大跨度橋梁用2 160 MPa 超高強(qiáng)鋼絞線的研制

孟書鋒

（河鋼集團(tuán)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(chǎn)業(yè)基地，公司裝配有世界先進(jìn)的全封閉環(huán)保節(jié)能型自動(dòng)酸洗磷化生產(chǎn)線1 條，國(guó)內(nèi)先進(jìn)的低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線的生產(chǎn)線3 條，其中LZ-9/1200 鋼絲直進(jìn)立式連續(xù)拉絲機(jī)組6 組，所有卷筒冷卻采用噴淋式循環(huán)水冷和獨(dú)立風(fēng)冷，模子盒冷卻采用強(qiáng)力水冷；1×7-Φ17.8 mm低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線設(shè)備捻股機(jī)2 套，1×7-Φ21.6 mm低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線設(shè)備捻股機(jī)1 套，穩(wěn)定運(yùn)行速度110 m/min；同時(shí)還建立了國(guó)內(nèi)此行業(yè)中首套計(jì)算機(jī)二級(jí)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，物料跟蹤及質(zhì)量追溯、自動(dòng)生成生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)報(bào)表及能源管理等多項(xiàng)功能，整條產(chǎn)線年產(chǎn)量可達(dá)9 萬(wàn)t，目前公司通過了ISO9001：2008 質(zhì)量管理體系認(rèn)證，且是GB/T 5224—2022 新國(guó)標(biāo)的起草單位之一[1-3]。

伴隨著國(guó)家建設(shè)的提檔晉級(jí)，對(duì)城市高強(qiáng)度立交橋建設(shè)、部分偏遠(yuǎn)或地質(zhì)條件復(fù)雜的地區(qū)大跨度橋梁的建設(shè)均提出了更高強(qiáng)度、更輕量化、更加安全的建筑材料設(shè)計(jì)和應(yīng)用需求。針對(duì)重點(diǎn)工程項(xiàng)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(shù)新工藝研究，組織專業(yè)力量論證并制定了Φ15.2 mm規(guī)格2 160 MPa 超高強(qiáng)度鋼絞線開發(fā)方案，且最終由小批量試生產(chǎn)提升至穩(wěn)定批量供應(yīng)，大跨度橋梁用2 160 MPa 超高強(qiáng)鋼絞線的成功研制，滿足了重點(diǎn)領(lǐng)域、重點(diǎn)工程對(duì)新材料的建設(shè)需求，在提高強(qiáng)度、提高使用壽命的同時(shí)可減少鋼絞線使用數(shù)量，減輕了結(jié)構(gòu)自重，并節(jié)約了建設(shè)成本[4-5]。

1 原料成分設(shè)計(jì)及性能控制

高碳鋼線材不僅具有含碳量高和強(qiáng)度高的特點(diǎn)，還具有良好的強(qiáng)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(shù)研究，摸索推算出了C、Cr、V、尺寸等因素對(duì)高碳鋼盤條的影響關(guān)系，最終專業(yè)化制定了超高強(qiáng)鋼絞線用母材的尺寸和成分控制標(biāo)準(zhǔn)[6]。2 160 MPa 級(jí)別鋼絞線抗拉強(qiáng)度實(shí)際控制需達(dá)到2 190 MPa 以上，根據(jù)減面比和抗拉強(qiáng)度控制目標(biāo)，決定將母材尺寸控制為14.0 mm 以及原始抗拉強(qiáng)度≥1 320 MPa。為提高大規(guī)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(qiáng)制冷卻，使高碳盤條冷卻形成更多索氏體組織。經(jīng)母材取樣實(shí)測(cè)，得到原料成分控制如表1 所示。

