马海宽，焦 悦，李培力，隋 健，寇永乐，任明杰

(1.中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安 710032；2.金属挤压与锻压国家重点实验室，陕西 西安 710032)

0 引言

随着科技的快速发展，冶金技术日新月异，钢铁材料发生了极大的变化，世界范围内桥梁缆索用线材的生产技术突飞猛进，特别是线材索氏体化处理技术使得线材的强度和韧性得到了大幅提升，获得了良好的综合机械性能[1]。同时，高碳钢冶炼技术不断改进，线材的后加工技术发展愈加成熟和完善，使得钢丝承重能力越来越强，保证了以缆索为承重主体的悬索桥和斜拉桥的安全。21世纪初期，世界范围内建设的大跨度悬索桥主缆采用的热镀锌钢丝的抗拉强度基本不低于1 670 MPa，部分技术强国建设的大型桥梁甚至开始采用1 770 MPa级热镀锌钢丝作为桥梁缆索的主缆。我国也大范围采用1 770 MPa级热镀锌钢丝作为主缆索股，典型业绩有武汉鹦鹉州长江大桥、马鞍山公路长江大桥、舟山西堠门桥梁等。2018年，湖北武汉市的杨泗港大桥采用Φ6.2 mm、1 960 MPa级的热镀锌铝钢丝作为主缆索股[2]；广东省的虎门二桥(公路悬索桥)的主缆索股采用Φ5.0 mm、1 960 MPa级的热镀锌铝钢丝。当前，我国对2 000 MPa级桥梁缆索用钢丝进行了科技攻关，并取得了科技突破，如2020年7月1日通车的沪苏通大桥采用了我国自主研发的Φ7.0 mm、2 000 MPa级的热镀锌钢丝作为斜拉索[3]，同时, 正在建设的深中通道伶仃洋大桥将会使用2 060 MPa级的热镀锌钢丝作为主缆。

1 技术难点

为了满足更大跨度、更轻量化的桥梁设计要求，研究开发2 160 MPa级桥梁缆索用线材已成为钢铁生产企业面临的新挑战。超高强度桥梁缆索用线材的核心技术难点是：

(1) 线材冷态拉伸变形量有限。 成品钢丝直径通常在5 mm～7 mm范围内，现有成熟的线材生产技术及装备，若使高碳热轧线材具有良好拉拔性能，其直径一般不超过14 mm，由于线材的冷拉拔总压缩率一般情况下不会超过85%，通过增大冷拉拔形变量来提高强度的方式难以实现。因此，提高线材的自身强度成为获得高强度钢丝的唯一途径，其方式主要有以下3 种：①适当提高线材的碳含量，减少冶金制造难度，提高钢丝的起始强度；②添加合金元素，主要包括硅、铬、钒等；③对线材进行热处理，使线材的组织更加均匀，提升线材的索氏体化率。

(2) 在线材具备高强度的同时其还应具有良好的扭转性能[4]。

2 研发方向

如前所述，为了制取2 160 MPa级桥梁缆索用线材，需在以下方面进行深入研究：

(1) 适量提高碳含量，提高线材的自身强度。

(2) 提高硅质量分数，既能提高原始线材的强度，还可以避免钢丝在进行热镀锌铝工艺时强度的降低。

(3) 严格控制线材中的铬含量，使其质量分数不超过0.30%，目的是保证热镀锌铝后钢丝的扭转性能。铬能够起到细化层片提高线材强度的作用，但过量的铬会提高钢丝组织的热稳定性，导致其扭转性能差[5]。

