錢 剛， 許曉紅， 張劍鋒

(中信泰富特鋼集團股份有限公司， 江蘇 江陰 214400)

1 背 景1.1 橋梁纜索用鍍層鋼絲的發(fā)展

世界上的第一座現(xiàn)代化的懸索橋為1883年修建于美國的布魯克林大橋，其主跨僅僅只有500 m，其主纜用熱鍍鋅鋼絲的抗拉強度只有1200 MPa。隨著全球鋼鐵材料技術(shù)日新月異，位于廣東省的南沙大橋主纜采用Φ5.0 mm抗拉強度為1960 MPa級的熱鍍鋁鋼絲索股[1]。近些年我國在 2000 MPa級別橋梁纜索用熱鍍鋼絲的研發(fā)道路上走在了世界前列，滬蘇通大橋(公鐵兩用)國際上首次采用Φ7.0 mm抗拉強度為2000 MPa級的熱鍍鋼絲作為斜拉索[2]。同時，正在建設(shè)的深中通道伶仃洋大橋使用直徑為6.0 mm抗拉強度為2060 MPa級別的熱鍍鋼絲作為主纜[3]，南京仙新路大橋和常泰大橋確定選用抗拉強度為2100 MPa級別的熱鍍鋼絲作為主纜，為滿足特殊地質(zhì)條件和大跨徑，安全可靠要求，未來還會有更高強度的材料需求。近15年來國內(nèi)外典型橋梁主纜的發(fā)展趨勢如圖1所示。

圖1 國內(nèi)外橋梁主纜強度發(fā)展趨勢圖

1.2 高強纜索鋼線材等溫處理工藝及裝備

提高熱鍍鋼絲的強度是降低橋梁纜索自身重量的最主要的方法。鋼絲的抗拉強度每提高100 MPa，可減少主纜總重約3%-5%。各國在橋梁纜索熱鍍鋼絲用線材的生產(chǎn)中有各自不同的化學(xué)成分設(shè)計和生產(chǎn)工藝，線材的室溫組織性能很大程度上取決于其軋制完成后的冷卻方式。目前，國內(nèi)外多數(shù)廠家采用斯太爾摩工藝來控制熱軋后盤條的冷卻[4]，該工藝?yán)鋮s能力不足，穩(wěn)定性差，索氏體化率不高以及先共析二次網(wǎng)狀滲碳體等致命缺陷，采用該工藝生產(chǎn)線材制成的纜索鋼絲強度≤1860 MPa。要生產(chǎn)更高強度纜索鋼，需采用離線鉛浴等溫淬火的熱處理方式來重新索氏體化[5]，LP冷卻工藝對環(huán)境有污染且影響人員的身體健康。此外LP工藝成本高且生產(chǎn)效率低。因此日本新日鐵研制出了DLP冷卻技術(shù)替代DP工藝[6]。通過DLP工藝降低了鋼材的生產(chǎn)成本，提高了交付能力。國內(nèi)鋼鐵企業(yè)在熱處理方法上也進(jìn)行了改革性的創(chuàng)新，中信泰富特鋼青島特鋼廠研發(fā)了QWTP離線鹽浴熱處理技術(shù)[7]，將鉛浴帶來的環(huán)境污染大大降低。中信泰富特鋼江陰興澄特鋼廠自主研發(fā)的、擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的獨有Xingcheng Direct Water Patenting，簡稱XDWP在線水浴處理技術(shù)，采用綠色天然無污染、廉價便利的冷卻介質(zhì)水來替代金屬鉛或者硝酸鹽作為冷卻介質(zhì)完成珠光體的索氏體化轉(zhuǎn)變[8]，其生產(chǎn)的抗拉強度為 1960 MPa級的熱鍍鋅鋼絲應(yīng)用于南沙大橋[1]、楊泗港大橋建設(shè)中，滬蘇通公鐵兩用大橋是世界首次使用Φ7.0 mm 抗拉強度為2000 MPa級別的熱鍍鋅鋼絲，也是通過用該工藝生產(chǎn)[2]。目前，國內(nèi)具備大規(guī)模生產(chǎn)高強度橋梁纜索用盤條能力的主要生產(chǎn)廠家有興澄、青鋼等鋼鐵企業(yè)，上述企業(yè)均已開始了≥2100 MPa更高強度橋梁纜索鋼絲的研制工作。

