橋梁纜索用無粘結(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有限公司，天津300400）

為滿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橋梁纜索用無粘結(jié)熱鍍鋅鋼絞線。通過采用原料微合金化和鍍鋅、穩(wěn)定化處理特殊過程控制等綜合優(yōu)化技術(shù)方案，使該類產(chǎn)品具備較高的強度、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)進入了一個輝煌的時期，斜拉橋、懸索橋不斷涌現(xiàn)。隨著對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)注的問題。

2013年，中國境內(nèi)設(shè)計的第一座符合當(dāng)今世界最新設(shè)計理念的鞍座特大公路橋梁——五河淮河特大橋開始招標(biāo)。該橋建在安徽省境內(nèi)淮河上游，全長1 031.3 m，其主橋為（246+125）m，由主橋、南、北引橋三部分組成，系柱式獨塔空間雙索面混合梁斜拉橋。根據(jù)橋梁的結(jié)構(gòu)特點和使用要求，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，需要滿足鞍座系統(tǒng)抗彎曲疲勞試驗的相關(guān)要求。

國際上在橋梁設(shè)計和制造領(lǐng)域?qū)π崩鞯男阅芤笥?大主流派別，歐美國家設(shè)計時注重于“高強度、低松弛”，日本業(yè)界在設(shè)計時則更加關(guān)注于“高強度、高韌性”。五河淮河大橋在設(shè)計時，將上述兩大主流派別的關(guān)注重點合二而一，采用以“高強度、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)客戶協(xié)議）

根據(jù)客戶對于產(chǎn)品各項性能指標(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)計工藝流程

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

3 需要解決的技術(shù)問題

在產(chǎn)品研發(fā)過程中，經(jīng)過反復(fù)研究，確定本項目的關(guān)鍵在于如何滿足鞍座系統(tǒng)抗疲勞試驗指標(biāo)即在537～837 MPa載荷下，200萬次不斷裂,剩余強度為不小于0.95倍標(biāo)準(zhǔn)公稱強度和0.92倍平均極限強度。要想實現(xiàn)目標(biāo)，必須解決以下問題：

與原料廠家合作，研究該產(chǎn)品專用盤條的技術(shù)條件，為成品在高強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，確保強度最高，韌性損失最小。

研究熱鍍鋅工藝，解決浸鋅時間影響鋅層厚度和鋼絲扭轉(zhuǎn)制的問題。

研究穩(wěn)定化處理工藝，解決回火溫度與張力匹配，產(chǎn)品伸長率與松弛率的矛盾問題，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現(xiàn)項目目標(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)品專用盤條，嚴(yán)格控制盤條化學(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，不宜加入過多，否則會造成馬氏體增多；適當(dāng)添加V可細化晶粒、提高鋼材強度和韌性的作用。C的含量應(yīng)適宜，過低會造成強度不足，過高易形成網(wǎng)狀滲碳體，使拉拔性能變壞?？刂芅、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，選擇采用盤條的尺寸為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+長模芯”；

（3）配模工藝路線：

經(jīng)過大量樣品分析，光面鋼絲抗拉強度及扭轉(zhuǎn)性能合格率100%，平均抗拉強度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，熱鍍鋅工藝對鋼材強度、扭轉(zhuǎn)值影響很大，溫度高會降低強度，影響鍍層質(zhì)量，溫度低會降低扭轉(zhuǎn)值；同一溫度下，浸鋅時間長，強度降低，浸鋅時間短，影響鋅層厚度及扭轉(zhuǎn)。經(jīng)過反復(fù)模擬試驗、驗證，終于找到了既能確保鋅層質(zhì)量，又能保證高強度、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，采用新的熱鍍鋅生產(chǎn)工藝：

（1）鋅溫：460～465℃；

（2）浸鋅時間為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，強化崗位責(zé)任制，對于檢查發(fā)現(xiàn)的漏鍍、鋅瘤等問題及時做出標(biāo)識、記錄，區(qū)別存放，堅決杜絕有問題的半成品流入下工序現(xiàn)象的發(fā)生。

采取上述措施后，對鍍鋅鋼絲的性能和質(zhì)量進行檢驗，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，同時鋅層致密度高，也能提高防腐性能，因此對外層絲進行精整：標(biāo)注實際長度。

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。鍍鋅鋼絞線抗拉強度、松弛性能、延伸性和伸直性的性能指標(biāo)是否符合國標(biāo)和用戶的要求，其關(guān)鍵在于對穩(wěn)定化處理的溫度和所施加的張力的控制。在實際生產(chǎn)過程中，我們采用感應(yīng)加熱的同時施加一定的張力，以確保穩(wěn)定化處理過程能夠快速進行。對穩(wěn)定化處理過程中的線速度、張力和溫度3個主要控制參數(shù)，經(jīng)過多次反復(fù)試驗和篩選，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、高伸長等優(yōu)良綜合力學(xué)性能。

4.6 無粘結(jié)生產(chǎn)工序

（1）該工序原理是將單根鋼絞線通過專用設(shè)備涂防腐潤滑脂和防腐塑料護套。調(diào)整牽引速度，擠塑機轉(zhuǎn)速，保證表面質(zhì)量及護套厚度。

（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)性能見表2，無粘結(jié)工序護套指標(biāo)結(jié)果見表3。

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

表3 無粘結(jié)工序護套指標(biāo)

在本產(chǎn)品的研制生產(chǎn)過程中，采用了意大利引進的穩(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)國家建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心檢測，各項性能指標(biāo)均超過研制目標(biāo)，鞍座系統(tǒng)抗彎曲疲勞試驗經(jīng)權(quán)威部門“中國船舶重工集團公司第七0二研究所”測試，滿足在637~837 MPa應(yīng)力下循環(huán)200萬次不斷的要求，產(chǎn)品質(zhì)量達到國際先進水平。經(jīng)用戶使用證明，產(chǎn)品應(yīng)用性能良好，符合橋梁領(lǐng)域?qū)π崩鞑牧弦哂懈邚姸?、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)國家建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心檢測，最大力、屈服負荷、伸長率、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)均超過研制目標(biāo)。鞍座系統(tǒng)抗彎曲疲勞試驗結(jié)果符合研制目標(biāo)要求。該產(chǎn)品已獲得國家發(fā)明專利。

經(jīng)用戶使用證明，產(chǎn)品應(yīng)用性能良好，符合橋梁領(lǐng)域?qū)π崩鞑牧弦哂懈邚姸?、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，高級工程師，天津冶金鋼線鋼纜集團有限公司總經(jīng)理兼總工程師。