鋼絲繩制造技術發(fā)展特點

李昌令

（貴州鋼繩集團附屬企業(yè)公司，貴州 遵義 563000）

1 鋼絲繩概述

1.1 定義

鋼絲繩是以鋼絲為原材料，利用力學和幾何性質(zhì)將多跟擰成一根撓性的繩索，可用作牽引、推拉、重物載荷等，廣泛應用于船舶領域、石礦領域、土木領域、航天領域等，屬于標準件。

1.2 構(gòu)造及特點

鋼絲繩的主要組成部分為鋼絲和繩芯。鋼絲的制造原料為碳素鋼或合金鋼，以冷拉或冷軋的方法將其凝造呈圓形絲狀的材料，且“賦予”其較高的柔韌性和強度，對鋼絲的使用可根據(jù)不同的工作環(huán)境因地制宜；繩芯在鋼絲繩制造中主要負責的效用是減小摩擦、增強彈性和韌性，以提高鋼絲繩的使用壽命。不同的鋼絲繩使用不同材質(zhì)的繩芯，常見材質(zhì)有金屬芯、有機纖維芯、石棉芯、合成纖維芯等。

鋼絲繩之所以能廣泛應用于各領域，主要由于其顯著的特點能大大提高工作的效率。鋼絲繩擁有較大的彈性，能繞卷成盤且在高速下能無噪聲平衡運動。鋼絲繩本身的重量很輕,但能承受住震動載荷。一般情況下,鋼絲繩不易驟然整根折斷,保證了安全使用性。此外，鋼絲繩在重力載荷下的塑性變形很小，且一旦發(fā)生外表磨損產(chǎn)生毛刺，很容易就能發(fā)現(xiàn)并做出及時處理。

2 鋼絲繩制造工藝及技術參數(shù)

2.1 制造工藝流程

2.1.1 拉絲

拉絲是鋼絲繩制造中的首道工序，籠統(tǒng)來說是指將原材料依次進行酸洗、磷化、剝殼和開坯等工序，且在此過程中要進行反復多次的拔拉以改變其內(nèi)部的分子結(jié)構(gòu)，使最終的鋼絲繩能夠達到一個目標直徑。具體來看：首先，要利用酸液洗除原材料表面因被腐蝕而產(chǎn)生雜質(zhì)以及軋皮過程產(chǎn)生廢棄渣，此舉動又可以成為剝殼，即通過化學手段將原材料上的氧化物自動脫離，免除雜質(zhì)對開坯和拉絲模具的影響；然后，進入到磷化階段，用磷酸鹽溶液浸泡鋼絲繩原材料，在表面形成一層剛勁有力且不溶于水的保護薄膜，能夠防止原材料被腐蝕；然后，對原材料進行冷拔絲，使其強行穿過一個直徑更小的孔，間接縮小圓鋼的直徑，拉伸圓鋼的長度，并反復這個過程。這樣經(jīng)過塑性變形的鋼材，其硬度會大大提升，且基本清除了其塑性；最后，要對鋼絲進行回火制造，由于鋼絲的分子結(jié)構(gòu)在第一道工序時遭到破壞，回火可再次恢復其分子結(jié)構(gòu)，以便于再重復第二、三、四到程序直到達到我們想要的強度。要注意的是，鋼絲的強度是經(jīng)由拉絲造就的，而不是經(jīng)過熱加工處理的，但是在制作鋼絲繩時不能一味追求高強度，高強度對應的必然是低柔韌和低耐磨度，因此選擇時要視情況而定。

2.1.2 捻股

在生產(chǎn)鋼絲繩時，一般根據(jù)需求方對鋼絲繩的用途來決定鋼絲繩的結(jié)構(gòu)、原料和類型。通常情況下鋼絲繩使用的是直徑為0.1mm～6mm 的圓斷面碳素鋼絲。從用途出發(fā)，可以將鋼絲繩的類型分為有懸吊橋梁用繩和礦用捻股、架空索道用承載繩、傳動裝置用牽引繩、電梯用繩、捆扎和拖編貨物用系扎繩等?，F(xiàn)如今行業(yè)內(nèi)的鋼絲繩用途不斷增多，種類業(yè)日漸增加，但總的來說品質(zhì)好的鋼絲繩要有較高的強度、較好的抗腐蝕性、耐壓性、密實性、抗疲勞性等特性，尤其是強度特性，一定要達標。鋼絲繩的截面結(jié)構(gòu)分為多種，由于接觸方式的不同，常見的有線接觸圓股、面接觸圓股、點接觸圓股、異形股等。