1.3 高強纜索鋼線材成分設(shè)計

橋梁纜索鋼是珠光體鋼，通過原始盤條強化和拉拔加工硬化實現(xiàn)鍍層鋼絲高強化，成分的合理匹配是實現(xiàn)高強度與高韌塑性的關(guān)鍵，纜索鋼主要元素基本作用及范圍如下：

碳(C)：是強度提升主要強化元素，通過固溶強化和析出強化。碳對纜索鋼的強度、塑性、韌性、顯微組織等都有很大影響。一般質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.70%-1.20%。

硅(Si)：是強化鐵素體元素，可以提高滲碳體的穩(wěn)定性，減少熱鍍鋅過程中強度損失。Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般控制在0.15%-1.50%。

錳(Mn)：是提高強度的重要元素，但在鋼中易產(chǎn)生偏析，冷卻過程中容易形成馬氏體組織。Mn質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般低于1.00%.

鉻(Cr)：提高滲碳體的穩(wěn)定性和細(xì)化珠光體片層間距，有利于線材塑性指標(biāo)的提高。過高的Cr含量，易形成馬氏體或貝氏體等異常組織，Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般控制在0.50%以下。

釩(V)：是碳化物形成元素，起到細(xì)化晶粒及析出強化作用提高強度。同時其碳(氮)化物形成氫陷阱，減輕高強鋼中氫的危害。V含量過高，會導(dǎo)致碳氮化物顆粒大，使盤條塑性下降。

各元素的具體成分圍繞高強高韌進(jìn)行匹配設(shè)計，與盤條的生產(chǎn)工藝，拉拔工藝緊密配合。

2 超高強度纜索鋼關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 綠色低碳高效等溫處理工藝技術(shù)

纜索鋼的均勻性至關(guān)重要，興澄自主開發(fā)的在線XDWP水浴韌化處理工藝，著力解決盤條轉(zhuǎn)變溫度均勻性，從而實現(xiàn)力學(xué)性能均勻。該工藝采用水及RX添加劑做冷卻介質(zhì)，盤條冷卻過程中產(chǎn)生的水蒸氣回收冷凝為液態(tài)水循環(huán)利用，對環(huán)境無污染，對設(shè)備及生產(chǎn)人員無影響(如圖2所示)，具有綠色低碳等特點。采用該工藝已批量穩(wěn)定生產(chǎn)1860 MPa級、1960 MPa級、2000 MPa級大橋纜索熱鍍鋼絲用盤條，推動了國內(nèi)相關(guān)鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)理念轉(zhuǎn)變及技術(shù)、設(shè)備進(jìn)步。XDWP設(shè)備主要包括工藝水箱及輥式輸送機、加熱器組、泵模塊、過濾器、疏散罐、控制系統(tǒng)等。

熱軋盤條水浴韌化處理與其他冷卻介質(zhì)的韌化熱處理原理相同，但是水浴與其他冷卻介質(zhì)不同的是其汽化溫度低，在標(biāo)準(zhǔn)氣壓下為100 ℃，造成了不同狀態(tài)下水的冷卻能力不同。

水浴韌化處理是一種全新的不等溫式淬火工藝。通常盤條和水之間產(chǎn)生的膜態(tài)冷卻過程很短，難以被利用，盤條大多時間處于不穩(wěn)定的膜沸騰階段。奧氏體化的高碳盤條被單純水介質(zhì)冷卻的過程中，一般會得到堅硬的馬氏體，根本無法拉拔。如何將盤條在相變溫度范圍內(nèi)處于穩(wěn)定的膜沸騰階段是XDWP水浴韌化熱處理的關(guān)鍵。為此，項目組通過在水溶液中添加能溶解的高分子聚合物添加劑RX，提高水的黏度，將水分子和它自身的高分子結(jié)合，增大了水蒸氣界面的表面張力，使熱傳導(dǎo)系數(shù)率大大降低，提高蒸汽膜的穩(wěn)定性，充分延長了膜態(tài)冷卻過程，從而實現(xiàn)盤條的緩慢穩(wěn)定的冷卻，獲得所需要的適合拉拔的索氏體組織。

