桥梁缆索用超高强度镀锌钢丝的研制

1、桥梁缆索用超高强度镀锌钢丝的研制 第36卷第2期 Vol136No12金属制品MetalProducts2010年4月April2010doi:10.3969/j.issn.1003-4226.2010.02.008 徐文雷,宁世伟,栾佰峰,刘礼华11213 (1.江苏法尔胜泓集团,江苏江阴214433;2.重庆大学材料科学与工程学院,重庆400044)摘要介绍国内外桥梁缆索用镀锌钢丝应用现状,提出提高镀锌钢丝强度的方法和途径,包括提高盘条强度、提高盘条拉拔压缩率及降低热镀锌强度损失等。提高盘条强度主要通过盘条索氏体化和合金化技术实现,C,Si质量分数分别控制在0.7%1.2%,0.15%1.

2、5%,Mn,Cr质量分数分别控制在1%和0.5%以下。总压缩率控制:?7mm镀锌钢丝用盘条直径为1314mm,?5mm镀锌钢丝用盘条直径为1113mm。Si和Cr质量分数分别为1.2%和0.3%时,可有效降低热镀锌强度损失。选择?12.5mm高碳高硅盘条,试制出直径约5mm的超高强度桥梁缆索用镀锌钢丝,抗拉强度近2000MPa,钢丝扭转值达到20次以上。 关键词桥梁缆索;超高强度镀锌钢丝;合金化;索氏体化;总压缩率 中图分类号TG356.4+5 Developmentofultra2highstrengthgawcable XUShiei2feng,LIULi2hua Co.,Ltd.,Jia

3、ngyin214433,China;1121 CollegeofChongqingUniversity,Chongqing400044,China) AbstractTointroduceapplicationsituationofgalvanizedsteelwireforbridgecabledomesticandabroad.Themethodandwaytoraisegalvanizedsteelwirestrengthareputforth,includeraisingwirerodstrength,raisingwireroddrawingdraughtanddecreasings

4、trengthlossashotdipping.Raisingwirerodstrengthisrealizedmainlybywirerodsorbitetreatingandal2loying:tocontrolCandSimassfractionat0.7%1.2%and0.15%1.5%respectively,tocontrolMnandCrmassfractionbelow1%and0.5%respectively.Totaldraughtiscontrolled:usingdiameter1314mmwirerodfordiameter7mmgalvanizedsteelwire

5、,usingdiameter1113mmwirerodfordiameter5mmgalvanizedsteelwire.ThehotdippingstrengthlosscanbedecreasedeffectivelyasSiandCrmassfractionis1.2%and0.3%respectively.Selectingdiameter12.5mmhighcarbonhighsiliconwirerod,diameterabout5mmultra2highstrengthgalvanizedsteelwireforbridgecablewastrial2produced,whose

6、tensilestrengthisabout2000MPa,thetorsionnumbersreachabove20. Keywordscableforbridge;ultra2highstrengthgalvanizedsteelwire;alloying;sorbitetreating;totaldraught 随着大跨度桥梁首选桥型斜拉桥、悬索桥 等索承式桥梁的发展,对桥梁缆索用关键原材 料镀锌钢丝提出了更高的性能要求,研究新一 代超高强度桥梁缆索用镀锌钢丝以节约材料用量, 降低生产成本,适应特大跨度桥梁建设需要,已成为 人们关注的重点之一。 1国内外桥梁缆索用镀锌钢丝应用 20世纪8

7、0年代前,国内外使用的桥梁缆索用代后期至今,随着镀锌钢丝生产技术的发展,1670MPa钢丝已成为桥梁缆索用镀锌钢丝的主流产品,最新的GB/T171012008桥梁缆索用镀锌钢1丝中已取消1570MPa级镀锌钢丝。随着桥梁跨度的增加,所使用的镀锌钢丝强度也在增加。1998年建成的全球最大跨度悬索桥日本明石海峡大桥(主跨1991m)首次采用1770MPa级?52mm系列镀锌钢丝;2008年建成的世界最大斜拉桥苏通大桥(主跨1088m)首次采用国产盘条、国内 生产的1770MPa级?7mm镀锌钢丝3镀锌钢丝强度级别主要为1570MPa。20世纪80年,昭示我国 3国家科技支撑计划资助项目,编号:20

8、07BAE15B01 。 ?2 8?金属制品第36卷在桥梁缆索用镀锌钢丝研究及产业化方面已走在世界前列 。随着桥梁跨度增加到2000m以上,如意大利墨西拿大桥,其主跨达到3300m,有必要研制1860MPa及2000MPa级超高强度镀锌钢丝2提高桥梁缆索用镀锌钢丝强度的方法 2.1提高盘条强度4-5。 提高盘条强度是提高镀锌钢丝强度的基础,主要通过盘条索氏体化和合金化技术实现。 2.1.1索氏体化处理(patenting)强化 盘条中索氏体含量、索氏体片间距等直接关系到盘条的强度及成品钢丝的力学性能,盘条索氏体 6 化的主要方法有以下几种(图1)。 图1索氏体转变示意图 Fig.1Schema