捻股過程中還有兩道重要的防腐程序：涂油和鍍層。不論哪種類型的鋼絲繩都要進行涂油，涂油時要求不僅表面上均勻涂滿，還要將油浸透到鋼絲繩的繩芯中以達到抗腐蝕、抗腐爛和潤滑的效果。對不同用途的繩涂油還有所講究，一般摩擦嚴重的礦井鋼繩要涂抹黑油油脂以減小摩擦阻力、增強抗水性，而其他類型的鋼繩一般涂抹紅油油脂，在表面形成一層油膜，達到防銹、清潔力度高的效果。

2.1.3 合繩

合繩是制造鋼絲繩的子厚一道工序，是利用合繩機以螺旋運動的方式將繩股繞繩芯轉(zhuǎn)動形成最終的鋼絲繩。合繩是最后一步，也是關鍵一步，因而要嚴格按照鋼絲繩的技術標準執(zhí)行。要選用合適的合繩機，并股的規(guī)格、捻向、長度和結(jié)構(gòu)選用合適的股。隨后將在裝有股的工字輪安裝在合繩機的工字輪輪架上。合繩與捻股的程序有所相似，僅僅在捻制工藝上有所不同，鋼絲繩的捻制類型可分為：單捻鋼絲繩的捻制、雙捻鋼絲繩的捻制和三捻鋼絲繩的捻制。

2.2 技術參數(shù)

2.2.1 繞繩方法

鋼絲繩的繞繩方法分為單股、多股、異形三種。捻制（圓截面）鋼絲繩分單股和多股之分，如1*19、7*7 等。由于鋼繩要求柔軟，要求鋼絲很細，捻制工藝不便同時捻制太多根鋼絲，所以單股繩不適合作直徑太大的鋼繩。多股鋼絲則可以客服這一問題，但股繩之間的間隙加大，同樣直徑，鋼絲繩強度可能會有下降，另外的缺點是表面空隙加大，和其他構(gòu)建接觸時磨損加大。

2.2.2 接觸形式

鋼絲繩的接觸形式主要有點接觸、先接觸和面接觸。點接觸式的鋼絲繩特點是每層鋼絲繩的擰繞后的螺旋角度大致一致，以保證鋼絲能夠受力均勻，但由于擰距間的差異又使得內(nèi)層與外層鋼絲出現(xiàn)交叉，呈點接觸狀。線接觸式的鋼絲繩，其鋼絲的直徑各不相同，但層與層之間的捻距相等，因而呈線接觸狀；面接觸式的鋼絲繩主要由異形鋼絲制成，其抗拉能力較強、但可撓性差，且生產(chǎn)成本高。

3 鋼絲繩制造技術發(fā)展特點

隨著對鋼絲繩的應用范圍擴大，鋼絲繩制造行業(yè)在質(zhì)量、產(chǎn)量等方面也取得了很大的進步。近年來的鋼絲繩的年產(chǎn)量以達到了180 萬噸以上，既滿足了內(nèi)需又能向國外出口。與鋼絲繩制造相關的上游行業(yè)發(fā)展同樣促進了鋼絲繩工藝的進步，鋼材冶煉水平的顯著提升為鋼絲繩制造提供了大量高質(zhì)量大盤重熱軋盤條。此外，與鋼絲繩直接相關的技術，如捻制結(jié)構(gòu)的全面優(yōu)化，鋼絲繩制造機作業(yè)水平的提升等都顯著提高了鋼絲繩的生產(chǎn)效率，且在保證強度和抗拉度的前提下，改善了鋼絲繩的柔韌性。具體從發(fā)展的角度看，鋼絲繩的技術有以下幾個特點：

3.1 同心層鋼絲或股繩保留一定的間隙

傳統(tǒng)的鋼絲繩制造技術強調(diào)股繩或鋼絲之間的密實捻制，并將其認定為必須的結(jié)構(gòu)參數(shù)。后來隨著鋼絲繩的技術發(fā)展，歐美等鋼絲繩生產(chǎn)大國通過大量實驗發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的密實捻制有損鋼絲繩的使用壽命，進而提出了保持間隙的理念。相對于傳統(tǒng)，股繩或鋼絲保持間隙可以避免捻制過程中對鋼絲與股繩造成的形變。

鋼絲繩結(jié)構(gòu)中同心層鋼絲繩或股繩保留一定的間隙，可以保證捻股過程中的外層股繩緊壓內(nèi)側(cè)鋼絲，從而加固了股繩與鋼絲繩內(nèi)部的緊密性和穩(wěn)定性。常用的手段有在股繩之間添加填充物或?qū)衫K進行覆蓋包裹處理。需要注意的一點是在內(nèi)部股繩結(jié)構(gòu)中保留的間隙并不是均勻分布在內(nèi)部各處的，而是隨機的，既內(nèi)部的股繩之間總會有直接性的接觸，且發(fā)生彎曲、拉伸等舉動，接觸表面就會發(fā)生磨損。因而內(nèi)部保留的間隙雖然可以增強穩(wěn)定性，但是未能在很大程度上減緩鋼絲繩因磨損而造成的損傷。