經(jīng)過測定，盤條在蒸汽膜腔中的冷卻速度達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，穩(wěn)定時間也較長，保證了盤條等溫相變的溫度范圍。降低了盤條相變區(qū)的冷卻速度，用來代替鉛浴用于盤條的韌化處理。實現(xiàn)了盤條在相變溫度前快速冷卻，形成蒸汽膜腔后緩慢冷卻以維持索氏體化所需要的時間和溫度，轉(zhuǎn)變完成后再出水緩冷。XDWP生產(chǎn)工藝如圖2所示。

圖2 盤條在線韌化處理生產(chǎn)圖片

在線XDWP韌化處理核心控制技術(shù)

(1)水溶液液位穩(wěn)定控制技術(shù)

電氣控制系統(tǒng)保證及時檢測水浴液的液位，使其保持穩(wěn)定，液位閉環(huán)控制系統(tǒng)智能控制儀根據(jù)設(shè)定的液位值和檢測的實際液位值，控制進(jìn)水的電動調(diào)節(jié)儀的開啟程度，使水位誤差穩(wěn)定在±3 mm。

(2)水浴液溫度穩(wěn)定控制技術(shù)

水浴液的溫度要求嚴(yán)格，根據(jù)工藝要求，過鋼前先加熱水浴液。水浴溫度控制分為2個過程：生產(chǎn)初始需加熱到工藝要求的溫度；生產(chǎn)時，隨著盤條帶入熱量的增加，啟動冷卻裝置以保持恒定溫度。由于溫度對產(chǎn)品性能影響很大，控溫精度要求也很高。智能溫度控制儀根據(jù)設(shè)定的溫度值和檢測的實際溫度值，使變頻器控制冷卻水泵運行在合適的轉(zhuǎn)速，保持溫度誤差±1 ℃。

(3)溶液流場冷卻均勻控溫技術(shù)

入水盤條因搭接點與中間疏密程度不一致，導(dǎo)致冷卻不均勻，但盤條希望出水后斷面溫度差越小越好，這樣盤條組織越均勻。冷卻過程中通過流場控制，邊部冷卻強度需要快速，中間部分冷卻要弱，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計及攪拌參數(shù)調(diào)整，實現(xiàn)盤條組織均勻，性能穩(wěn)定。

盤條生產(chǎn)通過控制輥道速度控制水浴處理時間，研究水浴處理時間對盤條組織和力學(xué)性能的影響，并與鉛浴處理盤條進(jìn)行對比，以探索盤條水浴代鉛韌化處理工藝的可行性和尋求最佳水浴處理工藝參數(shù)。

2.2 橋梁纜索用線材的均質(zhì)化技術(shù)

為提升強度，鋼中碳含量已完全超過0.77%過共析點，如何減輕過共析鋼冷卻過程中的二次碳化物析出問題，否則會影響鋼絲加工及產(chǎn)品性能，同時必須控制易偏析合金元素的均勻性，這對異常組織的控制至關(guān)重要。

橋梁纜索鋼絲的要求相對其他鍍層鋼絲，有著特殊的個性化評價方法，特別是扭轉(zhuǎn)指標(biāo)。開發(fā)的產(chǎn)品要求360°連續(xù)扭轉(zhuǎn)，最低≥12次即扭轉(zhuǎn)≥4320°，而且要連續(xù)檢驗50根全部≥12次才算通過。對成分的均勻性及組織的均勻性都提出了苛刻的要求。

