以钢铁之强，系千钧之重——高强度桥梁缆索钢丝的生产_风闻

马氏体-2022-03-18 15:01

2022-03-18

风樯动

龟蛇静

起宏图

一桥飞架南北

天堑变通途

1956年，毛主席在建设中的新中国第一座公铁两用长江大桥——武汉长江大桥下，留下豪迈的篇章。

从那时起，跨过长江，跨过大海，“基建狂魔”把越来越雄伟的大桥修到海角天涯，为祖国大地打通一条条康庄大道。

江苏江阴长江大桥，1995年建成通车，主跨1385米，当时跨度中国第一、世界第四的悬索桥。

上海黄浦江闵浦大桥，2010年建成通车，主跨708米，当时世界上跨度最大的双层公路斜拉桥。

武汉鹦鹉洲长江大桥，2014年建成通车，主跨2×850米，世界上最大跨度的三塔四跨悬索桥。

随着中国大桥跨越的水域和山谷越来越宽、桥下的通航要求越来越高，造型优美的悬索桥、斜拉桥越来越多地矗立在祖国大地上。

悬索桥和斜拉桥都是利用桥塔托起缆索，利用钢缆的抗拉能力吊起桥面。悬索桥的主缆由数万根高强度钢丝组成（上图为江阴长江大桥主缆的实物模型）。显然，高强度的钢丝是建大桥所需的关键材料。

中央电视台最新的钢铁工业纪录片《钢铁脊梁》拍摄了中信泰富兴澄特钢生产超高强度大桥缆索用钢的画面，让我们跟随镜头去一探究竟。

中信泰富特钢是中国中信股份有限公司下属企业，年产特殊钢1400多万吨，是我国最大的特钢集团。旗下的江阴兴澄特种钢铁有限公司（江苏江阴简称“澄”）是重要的桥梁缆索用钢生产企业之一。

冶炼大桥缆索用钢，首先要确保钢水纯净，尽量减少杂质元素和夹杂物，以提高钢铁的强度和韧性。

从高炉炼出的铁水，在送入转炉炼钢前，首先进行KR法脱硫。

搅拌头插入铁水包里的铁水中，旋转产生漩涡，并喷入氧化钙基脱硫粉剂，把铁水中的硫元素转化为硫化钙除去。

铁水在转炉中吹氧脱碳，并加入各种合金元素，冶炼成钢水（上图是同属中信泰富特钢旗下的青岛特钢的100吨转炉）。

转炉冶炼完成后，钢水倒入钢包中，由钢包精炼炉（LF炉）进行精炼。LF炉是一种对钢包中的钢水进行精炼的电弧炉。三根石墨电极插入由萤石、石灰等组成的炉渣中加热，投入碳粉、碳化硅、硅碳合金等使炉渣具有强还原性（因此种炉渣的FeO含量很少，颜色发白，故称“白渣”），而石墨电极与氧反应生成的一氧化碳让炉内形成还原性气氛，再加上向钢水中吹入氩气进行搅拌，充分脱除钢水中的氧和硫，减少钢中非金属夹杂物的量。在LF精炼过程中还可对合金成分进行微调。

接下来进行真空循环脱气（RH）精炼。真空室的两根管道插入钢水中，吸起钢水。向其中一根管的钢水里吹入氩气，气泡的混入使钢水密度降低，从而上升进入真空室。在真空条件下氩气逸出，同时钢水中溶解的氢、氮等气体杂质也逃逸出来，密度增大的钢水就又从另一侧管道流回钢包中。氢和氮会导致钢材变脆，通过循环脱气可以将它们充分脱除。

通过连铸机，钢水被铸造为方形或矩形的钢坯（上图为青岛特钢的六流小矩形坯连铸机，同时浇注出六条钢坯）。

钢坯经过高速线材轧机的轧制成为直径十余毫米的线材，轧制速度可达每秒百米以上。上图为青岛特钢的达涅利高速线材轧机（见设备上的白色“DANIELI”标识，达涅利是意大利知名冶金设备制造商）。

吐丝机将轧好的线材“吐出”成卷，这盘起来的线材也被称作盘条。

对于性能要求相对较低的线材，例如轮胎钢帘线所用的线材（只是相对于桥梁缆索钢丝而言的“要求较低”，本身也属于相当高端的线材了），从轧制后的红热状态到室温，是在风冷辊道上吹风冷却。然而，风冷一方面受环境温度影响，一年四季生产的盘条的性能不一致；另一方面风冷的冷却能力较低，难以满足桥梁缆索钢丝所用的超高强度、大直径线材的冷却要求。

这要从桥梁缆索线材的特殊成分和性能要求说起。

高强度线材从成分上讲属于高碳钢，含碳量在0.8%以上。对于钢铁材料，碳含量的提高会带来强度的提高，但是也会因为形成大块的碳化物而导致脆性增加。桥梁缆索要求兼具高强度和韧性，必须通过细化晶粒来同时满足这两个相互矛盾的要求。这就要求有快速而可控的降温过程，将刚刚轧制出的红热的线材迅速冷却到五六百度，使铁素体和渗碳体（Fe3C）交替析出为均匀细小的片层状（片层间距小于零点几微米），即形成非常细小的珠光体类组织——索氏体。

