)化，線材索氏體化率可大于95%，強(qiáng)度也可提高到1 400 MPa。但是，由于實(shí)際生產(chǎn)過程中鉛液有毒對(duì)人體有害，還特別容易揮發(fā)，嚴(yán)重影響工人的健康；且廢鉛液對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重，不能在實(shí)際生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用[8]。

圖2 SWRS92Si線材鉛浴熱處理后的組織形貌

因此，對(duì)SWRS92Si線材采用鹽浴熱處理工藝進(jìn)行強(qiáng)度和韌性提升。經(jīng)過試驗(yàn)，SWRS92Si線材通過鹽浴熱處理后珠光體團(tuán)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(xì)化，片層更加均勻，索氏體化率可達(dá)95%～98%以上；線材強(qiáng)度可達(dá)1 500 MPa以上，性能波動(dòng)小，跟鉛浴基本一致；在生產(chǎn)過程中熔鹽介質(zhì)穩(wěn)定安全，節(jié)能綠色環(huán)保，可廣泛應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)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(jìn)行拉絲和熱鍍鋅，其強(qiáng)度進(jìn)一步提升，經(jīng)過測(cè)試，鋼絲的抗拉強(qiáng)度普遍在2 168 MPa以上，平均斷后伸長率為5.4%，扭轉(zhuǎn)圈數(shù)在14～28之間，滿足2 160 MPa級(jí)橋梁纜索用鍍鋅鋼絲的要求。

4 核心裝備研發(fā)

中國重型機(jī)械研究院股份公司針對(duì)國內(nèi)外線材熱處理裝備的技術(shù)現(xiàn)狀，結(jié)合自身在高端裝備領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，近年來集中科研力量對(duì)線材鹽浴裝備進(jìn)行了深入研究，憑借多年熱處理裝備的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)的積累，提出了線材在線鹽浴熱處理裝備與工藝技術(shù)方案，其充分利用線材自身熱量，將軋制的線材直接進(jìn)行鹽浴熱處理，熱處理完成后可直接進(jìn)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(chǎn)效率高、自動(dòng)化程度高、節(jié)能減排、綠色環(huán)保等特點(diǎn)。我公司研發(fā)生產(chǎn)的超高強(qiáng)度橋梁用線材SWRS92Si如圖4所示。

圖4 超高強(qiáng)度橋梁用線材SWRS92Si實(shí)物

5 結(jié)語

隨著跨海工程、跨江工程的深入推進(jìn)，超大跨度、輕量化的橋梁成為未來發(fā)展方向,這也對(duì)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(qiáng)度鋼絲的發(fā)展必將朝著超高強(qiáng)度、窄的強(qiáng)度波動(dòng)范圍以及高的扭轉(zhuǎn)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(fā)展。

中國重型機(jī)械研究院股份公司研發(fā)團(tuán)隊(duì)在SWRS82B線材的基礎(chǔ)上，研發(fā)出了SWRS92Si線材，經(jīng)過鹽浴熱處理后其強(qiáng)度超過1 500 MPa，再經(jīng)過拉絲和熱鍍鋅，鋼絲抗拉強(qiáng)度達(dá)到了2 168 MPa及以上，整體性能優(yōu)于現(xiàn)有線材，該方案和技術(shù)可大力推廣到實(shí)際進(jìn)行廣泛應(yīng)用，對(duì)提升我國現(xiàn)有線材的整體制造水平具有重大意義。