二十世紀(jì)末的中國作家對于死亡這一特殊的生命現(xiàn)象有著極大的興趣。在這個群體當(dāng)中，史鐵生對死亡的感悟，無疑是非常有特色的。作為個體的人，史鐵生是孱弱的，疾病扼住了命運的咽喉；但他又是強大的，病體的不幸反而讓他既能超越恐懼直面死亡，思考死亡的本質(zhì)，又能對死亡進(jìn)行超越性的審美觀照，使生命升華至更高的境界。他是真正的勇士，向死而生，以自己殘缺的身體，勇敢地追尋生命真正的意義。

2.2.1 成分均勻性的控制

為實現(xiàn)低偏析和斷面成分均勻，進(jìn)行了高均質(zhì)大方坯連鑄技術(shù)研究工作：

(1)鋼水低過熱度澆注控制

采用大容量鋼包和中間包，加強對鋼包和中間包耐火材料的質(zhì)量控制和烘烤；鋼包永久層加砌新型多晶耐火纖維絕熱材料；鋼包加覆蓋劑及包蓋，減少熱輻射；中間包采用雙層覆蓋劑和加蓋，減少中間包散熱；采用中間包感應(yīng)加熱技術(shù)，以精確控制低過熱度澆鑄，做到過熱度控制在10-15 ℃范圍。

(2)電磁攪拌、二冷配水及拉坯最佳參數(shù)匹配控制研究

優(yōu)化結(jié)晶器澆注液位控制，調(diào)整結(jié)晶器振動頻率，減少液面的波動，避免鑄坯表面夾渣；優(yōu)化M-EMS和S-EMS電磁攪拌工藝參數(shù)，降低偏析程度；優(yōu)化二冷區(qū)氣霧噴嘴配置和水量控制，提高凝固初期的冷卻均勻性，減少冷卻盲區(qū)和冷卻重疊區(qū)，避免凝固初期不均勻冷卻造成的熱應(yīng)力；二冷弱冷配合低拉速，防止鑄坯出現(xiàn)鼓肚問題。

(3)液相穴區(qū)輕壓下控制研究

本鋼種采用高C高M(jìn)n成分設(shè)計，極易產(chǎn)生中心偏析。通過精確控制鋼水過熱度、拉坯速度、各道次壓下量及總壓下量，精確計算各道次固相率及凝固終點位置(如圖3所示)，確保輕壓下設(shè)備的穩(wěn)定性及壓下量的精確性，確保中心偏析、中心疏松質(zhì)量改善，制定出合適的連鑄輕壓下參數(shù)，坯料偏析輕微。

圖3 大方坯生產(chǎn)輕壓下示意圖

圖4 中間坯低倍組織

圖5 中心碳偏指數(shù)分析

圖6 中心C原位分析

圖7 中心Mn原位分析

如圖4-7所示，200方中間坯低倍、原位C、Mn分析結(jié)果看：坯料中心部位存在正偏析點，正偏析點周圍存在負(fù)偏析環(huán)。整個斷面碳偏指數(shù)(碳偏指數(shù)=鉆點C含量/熔煉C含量)控制范圍在0.95-1.05，碳偏析質(zhì)量達(dá)到國際先進(jìn)水平。

2.2.2 組織均勻性的控制

超高強度大橋纜索熱鍍鋼絲用熱軋盤條由于采用了高C、高M(jìn)n成分設(shè)計，材料的奧氏體溫度范圍變寬，盤條的軋制及冷卻控制難度變大。通過控制軋制及控制冷卻技術(shù)，可以提高盤條索氏體含量及改善索氏體組織形貌，避免不利于拉拔加工的網(wǎng)狀滲碳體、低溫馬氏體、先共析鐵素體組織的形成，為后續(xù)拉拔鋼絲提供優(yōu)質(zhì)的母材。

(1)盤條控制軋制技術(shù)研究

系統(tǒng)研究了合金元素對橋梁纜索用鋼動態(tài)靜態(tài)再結(jié)晶行為及其共析轉(zhuǎn)變過程的影響。研究發(fā)現(xiàn)，隨應(yīng)變溫度降低，應(yīng)變速率升高，盤條動態(tài)再結(jié)晶越難發(fā)生，熱變形奧氏體由動態(tài)再結(jié)晶逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閯討B(tài)回復(fù)；相同形變條件下，微合金化可提高盤條熱變形奧氏體穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力，增大動態(tài)再結(jié)晶臨界應(yīng)變量，抑制道次間隔時間內(nèi)的靜態(tài)再結(jié)晶。