表1 原料成分

原料實(shí)測(cè)抗拉強(qiáng)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(zhì)量，采用標(biāo)準(zhǔn)的酸洗磷化工藝替代機(jī)械剝殼工藝進(jìn)行盤條拉拔前的表面預(yù)處理。經(jīng)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(lián)接點(diǎn)上有細(xì)小裂縫的多孔結(jié)構(gòu)，這種具有微孔結(jié)構(gòu)的磷化膜富有延展性，在后續(xù)拉拔時(shí)潤(rùn)滑劑容易嵌入微孔而被帶入拉絲模中，能達(dá)到良好的潤(rùn)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(zhì)量的磷化膜是該工藝的核心目標(biāo)。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(diào)工藝中，草酸溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03%，表調(diào)結(jié)束后晾干15 s。磷化工藝中磷化膜面質(zhì)量隨磷化總酸度的增加而逐漸增大，在總酸度達(dá)到90～100 點(diǎn)時(shí)，磷化膜面質(zhì)量達(dá)到最大值；同時(shí)磷化膜面質(zhì)量隨磷化液溫度的升高而增大；膜的耐蝕性隨磷化膜面質(zhì)量的增大和磷化溫度的升高而增強(qiáng)。磷化液溫度在80～85℃時(shí)磷化效果較好，低于65 ℃時(shí)，磷化膜的耐蝕性很差，膜層薄[7-8]。故磷化液總酸度調(diào)整為80 點(diǎn)，游離酸為10 點(diǎn)，酸比為8，將磷化溫度控制在83 ℃，時(shí)間調(diào)整控制為300 s，實(shí)測(cè)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(chǎn)的關(guān)鍵工序，既要實(shí)現(xiàn)科學(xué)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(guān)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(duì)原料規(guī)圓，消除軋制時(shí)產(chǎn)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(shí)現(xiàn)超高強(qiáng)的目的，各道次的模具尺寸設(shè)定如表3 所示。

表3 拉拔工藝

孔型參數(shù)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(shí)模具錐角過大，進(jìn)入到模具的起點(diǎn)就會(huì)越靠近定徑帶，使得變形區(qū)變小，導(dǎo)致線材變形變快，產(chǎn)生更多的熱量；而模具錐角過小，則會(huì)使線材的起點(diǎn)靠近模具入?？?，變形區(qū)變長(zhǎng)，使線材產(chǎn)生更多殘余應(yīng)力，導(dǎo)致溫度升高及功耗增加，本次2 160 MPa 超高強(qiáng)鋼絞線模具錐角為特設(shè)的小錐角，最終實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定拉拔，半成品邊絲直徑實(shí)際尺寸5.08 mm，拉拔力為44.37～45.63 kN；芯絲直徑實(shí)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(wěn)定化處理

穩(wěn)定化處理機(jī)理研究表明：穩(wěn)定化處理使軸向拉伸殘余應(yīng)力降低，微觀結(jié)構(gòu)中形成柯氏氣團(tuán)，內(nèi)部大部分位錯(cuò)被釘扎，可動(dòng)位錯(cuò)數(shù)量減少，而且張力還促使在高溫狀態(tài)下滲碳體的分解，使位錯(cuò)釘扎更有利，因而提高鋼材的強(qiáng)度和抗松。穩(wěn)定化處理工藝設(shè)計(jì)包括加熱溫度和張力兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。溫度選擇不能過高，過高會(huì)造成位錯(cuò)密度減小，松弛性能變差，甚至不如未經(jīng)過穩(wěn)定化處理的鋼絞線；溫度過低則會(huì)使位錯(cuò)的移動(dòng)、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(shù)如表4 所示。

表4 捻股工藝表

經(jīng)捻制及穩(wěn)定化處理，鋼絞線表面光潔，伸直性良好，超高強(qiáng)鋼絞線性能數(shù)據(jù)如表5 所示。

表5 超高強(qiáng)鋼絞線性能

5 結(jié)論

1）通過開展母材成分控制與鋼絞線綜合性能的技術(shù)研究，摸索推算出了C、Cr、V、尺寸等因素對(duì)高碳鋼盤條的影響關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)開發(fā)了2 160 MPa 超高強(qiáng)鋼絞線所用的Φ14mm 規(guī)格87Mn原料；經(jīng)過酸洗、磷化等表面預(yù)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(shí)現(xiàn)了高品質(zhì)的穩(wěn)定拉拔，且對(duì)應(yīng)加工硬化系數(shù)達(dá)到1.05。溫度與張力共同作用，強(qiáng)化了穩(wěn)定處理效果，1 000 h 應(yīng)力松弛率為1.57%，遠(yuǎn)優(yōu)于企標(biāo)。若在相同橋梁或斜拉索中使用該高強(qiáng)度鋼絞線，在滿足相同強(qiáng)度的要求下可減少鋼絞線及配套設(shè)施使用量，減輕橋梁及斜拉索重量、降低成本。