(4) 对线材进行合适的热处理，提高其强度和韧性。

3 研发过程

结合多年的前期研究，中国重型机械研究院股份公司团队在SWRS82B线材成分的基础上，对其主要成分进行优化设计，得到SWRS92Si线材，其主要成分如表1所示。

表1 SWRS92Si线材的主要化学成分(质量分数) %

SWRS92Si相比其他常用线材，C、Si的质量分数得到了提高，铬质量分数控制在0.30%以下，其强度和扭转性能得到提高，但还是难以满足2 160 MPa级桥梁缆索用线材的要求。因此，需要对线材进行热处理，进而进一步提高其强度和韧性。传统生产工艺是对吐丝机生产的热轧线材进行风冷冷却，在冷却过程中不但要控制线材内部产生共析渗碳体，还要杜绝马氏体组织的产生。但由于风冷自身的特性，难以保证做到均匀、可控，线材在进入珠光体相变区域内后无法做到恒温，导致得到的珠光体组织层片厚度不均匀，尺寸较为粗大，珠光体层片较宽，且宽度分布不均匀[6]，SWRS92Si线材风冷的组织形貌如图1所示，其强度最高约为1 280 MPa，制取的钢铁难以达到2 160 MPa级，因此，采用常规成熟的风冷技术行不通。

图1 SWRS92Si线材风冷的组织形貌

线材铅浴冷却工艺是：首先将线材加热奥氏体化，然后将奥氏体化的线材快速放到450 ℃～550 ℃的铅液中冷却处理，由于铅的自身特性，线材会迅速冷却到550 ℃以下，并在熔融状态的铅液中发生相变，最终获得索氏体组织[7]。经过试验发现，由于冷却介质铅液的温度和索氏体相变转换温度基本一致，线材的冷却效果较好，SWRS92Si线材铅浴热处理后的组织形貌如图2所示，其珠光体团尺寸明显减小，且珠光体层片显著细化，线材索氏体化率可大于95%，强度也可提高到1 400 MPa。但是，由于实际生产过程中铅液有毒对人体有害，还特别容易挥发，严重影响工人的健康；且废铅液对环境污染严重，不能在实际生产中被广泛应用[8]。

图2 SWRS92Si线材铅浴热处理后的组织形貌

因此，对SWRS92Si线材采用盐浴热处理工艺进行强度和韧性提升。经过试验，SWRS92Si线材通过盐浴热处理后珠光体团尺寸较小，SWRS92Si线材盐浴热处理后的组织形貌如图3所示，珠光体层片更加细化，片层更加均匀，索氏体化率可达95%～98%以上；线材强度可达1 500 MPa以上，性能波动小，跟铅浴基本一致；在生产过程中熔盐介质稳定安全，节能绿色环保，可广泛应用于实际生产中。

图3 SWRS92Si线材盐浴热处理后的组织形貌

将盐浴热处理后的SWRS92Si线材进行拉丝和热镀锌，其强度进一步提升，经过测试，钢丝的抗拉强度普遍在2 168 MPa以上，平均断后伸长率为5.4%，扭转圈数在14～28之间，满足2 160 MPa级桥梁缆索用镀锌钢丝的要求。

4 核心装备研发

中国重型机械研究院股份公司针对国内外线材热处理装备的技术现状，结合自身在高端装备领域的优势，近年来集中科研力量对线材盐浴装备进行了深入研究，凭借多年热处理装备的技术和经验的积累，提出了线材在线盐浴热处理装备与工艺技术方案，其充分利用线材自身热量，将轧制的线材直接进行盐浴热处理，热处理完成后可直接进行包装，省去了线材二次加热再索氏体化的弊端。该装备具有生产效率高、自动化程度高、节能减排、绿色环保等特点。我公司研发生产的超高强度桥梁用线材SWRS92Si如图4所示。

图4 超高强度桥梁用线材SWRS92Si实物

5 结语

随着跨海工程、跨江工程的深入推进，超大跨度、轻量化的桥梁成为未来发展方向,这也对桥梁缆索用钢丝的性能提出了更高的要求。未来桥梁缆索用超高强度钢丝的发展必将朝着超高强度、窄的强度波动范围以及高的扭转性能、抗疲劳性能、耐腐蚀性能、抗氢致延迟断裂性能、抗层状撕裂性能发展。

中国重型机械研究院股份公司研发团队在SWRS82B线材的基础上，研发出了SWRS92Si线材，经过盐浴热处理后其强度超过1 500 MPa，再经过拉丝和热镀锌，钢丝抗拉强度达到了2 168 MPa及以上，整体性能优于现有线材，该方案和技术可大力推广到实际进行广泛应用，对提升我国现有线材的整体制造水平具有重大意义。