一定形變溫度和形變速率條件下，盤條發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶時，當(dāng)形變量處于動態(tài)再結(jié)晶臨界形變量時，盤條珠光體片層間距最細(xì)?。槐P條發(fā)生動態(tài)回復(fù)時，盤條珠光體片層間距與變形量關(guān)系不大(如圖8所示)。熱變形奧氏體形變溫度越低，形變速率越高，盤條室溫組織越細(xì)??；雙道次變形過程中，形變溫度越低，道次間隔時間越短，盤條室溫組織越細(xì)小。

圖8 珠光體鋼熱變形狀態(tài)與共析轉(zhuǎn)變組織的影響

以上研究表明，在一定溫度和形變速率條件下，高碳盤條熱變形奧氏體發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶時，當(dāng)形變量處于熱變形奧氏體動態(tài)再結(jié)晶恰好開始發(fā)生時，即動態(tài)再結(jié)晶臨界形變量時，得到的盤條索氏組織形貌比較整齊，索氏體片間距較細(xì)小。通過以上控制軋制研究，為大橋纜索熱鍍鋼絲用盤條現(xiàn)場生產(chǎn)制定軋制速度、各道次軋制溫度等參數(shù)提供了依據(jù)。

(2)盤條控制冷卻技術(shù)研究

盤條通過控制軋制為后續(xù)的冷卻提供了良好的奧氏體狀態(tài)，采用熱模擬實驗機繪制了橋梁纜索用鋼CCT曲線(如圖9所示)，研究了吐絲溫度、入水溫度、出水溫度等XDWP水浴處理關(guān)鍵參數(shù)，探究了關(guān)鍵冷卻參數(shù)對橋梁纜索用鋼組織形貌、索氏體片間距及原子分布規(guī)律對盤條及拉拔鋼絲綜合性能的影響。

圖9 橋梁纜索鋼CCT曲線

根據(jù)CCT冷卻曲線制定了冷卻參數(shù)，盤條吐絲溫度確定在930±10 ℃，開始冷卻溫度為890±10 ℃，冷卻結(jié)束溫度控制在650-680 ℃，經(jīng)過XDWP水浴韌化處理，實現(xiàn)了盤條索氏體化含量≥90%，索氏體片層間距在100 nm-150 nm之間(如圖10所示)，并有效抑制了網(wǎng)狀滲碳體等異常組織的形成。盤條抗拉強度大于1480 MPa、斷面收縮率大于25%，盤條抗拉強度和斷面收縮率得到了很好的匹配。

圖10 XDWP生產(chǎn)盤條組織

3 超高強度橋梁纜索鋼絲結(jié)果及應(yīng)用3.1 熱鍍鋼絲的生產(chǎn)流程

熱鍍鋼絲的生產(chǎn)流程如下所示。

方坯→軋制→ XDWP水浴→酸洗→磷化→拉拔→熱鍍→穩(wěn)定化→鋼絲

3.2 超高強度橋梁纜索鋼絲結(jié)果及應(yīng)用[9]

滬蘇通長江大橋全長11.072 km，主航道橋為主跨1092 m鋼桁梁斜拉橋，斜拉索體系采用抗拉強度為2000 MPa級平行鋼絲拉索。斜拉索鋼絲采用全球首創(chuàng)的公稱抗拉強度2000 MPa級直徑7.0 mm的鋅鋁合金鍍層鋼絲[10]。滬蘇通長江大橋是目前世界上最大跨度公鐵兩用斜拉橋，該斜拉橋具有“一高”—主塔高達(dá)325 m，“二大”—跨度大、體積大，“三新”—結(jié)構(gòu)新、裝備新、材料新的特點。而其中2000 MPa級直徑7.0 mm鋅鋁合金鍍層鋼絲斜拉索是最關(guān)鍵的新材料，如何保證新材料的質(zhì)量穩(wěn)定性和使用可靠性至關(guān)重要。

