工作文档新日铁缆索标准

1、解读新日铁桥梁缆索用高强度镀锌钢丝按语：线材制品的生产工艺技术，各国都作为制造企业的“Know-how”，不予公开。中国由于历史原因，这类知识产权在近期才逐步被重视。日本是非常关注这类技术的国家，除非为商务原因，一般工艺技术不予发布。原文为介绍新日铁的桥梁缆索用高强度镀锌钢丝，寻求用户信任而推出的一篇文章。其主要内容，正如“摘要”所述：“为防止钢丝扭转裂纹，提高索氏体化盘条强度比增加拉拔的总变形量更为有效。硅和铬两种可提高索氏体化盘条强度和减少镀锌过程中强度损失。基于这些发现，高强度镀锌钢丝得以成功研制”。其中也叙述了一些工艺技术。作为商务宣传，当然一般只讲长处，回避不足，本公司谨以解读形式，

2、提出我们的看法，供我国同仁和桥梁建设者参考。原文可从国际桥梁和工程结构联合会(IABSE)的杂志（Structural,Engineerign,lnternatioal,3/2002）检索。本文按原文顺序，摘录有关内容，随后解读有关条款，图表都按原文译制，谨此说明。原文强化途径（Methods,for,strengthening）本文介绍提高桥梁缆索用镀锌钢丝强度的方法，叙述直径为5mm，强度1960MPa和直径7mm，强度1770MPa镀锌钢丝的力学性能。钢丝生产过程包括盘条热处理（对高碳钢盘条加热或奥氏体化，立即浸于500600铅池或盐池中急冷）或索氏体化、冷拔和450镀锌。强化途径可用如

3、下之一：-提高索氏体化盘条的强度：-增加钢丝冷拔的总变形量-增加钢丝冷拔期间的加工硬化率-降低镀锌过程的强度损失选择不同措施以最大限度减少韧性损失很重要。虽然平行钢丝缆索中钢丝并不扭曲，多年来，因为方便易行，常以扭转实验测试钢丝韧性，并且该试验在BS(英国)、DIN(德国)、JIS（日本）标准中都有规定。图1是索氏体化盘条与出现裂纹时冷拉钢丝强度的关系。这也表明，提高索氏体化盘条强度在提高钢丝强度同时，防止裂纹产生，比提高冷拉总压缩率有效。提高索氏体盘条强度的机理主要有：-改善珠光片状间距：提高C（碳）含量、添加Cr（铬）。-片状铁素体的固溶硬化和沉淀硬化：添加Si（硅）和V（钒）-提高渗碳体

4、的百分含量：增加C（碳）的含量。,.1.,索氏体化盘条强度（MPa）,镀锌钢丝强度（MPa）图1：索氏体化盘条强度对裂纹的影响,图3：直径为5mm和7mm镀锌钢丝,强度与疲劳应力的关系解读1冷拉钢丝的塑性指标和韧性指标：冷拉钢丝的塑性和韧性指标是两类不同性质的参数。塑性指标与其他钢材一样，用伸长率或断面收缩率来表示，在法国标准中，除伸长率有明确指标3.5%（标距100mm）外，对断面收缩率，仅定性观察塑性断口（具有明显缩颈），在有争议时才考核25%。我国以考核最严格的标距为250mm的断后伸长率4%。能做到该指标的钢丝断口，必定是塑性断口。日本明石大桥企业标准也仅有标距为250mm的伸长率4.

5、0%的要求，但其最大载荷伸长还是断后伸长未加明确。原文也有断面收缩率的相应研制参数。冷拉钢丝的韧性指标，一般都以反复弯曲，缠绕和扭转三个指标来衡量，随钢丝的实际受力状态作适当选择。鉴于桥梁索用钢丝本身不受扭曲，法国NFA35035，中国GB/T17101，建设部标准CJ3077-1998建设缆索用钢丝，CJ3508-1986塑料护套平行钢丝拉索，都选择反复弯曲和缠绕两个指标。至于日本企标中不作“应力松弛”考核，而追求“扭转”之间的关系，将另行分析。2盘条强度与出现(,扭转),裂纹时冷拉钢丝强度的关系原文图1表明了“提高索氏体化盘条的强度，在提高钢丝强度同时，防止裂纹产生，比提高冷拉总压缩率有效