9、ticofsorbitetransition (1)DP(DirectPatenting)工艺。这种方法是在盘条热轧后,利用自身余热通过Stelmor冷却(强制风冷),实现盘条索氏体化的目的,国内外大多数高碳钢盘条生产企业均采用此工艺。其优点是利用余热进行热处理,和LP相比,无需重新加热奥氏体化,但缺点是空冷能力低,导致索氏体含量低、索氏体片间距较LP和DLP盘条大,如图2所示。DP盘条抗拉强度低于LP和DLP盘条100150MPa,面缩率也低于LP和DLP盘条(图3),且易在盘条中形成马氏体、贝氏体等异常组织而影响盘条性能(图4),需对盘条中化学成分偏析及控轧控冷工艺进行控制,避免这些异常组

10、织的出现。 (2)LP(LeadPatenting)工艺。这种方法是将盘条重新加热奥氏体化,再浸入500600熔融铅液槽中实现索氏体化转变。由于铅比热大、冷却能力 )(图1),强,相变基本在恒温下进行(俗称“铅淬火” 使得索氏体片间距小且均匀,不易出现马氏体及贝氏体组织,其力学性能也优于DP盘条。但由于重新加热,能源消耗比DP及DLP高,且存在铅污染。 (3)DLP(Directin2LinePatenting)工艺。 DLP 第2期徐文雷,等: ?2 9? 控制在0.15%1.5%。 (3)Mn元素。Mn是一种有效的脱氧剂,同时可以提高盘条的加工硬化率,Mn和钢中的杂质S形成MnS,可有效防

11、止热脆。但Mn易偏析,能导致钢中形成马氏体或贝氏体组织,因此Mn质量分数一般低于1%。 (4)Cr元素。Cr元素是强碳化物形成元素,能够置换渗碳体内的铁原子而形成合金渗碳体(Fe,Cr)3C,此外,Cr元素可降低索氏体片间距,提高盘条强度及加工硬化率。但过高的Cr含量,会导致索氏体化转变时间延长,在DP工艺冷却时,易形成马氏体或贝氏体等异常组织,降低盘条性能,因此Cr质量分数一般控制在0.5%以下。 (5)V元素。V元素和C,N等元素能形成细小的碳氮化物颗粒,。但V,使2.提高盘条总压缩率 工艺是日本新日铁公司发明的盘条在线索氏体化的 方法,温索氏体化转变(图5,热奥氏体化,(图1),因此,其

12、力学性能和LP盘条相当,优于DP盘条。但在水洗过程中,钢丝表面残留的盐会污染水,需进行废水处理。 上述索氏体化热处理方法各有特点,开发新型节能、环保型索氏体化热处理工艺应引起盘条生产厂家的关注。2.1.2合金化处理 通过提高盘条总压缩率可以提高钢丝强度,但 过大的总压缩率会导致钢丝塑韧性下降,而且在钢丝直径一定的条件下,盘条尺寸也要有相应提高,给盘条生产带来一系列问题,如盘条直径加粗可能导致冷却介质冷却能力不够,致使盘条中出现异常组织而降低盘条力学性能和拉拔性能,因此,盘条压缩率应控制在合理的水平。根据桥梁缆索钢丝生产实践,?7mm系列镀锌钢丝用盘条直径在1314mm,?5mm系列镀锌钢丝用盘

13、条直径在1113mm。2.3降低钢丝热镀锌中的强度损失 为进一步提高盘条的强度,可以通过添加C,Si,Mn,Cr和V等合金化元素来实现 7 。 (1)C元素。C元素是提高盘条强度的有效元 素。但随着含碳量的增加,会导致盘条的塑、韧性下降。此外,含碳量增加,导致化学成分偏离钢共析点过多,对于桥梁缆索用高碳钢盘条这类过共析钢来 说,冷却过程中易在奥氏体晶界部位形成网状渗碳体,降低盘条的性能,必须将含碳量控制在一个合理的范围内,一般其质量分数为0.7%1.2%。 (2)Si元素。Si是炼钢过程中有效的脱氧剂,还是一种非碳化物形成元素,主要固溶于铁素体,达到固溶强化的作用。Si含量的提高会降低钢丝热镀

14、锌过程中的强度损失,达到提高钢丝强度的目的。但Si含量过高,会导致钢中出现过多的先共析铁素体,降低钢丝的拉拔性能,过高的Si含量,还会导致盘条氧化皮清理较为困难,因此,Si质量分数一般 热镀锌是桥梁缆索钢丝的一个关键工序,镀锌工艺除需满足桥梁缆索对镀锌层的要求外,还要抑制镀锌过程中的钢丝强度损失。文献8介绍,Si和Cr质量分数分别为1.2%和0.3%时,可以有效地降低热镀锌过程中的强度变化,如图6所示。3超高强度桥梁缆索用镀锌钢丝研制 根据分析,在研制超高强度桥梁缆索用镀锌钢丝时,原材料选择?12.5mm高碳高硅盘条,其化学成分和力学性能见表1,显微组织如图7所示,未见马氏体、贝氏体、网状渗碳