滬蘇通大橋2000 MPa級7.0 mm鋼絲是一種綜合性能好的高強度、耐久型新型纜索材料，鋼絲技術(shù)要求如表1所示。

表1 2000 MPa級Φ7.0 mm鋼絲技術(shù)要求

經(jīng)過科研試制、投產(chǎn)鑒定、小批量生產(chǎn)等階段，對以上性能指標(biāo)綜合考核通過后進(jìn)入批量生產(chǎn)階段，鍍層鋼絲檢測包括廠家自檢、業(yè)主委托的第三方抽檢、甲方廠內(nèi)抽檢、甲方委托的第三方抽檢及纜索廠家入廠檢驗等，批量生產(chǎn)鍍層鋼絲的關(guān)鍵結(jié)果。

3.2.1 抗拉強度

橋梁纜索鋼絲的強度是設(shè)計的主要依據(jù)，包括抗拉強度和規(guī)定塑性延伸強度。抗拉強度是鋼絲的極限荷載強度，規(guī)定塑性延伸強度一般規(guī)定為殘余應(yīng)變?yōu)?.2%時的強度。計算強度的面積是包含鍍層在內(nèi)的鋼絲公稱截面積。本項目鋼絲抗拉強度達(dá)到2000 MPa級，為目前國際上已建橋梁中抗拉強度最高的斜拉橋斜拉索鋼絲。本項目批量生產(chǎn)鋼絲的抗拉強度(如圖11所示)最大值為2176 MPa，最小值為2008 MPa，平均值為2049 MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為27.99，滿足項目要求，質(zhì)量穩(wěn)定。

圖11 抗拉強度正態(tài)分布圖

3.2.2 扭轉(zhuǎn)性能

項目要求扭轉(zhuǎn)次數(shù)≥12次(100 d，d為鋼絲公稱直徑)。實物扭轉(zhuǎn)最大值(如圖12所示)為39次，最小值為12次，平均值為24次，標(biāo)準(zhǔn)差為3.418。說明批量化生產(chǎn)的鋼絲在保證高強度的同時，其韌塑性也較好。

圖12 抗扭轉(zhuǎn)性能正態(tài)分布圖

4 結(jié) 論

(1)橋梁纜索的高強化和輕量化要求，對于纜索用鋼制造提出了更高層次的要求，興澄特鋼從材料的力學(xué)性能實現(xiàn)原理出發(fā)，設(shè)計了超高強度纜索鋼的成分和組織目標(biāo)。為了實現(xiàn)目標(biāo)珠光體片層間距和位錯密度，設(shè)計了控制軋制和冷拔減面的工藝路徑，最終得到符合力學(xué)性能要求的橋梁纜索用鋼鋼絲。

(2)應(yīng)用澆注鋼水物性控制、攪拌-冷卻-輕壓下配合技術(shù)，降低鑄坯偏析指數(shù)至0.95-1.05，基于鋼種的應(yīng)變-相轉(zhuǎn)變及溫度-相變等材料基礎(chǔ)研究，優(yōu)化盤條控制軋制和冷卻工藝技術(shù)，得到成分均勻、組織均勻、力學(xué)性能良好的盤條，實現(xiàn)盤條索氏體含量≥90%，索氏體片層間距100-150 nm，抗拉強度>2000 MPa，斷面收縮率>25%。

(3)自主研發(fā)了在線水浴技術(shù)(XDWP)，替代離線鉛浴和在線鹽浴，軋后890±10℃水浴至650-680℃，綠色高效地實現(xiàn)盤條在相變區(qū)緩慢冷卻索氏體化等溫韌化處理，確保得到良好的材料組織和力學(xué)性能。

(4)通過材料、工藝設(shè)計及生產(chǎn)過程優(yōu)化控制，直徑Φ7.0 mm 2000 MPa級超高強度橋梁纜索鋼強度、抗扭轉(zhuǎn)性能穩(wěn)定達(dá)到大型橋梁建設(shè)要求，應(yīng)用于滬蘇通跨長江公鐵兩用斜拉大橋。