6、”。但是，与钢丝纤维组织有关的韧性指标，随着变形程度的提高基本呈抛物线的变化，对高碳钢丝而言，扭转次数的峰值约在80%总压缩率范围（随生产条件不同而有一定差异）。因而过低的总压缩率反而会导致扭转裂纹提前出现。并且图1与桥梁缆索镀锌钢丝制造实践不符。该图纵座标为钢丝强度，“O”点为2200MPa，若以SWS82B13mm，抗拉强度为1100MPa盘条，拉拔到4.9mm镀锌前光面钢丝，其总压缩率为85.8%，抗拉强度约为2000MPa。在图1座标上已“无地自容”了。而该图的最高强度为2800MPa，并由盘条直接拉拔，与本钢丝制造实践相差甚远。3索氏体化盘条强化途径3.1,Patent的含义自铅淬火

7、取得的金相组织成为最佳冷拉组织以后，该专利(Patent)也就作为钢丝制造业的铅淬火代名词。世界能源危机和熔铅高温污染，使盘条制造业利用盘条轧制成形后的余热对冷却后取得相当铅淬火组织作了大量研究和实践。这种高碳钢的最佳冷拉组织是细化珠光体，亦称索氏体（Sorbite）。由于钢奥氏体冷却转变的CCT曲线在珠光体转变时有较宽的区.2.域，按其片层组织的粗细，分为珠光体（Pearlite）、索氏体（Sorbite）和屈氏体（troostite）。日本盘条制造业在这方面做了大量细致的工作。因而Patent已作为索氏体化的代名词。所有高碳钢盘条的控制冷却，都是围绕取得良好的索氏体组织为目的，从而为钢丝制

8、造业直接拉拔作了显微组织的准备。3.2,盘条的强化途径国际盘条制造普遍采用热处理强化和微合金强化两个途径，有时往往两者结合进行。国际上约有90%以上盘条生产线采用斯太尔摩冷却法，也称DP（Driect,patenting）。为提高冷却效果,往往和微合金强化结合进行,日本神户制钢的KKP盘条(Kobe-Kakogawa-patenting)就是一个典范。日本新日铁开发的盐浴等温淬火索氏体化盘条(DLP),把非合金化盘条的强度取得与铅淬火接近的水平。微合金强化是在各国纳标的较高含锰量高碳钢中，添加cr:(0.10.3%)V:(0.040.08)，锰含量多数控制在0.600.90%，以减少锰的晶粒长

9、大和表面脱碳的负面影响。硅的含量高达(0.901.20%)，已超过“微合金化”范畴，仅见于原文。3.3,钢中的硅任何合金化元素添加，对钢的性能都有其有利和不利的两重性，硅也一样。硅是非碳化物形成元素，主要溶于铁素体而形成合金铁素体达到强化目的。但硅的石墨化(gvaphitization)倾向较大，促进渗碳体形成石墨碳而使钢的韧塑性和抗疲劳性能下降。因此作为强化高碳钢的添加元素极少应用。合金化概论普遍认为，当Si的含量超过0.6%时，其冲击韧性就有下降趋势（见图解1）。因而含硅钢多数用于低碳合金结构钢和中碳合金弹簧钢。就合金弹簧钢而言，美、英、法、德、日和ISO，其最高含碳量为0.550.65%

10、，相当于中国60Si2MnA和日本JIS,G4801Spring,steelSUP7。该文所述新钢种（C：0.82-0.88%，Si:0.9-1.20%，见表1），由于无法归类，因而也无法纳标。笔者认为，该类高硅、高碳钢必须有石墨碳的测定数据，钢丝也必须补充石墨碳含量考核的指标。这也是含硅弹簧钢考核的常规条件，参见GB5218-85硅锰弹簧钢丝。(HB)P,Si,MnMo,V,Ni,W,Cr240,Ak(J)NiCrMn,Mo,W,220,280200,240,180,200,C160,160140,120120,80100,40,80,Si,0,2,4,6,8,10,12,14,16,18,