传统上，以液态铅作为冷却介质（在328~1740℃保持液态，且具有很高的热导率），但这显然会造成环境污染。兴澄特钢采用在线水浴冷却工艺，将800多℃的盘条浸没入水中，通过水流实现精确控温。如果冷却速度过慢，析出的珠光体片层间距太大，强度偏低；若冷却速度太快，则会形成马氏体、贝氏体等硬而脆的组织（一般意义上的钢的淬火），都不利于在桥梁上的应用。

青岛特钢则采用离线盐浴热处理。对于风冷后的盘条，经过放线（把盘条重新展成直线）和加热后，浸入500~600℃的盐浴（熔融硝酸盐）进行等温淬火，得到索氏体组织。

如此得到的高强度盘条，抗拉强度已达一千多兆帕，相当于普通钢材的5倍以上，但要成为桥梁缆索钢丝，还要再经历冷拉拔的历练，直径从十几毫米缩减到5~7毫米，而强度再提高约四分之一。

在钢缆厂（视频素材都是位于江苏无锡的法尔胜泓昇集团），盘条经过放线，送入冷拉拔机组中，在强大的拉力作用下通过孔径比钢丝直径更小的模具，实现变形和强化。

随着钢丝直径变细，内部结构发生剧烈的变形，珠光体片层转向沿着拉拔方向排列且变得更加细密，并且铁素体内产生高密度的位错，进一步提高了钢材的强度。这个过程伴随着钢丝与模具间的强烈摩擦，需要加入润滑剂，上面动图展示的是固体润滑剂，主要成分为金属皂（脂肪酸盐）和其他添加剂，被钢丝裹挟进入模具后，能够在钢丝和模具间形成一层润滑膜，减小摩擦力。

拉面要反复拉才能变得细长而劲道，但如果一次拉得太多就会把面拉断；钢丝的冷拉拔过程亦是如此，每次拉拔的变形量不能太大，经过九道次拉拔才能最终成型。

随后，钢丝浸没入400多℃的锌铝合金液中，镀上一层锌铝合金，提高钢丝的耐腐蚀能力；同时，钢丝发生回复，形变储能释放，位错密度降低，虽然强度有所下降，但韧性提高，而得到保留的细密片层状结构使得钢丝仍能维持在很高的强度。

盘条拉拔为钢丝的过程是连续进行的，但盘条的长度是有限的，因此先要把盘条首尾相连焊接起来。采用的焊接方法是电阻对焊，即把带焊接的线材两端紧密接触，利用电阻热加热至塑性状态，然后断电并迅速施加顶锻力，使两侧金属融为一体，实现焊接。这种方法与之前介绍过的闪光对焊有些相似，适用于小尺寸、截面简单的焊接。然而，安装到桥梁上的钢丝是不允许有接头的，因此这些工艺性焊接接头之后都会被找到并剪裁掉，只留下满足长度要求的整根钢丝。

一百多根钢丝被组合为悬索桥主缆的组成单元——索股，其中的每根细钢丝都能吊起两三辆小轿车的重量。

长数千米、重数十吨到上百吨的索股被逐一牵引到位，上百个索股、上万根钢丝组合为一根直径可达1米左右的主缆（上图为刚刚建成通车的济南凤凰黄河大桥），通过垂下的吊杆吊起下方的桥面（下图为武汉鹦鹉洲长江大桥）。

对于斜拉桥，则是由钢丝组合成较细的拉索，通过数百根拉索把桥面斜挂到桥塔上（下图为拥有全世界最高混凝土桥塔的贵州平塘特大桥）。

无论是悬索桥还是斜拉桥，都是把桥面的重量转化为钢缆拉力，充分发挥钢缆的抗拉强度，实现大距离的跨越。

随着桥梁跨径的增长，对缆索强度的要求也就水涨船高。在同等条件下采用高强度钢丝还能减轻桥梁重量和风阻，降低建造成本和材料消耗，例如对于悬索桥，主缆所用钢丝的强度每提高100MPa，主缆就能减重约10%，也就是上千吨的重量。

上世纪八九十年代起，我国开始建造大跨径悬索桥和斜拉桥，起初缆索钢材全部依赖进口。上世纪90年代，我国通过合资、引进的形式实现了缆索钢丝的国产化，但作为拉拔钢丝原料的盘条仍需进口。进入21世纪，中信泰富（兴澄特钢和青岛特钢）、宝钢、沙钢等国内钢铁企业相继突破桥梁缆索钢丝用盘条的生产技术。

我国完全国产的桥梁缆索钢丝，从应用于苏通长江大桥（斜拉桥，主跨1088米，建成时为世界第一）、舟山西堠门跨海大桥（悬索桥，主跨1650米，建成时为世界第二，上图）的1770MPa，追赶到广东南沙大桥（原称虎门二桥，主跨1688米，建成时超越西堠门大桥成为世界第二）上具有国际先进水平的1960MPa，终于在沪通长江大桥（主跨1092米，世界最长公铁两用斜拉桥）上实现2000MPa级钢丝的首次实际应用，在建设中的深中通道伶仃洋大桥（主跨1666米的悬索桥）应用更高强度的2060MPa钢丝，如今兴澄特钢更是研制出用于生产2200MPa级钢丝的盘条（强度1600MPa，下图）。