3.2 利用不同規(guī)格股繩優(yōu)化鋼絲繩性能

通過破斷拉力實驗可以判斷出鋼絲繩的實際載荷能力，也能夠模擬作業(yè)環(huán)境綜合判斷鋼絲繩的投入使用性，因而該實驗是檢驗鋼絲繩的試金石。對鋼絲繩破斷拉力的影響因素包括鋼絲繩的結(jié)構(gòu)、股繩捻制質(zhì)量、鋼絲直徑等，還包含鋼絲本身的尺寸和抗拉強度。因而，在測驗破斷拉力時可以在保證直徑的前提下，調(diào)整鋼絲的尺寸和抗拉強度以達到實際目的。在實際應用過程中，鋼絲繩主要發(fā)揮的效用是承重載荷，但是使用期間無法避免對其的擠壓、拉伸、反復摩擦、震動等操作，因而在保有較強的抗拉強度時，鋼絲繩也要有較好的柔韌性以保證能夠安全使用。

將生產(chǎn)難易程度各異、所處位置不同及性能有所區(qū)別的鋼絲進行優(yōu)化匹配，有利于延長鋼絲繩的使用壽命，其中最好的例證是雙強度電梯鋼絲繩。將不同抗拉強度的鋼絲匹配使用的這一理念在很多鋼絲繩工藝標準中也有所體現(xiàn)，如《石油天然氣工業(yè)用鋼絲繩—最低要求和驗收條款》標準中給出了一種方法—鋼絲繩強度匹配方法，實際上這是就是將不同抗拉強度的鋼絲進行適當匹配的思想應用。

3.3 延長捻距、部分減小三角股鋼絲繩使用初始長度

從實際應用中觀察到，與進口的鋼絲繩相比，國內(nèi)的鋼絲繩總是會由于初始身長較長而導致使用時的頻繁調(diào)繩，這一結(jié)果的主要原因時國內(nèi)鋼絲繩與國外鋼絲繩在捻距上的差異。進口的三角股鋼絲繩捻距倍數(shù)一般顯著大于國內(nèi)產(chǎn)品捻距的倍數(shù)，因而國外傾向于通過增加捻距的倍數(shù)來縮短鋼絲繩的初始長度以減輕使用時的麻煩。當然，造成捻距倍數(shù)差的原因還有可能是預張拉工藝的使用擴大了捻距倍數(shù)，這一因素不可排除。

3.4 組繩股加工工藝方法呈現(xiàn)多樣性

傳統(tǒng)的鋼絲繩股繩一般都會采用捻制工藝生產(chǎn)，造成了股繩生產(chǎn)工藝的單一。隨著鋼絲繩制造技術的進步，如今推出了捻制工藝與壓實工藝相結(jié)合的新技術。這種技術考慮到了不同規(guī)格的股繩有不同的優(yōu)缺點，使用工藝上結(jié)合可以彌補互相的缺陷。相對而言，壓實工藝提高鋼絲繩的破斷拉力，擴大與滑輪的基礎面積，但操作不易，可撓性較差；而捻制股繩正好與之互補，兩者的組合股繩可以提高鋼絲繩的安全性，增強鋼絲繩的抗拉度、柔軟性和可操作性。

3.5 特殊生產(chǎn)工藝使用日趨廣泛

隨著鋼絲繩應用的工作環(huán)境增多，對鋼絲繩質(zhì)量和性能要求也越來越高，一般通過結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)提質(zhì)效果的工藝已經(jīng)不太理想，一些鋼絲繩制造企業(yè)在逐漸尋找新的生產(chǎn)工藝。鋼絲繩制造技術發(fā)展至今的特殊工藝主要有填（注）塑、包覆工藝和壓實工藝兩大類。

填（注）塑、包覆和壓實工藝在實踐中已經(jīng)得到了證明，能夠很好的提升鋼絲繩的使用壽命。目前此種方式的發(fā)展?jié)摿^大，我國的煤炭、勘探、冶金業(yè)等都已經(jīng)廣泛引進使用此種工藝制造的鋼絲繩。這種工藝的優(yōu)點是能夠減緩震動、增強耐磨度和腐蝕性并在股繩之間保持合理的間隙，與之相比，壓實工藝的出現(xiàn)時為了提高鋼絲繩的破斷拉力、擴大與滑輪的接觸面積。兩者的目的都會提高性能和延長壽命，屬于殊途同歸。