11、20,22,0,1,2,3,4,5,6,7溶于铁素体中的合金元素（%）,溶于铁素体中的合金元素（%）,（a）,(b)图解-1,合金元素对铁素体性能的影响（退火状态）（a）对硬度的影响；（b）对韧性的影响原文镀锌钢丝（Galvanized,Steel,wires）.3.生产条件（Manufacturing,Conditions）基于上述方法，获得的5mm强度级别1960MPa和7mm，强度级别1770MPa镀锌钢丝的化学成分见表1。为便于比较，明石大桥所用5mm、强度级别1770MPa钢丝与传统钢丝一并列入表1。新钢种在氧气顶吹转炉中冶炼、热轧成直径12mm-13mm的盘条，盘条经索氏体化冷拔成

12、钢丝，之后镀锌。索氏体化后盘条的抗拉强度为1450MP。这就意味着，与5mm、1770MPa钢丝用盘条相比，获得了125MPa的强度增加值。12mm盘条经冷拔成4.9mm钢丝、镀锌之后则为5mm、13mm盘条以冷拔成6.9mm钢丝、镀锌之后则为7mm。表1：,盘条化学成分（质量百分比）强度级别CSiMnCr解读工程实例5mm、1960MPa与7mm、1770MPa0.881.200.500.30待开拓5mm、1770MPa0.820.900.75-明石桥一根主缆5mm、1570MPa0.780.250.75-传统桥梁解读,4桥梁缆索镀锌钢丝生产流程比较日本：不分斜拉索和悬索桥都采用同样的工艺流

13、程盘条（索氏体化）冷拉热镀锌检测12mm总压缩率83.3%,4.9mm,5.0mm检测13mm总压缩率71.8%,6.9mm,7.0mm检测原文中“盘条”和“索氏体化”，多次分开叙述。盘条热轧后控制冷却以取得索氏体化组织为目的，是盘条制造的工序之一。新日铁的DLP冷却也是如此。是否盘条制造后，再经过“索氏体化”工序？,国际上其他国家都已省略，就新日铁而言，也失去了DLP的意义，本文以刮号形式予以保留。本文也把新日铁钢丝拉拔的总压缩率予以标出，如果71.8%和83.3%都标为合适的总压缩率，那么所有钢丝制造企业，都不会超过85%。因为盘条制造规格系列中最细的为差值0.5mm，而钢丝规格差值细到0

14、.05mm，盘条拉制钢丝的总压缩率只能由二种规格的差值来决定。即使用14mm盘条拉拔到6.9mm钢丝，其总压缩率才75.3%。欧洲：斜拉索和悬索桥主缆钢丝采用不同的工艺流程-按钢丝实样和考察分析、斜拉索（上海南浦大桥、杨浦大桥）和悬索桥（虎门大桥，江阴长江大桥）采用的工艺流程为：斜拉索（7.0mm低松弛）索氏体化盘条冷拉热镀锌稳定化处理检测悬索桥主缆（5.0mm，非低松弛）索氏体化盘条冷拉热镀锌检测-按法国NFA35-035标准规定，5.0，6.0，7.0镀锌钢丝全部都需作“低松弛”考核，即全部要在镀锌后进行“稳定化处理”。中国：斜拉索钢丝(7.0mm)，采用欧州和美国（PTI）推介的工艺。悬

15、索桥主缆钢丝(5mm系列)，采用中国自主知识产权（规圆处理）的工艺流程。斜拉索：索氏体化盘条冷拉热镀锌稳定化处理检测悬索桥主缆：索氏体化盘条冷拉热镀锌规圆处理检测.4.美国PTI推介认为：经过稳定化处理的低松弛钢丝，具有良好的直线性，有利于缆索制作。并承受接近破断力的载荷，具有可信赖的抗拉强度。中国的“规圆处理”，适应中国普遍采用PWS法编索的需要，具有低松弛钢丝的直线性（相当于自由圈径8m的，每米弧长矢高小于30mm）和良好的韧、塑性指标。表1增加的“解读工程实例”是笔者添加在尾部的，其中明石大桥另一根主缆是由日本神户制钢提供的，盘条的化学成分相当于SWRS87B添加Cr.V的KKP-S。原