15、体等异常组织,索氏体片间距约120nm。 试生产工艺流程:盘条表面处理拉拔热镀锌稳定化处理检验包装入库。按此工艺流程分别试制出?5.35mm和?5.0mm镀锌钢丝,然 ?30? 金属制品第36 卷 光面钢丝抗拉强度/MPa图6热镀锌过程中的抗拉强度变化 Fig.6Tensilestrengthlossinhot dippinggalvanizing 表1盘条化学成分及力学性能 Table1Chemicalcompositionandmechanical propertiesofwirerod 元素质量分数/% C Si /MPa1380 率/% 42 后按GB/T171012008分别测试钢丝

16、的抗拉强度、 延伸率、扭转、弯曲及锌层面质量,结果见表2。 由表2可知,成品镀锌钢丝抗拉强度接近2000 0.880.920.720.0060.004 表2钢丝力学性能及锌层面质量 Table2Mechanicalpropertiesandzinccoatingmass 名称 直径/ mm5.324.945.415.045.395.02 抗拉强度/ MPa201821131941198219551997 屈服强度/ MPa 延伸率/ %4.54.06.05.5 扭转/次 272822252425 弯曲/次 锌层面质量/ (g?m-2) 光面钢丝 镀锌钢丝 386398 88 395400 成品

17、钢丝 19001950 4.56.0 MPa,比明石海峡大桥所用的1770MPa镀锌钢丝提(3)通过Si,Cr合金化可以降低热镀锌过程中 高近200MPa,而且钢丝扭转值达到20次以上,其 余指标均满足GB /T171012008对其他强度级别钢丝性能要求。4结论 (1)通过合适的索氏体化及合金化工艺提高盘 的强度损失。 (4)选用高碳高硅盘条经合适的生产工艺,可试制出抗拉强度近2000MPa,?5mm系列的超高强度桥梁缆索用镀锌钢丝。 参考文献 1江阴华新钢缆,上海申佳金属制品有限公 条强度是制备超高强度桥梁缆索用镀锌钢丝的基础。 (2)提高盘条总压缩率可以提高镀锌钢丝强度,但应控制在一定范

18、围内,以免恶化钢丝韧性指标。 司,冶金工业信息标准研究院,等.GB/T171012008桥梁缆索用镀锌钢丝S.北京:中国标准出版社, 2008. ?31? 2ToshimiTarui,NaokiMatuyama,TatsuyaEguchi,etal. HighStrengthGalvanizedSteelWireforBridgeCablesJ. StructuralEngineeringInternational,2002(3):209-213. 3桑春明,周代义,白柄东.苏通大桥斜拉索用镀锌钢 ductionofsame:US,US2006/0137776AlP.2006-06-29. 8

19、ToshimiTarui,NaokiMaruyama,JunTakahashi.Effect ofSiliconontheAgeSofteningofHighCarbonSteelWireJ.Iron&Steelmaker,1994(9):25-30. (收稿日期:2009-11-24) 丝生产J.金属制品,2008(2):11-15. 4ToshimiTarui,AtsuhikoYoshie.WireRodfor2000MPa galvanizedWireand2300MPaPCStrandJ.NipponSteelTechnicalReports,1999(7):44-49. 5张

20、伟君,孙金茂.提高桥梁缆索用镀锌钢丝强度途径 作者简介 徐文雷1971年生,工学博士,江苏法尔胜泓集团有限公 司江苏法尔胜新日制铁缆索工程师。 宁世伟1948年生,研究员,江苏法尔胜泓集团 江苏法尔胜新日制铁缆索总工程师。 栾佰峰1973年生,博士生导师,重庆大学材料科学与工程 学院教授。 刘礼华1965年生,教授级高级工程师,博士生导师,江苏 法尔胜泓集团副总裁,江苏法尔胜股份董事长。 的探讨J.金属制品,2005(3):1-3. 6HiroshiOhba,SeikiNishida,ToshimiTarui.High2Per2 formanceWireRodsProducedwithDLPJ

21、.NipponSteelTechnicalReports,2007(7):50-56. 7YamasakiS,YamadaW,KomiyaN.Highstrength,high toughness,highcarbonsteelwirerodandmethodofpro2 (上接) 3.2.1股的弹性恢复率 股的弹性恢复率M:是M=D/D为MD/ D为1.0051.,D为孔型直径。弹性恢复率的影响因素较多,具体数据可通过试验测定。3.2.2股弹性恢复率的测定 压实股弹性恢复率的测定方法是由其生产方法决定的。 (1)模拉法。模拉法生产的压实股的弹性恢复率直接由M=D/D计算出,其中D为模拉后的股径;D为模具定径带直径。 (2)辊拉法和轧制法。