16、文(镀锌钢丝的)力学性能(Mechanical,properties)研制钢丝的力学性能见表2。此外，还调查了这种钢丝的疲劳、低温拉伸，缺口拉伸，蠕变和延迟裂纹性能。表：,5mm、1960MPa与7mm、1770MPa钢丝的力学性能及镀锌性能特性mm、1960MPa7mm、1770MPa抗拉强度(MPa)20501833屈服强度（pa）17711619断面收缩率（）3642伸长率（）6.37.1扭转试验(转)2423缠绕试验良好良好镀锌量（g/m2）330360疲劳试验的最小载荷应力，随钢丝强度的提高而增加，分别为1570MPa490MPa、1770MPa552MPa，1960MPa-604M

17、Pa，图3表示两种钢丝抗拉强度与疲劳应力（一千万次加载）的关系。可见新钢丝的疲劳应力高于通常所用的钢丝。缺口钢丝尺寸见图4。5mm圆钢丝与缺口钢丝的低温拉伸和缺口拉伸见图5，展现了优越的低温拉伸和缺口拉伸强度。蠕变和延迟裂纹性能都等于或超过常用钢丝。,温度（）图4：缺口试样形状,图5：镀锌钢丝在低温和缺口,条件下抗拉强度,.5.解读5钢丝的力学性能统计方法任何数理统计，都有一个采集数据的个数和偏差范围两个基本数据，表1的盘条化学成份，可以解释为只用了一个冶炼炉号，即使如此，也应采集多个数据和显现真实的偏差范围。表2的钢丝力学性能更应如此，任何研制钢丝的数据采集都是大量的，而从中挑选最优的数据作

18、为商务宣传，从科学角度反而暴露其真实性缺乏公允。以扭转试验为例，7mm的总压缩率低于5mm，而扭转次数总压缩率高的(5mm)却高于总压缩率低的(7mm)钢丝，与原文对“总压缩率”的宣传相悖。其它力学性能的统计，还应交待试验方法，依据（或规范）,以表示其可比性。6脉动拉伸疲劳试验原文发表之前，法国NF,A35-035和美国PTI斜拉索设计、试验和安装规范对脉动拉伸疲劳试验已有明确试验规范，我国也早已应用的是：最大载荷力、最小载荷力，其差值为载荷范围（载荷幅，用2,F表示），试验周次是二百万次。拉索用钢丝：最大载荷应力为0.45b，最小载荷应力为：0.45b，承受二百万次而不断裂。（其中S表示钢丝

19、的公称载面积，2,F/S即为应力幅）。法国应力幅为300MPa，PTI推荐应力幅282297MPa，我国为360MPa。因而所谓“新钢丝的疲劳应力高于通常所用钢丝”的概念是含糊的。这与日本桥梁用缆索钢丝此前没有要求疲劳试验的条款有关，因而“一千万次加载”实际上只是5倍于“二百万次”的美丽数字而言，并不表示其优劣。7缺口试样的拉伸试验要把5mm镀锌钢丝，按日本JIS2201金属材料抗拉试样，不经机械校直（会影响抗拉强度），包括夹持部分在内至少150mm长的钢丝、精确制造图的钢丝，确非容易的事情，这里涉及到缺口钢丝的断面计算。图就出现了不相协调的数据。7.1,缺口钢丝在正常检测温度时（一般为20&

20、#177;2），缺口钢丝的抗拉强度高于无缺口的圆钢丝300MPa以上，扣除镀锌层所占圆钢丝0.1mm直径的影响为4%。如果钢丝性能均匀的话，这是一组难以解释的数据。从1570MPa提高到1770MPa才增加200MPa，制成缺口钢丝能有如此增幅，倒是可利用的发现。7.2,钢丝的低温拉伸试验，圆钢丝遵循通常规律，随温度下降强度提高，塑性下降。而缺口钢丝抗拉强度基本不变，塑性指标尽管没有统计，但随着强度级别的提高，缺口钢丝与圆钢丝的差值减少，只能说明高强度钢丝对温度比低强度钢丝较为敏感。7.3,所有试验用圆钢丝的抗拉强度都比公称强度级别高出200MPa，相当于高出二个级别（一般100MPa为一级，

21、法国、中国均如此）。即使按日本“本州四国连络桥企标”其一个级别差为20,kf/mm2(相当于200MPa)。除强度允许偏差过大以外，从另一侧面可以说明，即使用1570MPa的原料(SWRS,77B)，用同一规格盘条，同样可以做到1800MPa的话，那也没有必要开发高硅（0.9%Si）新钢种，为保险起见，仅提高含碳量的SWRS82B就有充分的保证。宝钢开发的专用盘条，实践也是这样做的。7.0mm的1770MPa钢丝再提高到SWRS87B含碳量，添加微量Cr。以避免高硅带来的石墨碳析出风险，从理论和实践有效性都已证实。把1960MPa.6.级别提高到图5的2200MPa是没有好处的，也是没有必要的

22、。8关于蠕变试验美国PTI的规范中，仅在环氧树脂涂层的钢绞线中提及，为了解固定载荷下环氧树脂涂层的蠕变，测量环氧树脂填充钢绞线与无涂层低松弛钢绞线之间的蠕变差值，可作为设计者修正选用。这里“低松弛”是斜拉索钢材必备的条件，“蠕变”是供设计修正选用。“蠕变”不能代替“应力松弛”，而日本斜拉索镀锌钢丝不做低松弛稳定化处理，当然无法考核，强调不受扭曲载荷钢丝的“扭转”，只能算作另一种学术流派而言，供桥梁设计者选用。9关于钢丝稳定化处理技术的发展欧洲是钢丝稳定化处理技术发展领先的地域。最初是雷同钢绞线技术，采用前后张力都为张紧轮的“双张紧轮”型式，由于镀锌钢丝“先镀后拔”具有更好的抗疲劳能力和公差控制

23、更严格的优点（）。发展了前张紧力为模拔力所替代的“单张紧轮”型式。申佳公司引进调试期间，由于德国蒂森公司（南浦大桥斜拉索用钢丝供应企业）拒绝该设备供应商考察。致使“先镀后拔”调试受阻，申佳公司采用数十年的钢丝生产经验，创造了自主知识产权的技术，为徐浦大桥如期提供了斜拉索用镀锌钢丝，填补了国内空白。并婉绝意大利设备供应商出资转让的要求。1994年以后，所有斜拉索用平行钢丝都为国产所占有（南方某桥曾向欧洲进口钢丝，被进口商检判为不合格一例除外）。申佳公司提供的斜拉索平行丝建成运行的桥梁超过50座，最大跨径为南京长江二桥的628m。“模拔”镀锌钢丝具有下述优点。9.1,良好的抗疲劳能力钢丝按规范作疲

24、劳性能检测，并按PTI规范疲劳试验合格后再进行静载试验，要求0.95b。实际性能为1.00b（MUTS），说明具有良好的抗疲劳能力。9.2,具有良好的尺寸精度热镀状态的尺寸精度控制，法国标准和中国标准都为±1%d，即7.0mm的斜拉索钢丝其允许偏差为±0.07mm，日本企标也如此，椭圆度控制在公差之半。即,0.07mm，都是较高的热镀锌尺寸精度。模拔钢丝的尺寸精度可控制偏差减少60%，即7±0.03mm。对减少索股的自重累计偏差也是相当可贵的。9.3,具有相当光滑的钢丝表面光滑表面比粗糙的热镀锌表面具有高的防腐性能，粗糙表面的表面积大于光滑表面积，与腐蚀介质的接触

25、面就大，耐腐蚀性能较差。光滑表面钢丝在索股编制过程中，有利于紧密接触和钢丝之间的滑动，索股中钢丝的长度偏差也就减少，使索股中每根钢丝的承载均匀，有利于索股抗疲劳能力的提高。9.4,具有均匀的弹性模量弹性模量尽管是钢材的属性，由于镀锌层作为钢丝的载面积计算，其偏差直接影响钢丝的弹性模量计算值，在模拔过程中，锌是软金属，变形抗力较钢基为小，易于延伸。钢基宽展较大，作为镀锌钢丝的整体变形，可减少横截面上的锌层不均匀性，从而提高钢丝弹性模的的均匀性。把中国标准规定的200±10Gpa提高到200±5Gpa。带模拔的单张紧轮的钢丝稳定化作业线，在取得低应力松弛的同进，兼有上述优良性能。在测试其扭转次数时，即