主缆缠绕用精密热镀锌异形钢丝研制.pdf

第49 卷Vol.49doi:10.3969/j.issn.1003-4226.2023.04.003第4期No.4金属制品MetalProducts主缆缠绕用精密热镀锌异形钢丝研制2023年8 月August2023王海洋，王巍”，王林烽（1.宝钢集团南通线材制品有限公司，江苏南通2 2 6 0 0 0；2.宝钢金属有限公司，上海2 0 0 0 0 0）摘要：为提高大桥主缆防腐效果，开发研制了S形精密热镀锌钢丝。选用可加工性强的低碳钢盘条，对酸洗、开坏、连续冷轧、热镀、精整等工序进行优化，完成产品尺寸精度和表面质量的控制。试验结果满足预期的性能指标要求：S形热镀锌钢丝抗拉强度6 50 7 0 0 MPa，扭转2 0 次以上，弯曲8 12 次，锌层面质量3 0 0 3 3 0 g/m，缠绕试验8圈不断，钢丝表面锌镀层平整光滑，缠丝应用良好。关键词：异形钢丝；大桥主缆；热镀锌；抗拉强度；精整中图分类号：TC356.4*5Abstract:To improve anti-corrosion effect of bridge main cable,S-shaped precision hot-dip galvanized steel wire has been de-veloped.By selecting low-carbon wire rod raw materials with strong processability,optimizing processes such as pickling,bil-let opening,continuous cold rolling,hot plating,and refinement,the control of product dimensional accuracy and surfacequality is achieved.The test results meet performance index requirements:tensile strength of S-shaped hot-dip galvanizedsteel wire is 650 700 MPa,with more than 20 torsion,8 12 bends,Zn-coat mass fraction 300 330 g/m,and winding testis conducted continuously for 8 cycles.The zinc coating on steel wire suface is flat and smooth,and winding application is good.Keywords:shaped steel wire;main cable of bridge;hot-dip galvanized;tensile strength;refinement悬索桥主缆腐蚀一直是悬索桥长效安全运营必须面对的问题,采用主缆防护体系能有效减少外界不利因素对主缆钢丝的腐蚀和破坏 。为了延长主缆的安全使用寿命，已经形成了多种防护体系,其中圆形缠绕钢丝+表面涂层是传统的防护方法之一。2 1世纪初日本将S形钢丝取代圆钢丝应用于主缆缠绕，取得了较好的防护效果，被业内普遍认同。与圆钢丝相比,缠绕钢丝截面改为S形后,改变了缠绕钢丝之间及缠绕钢丝与主缆之间的接触方式，即由线接触变为面接触,接触方式的改变可以减少环境中各类有害元素的短路传输通道 2 ,提高了主缆防腐效果。为做好S形钢丝的国产化应用，对精密热镀锌异形钢丝进行开发研制。1精密热镀锌异形钢丝技术要求1.1尺寸及精度主缆缠绕S形热镀锌钢丝通过相互紧扣后在主文献标识码：AResearch and development of precision hot-dip galvanizedshaped stel wire for main cable windingWang Haiyang,Wang Wei?,Wang Linfeng?(1.Baosteel Group Nantong Wire Products Co.,Ltd.,Nantong 226000,China;2.Baosteel Metal Co.,Ltd.,Shanghai 200000,China)缆上形成一个相对封闭的保护层，对钢丝尺寸精度要求较高。S形钢丝横截面呈中心对称,宽度尺寸及精度为（7.0 0 0.0 5）mm，厚度尺寸及精度为（3.0 0 0.03）m m，钢丝截面形状及尺寸如图1所示。wul(600f00)图1S形钢丝截面形状及尺寸Fig.1Cross section shape and size ofS-shaped steel wire1.2力学性能与工艺性能S形钢丝力学性能要求及工艺性能指标见表1。其中,断后延伸率试验 L=150 mm;扭转试验 L=200 mm;弯曲试验 R=15 mm;缠绕试验 D=15 mm;镀层附着力试验 D=15 mm。(7.00 0.05)mm镀层附着力8Table 1 Mechanical properties requirements and process properties indicators of S-shaped steel wire抗拉强度/屈服强度/断后延伸扭转/MPaMPa5503002米精密热镀锌异形钢丝研制2.1原料选取原料的选取直接影响最终钢丝的质量和性能。通常选取高质量的低碳钢盘条作为S形镀锌钢丝原料。低碳钢通常具有良好的可焊性和可加工性，同时塑性良好易于进行成型和冷加工，能够保证钢丝制备的精度和质量。选取过程中，原料表面要求细致均匀，以保证钢丝制备的精度和表面质量，提高钢丝的使用寿命。盘条的化学成分控制也很重要。经过分析比较，选取国内某大型钢铁企业生产的优质0 6.5mmSWRM10盘条,0 6.5mmSWRM10盘条化学成分见表2。抗拉强度不大于410 MPa,断面延伸率不小于3 0%，表面无缺陷。表2 0 6.5mmSWRM10盘条化学成分Table 2 Chemical composition of diameter 6.5 mmSWRM10wire rodw/%CSi0.120.3000.25 0.500.0352.2精密热镀锌异形钢丝加工精密热镀锌异形钢丝制备的工艺流程为：盘条放线一酸洗一开坏连续冷轧热镀精整成品包装。2.2.1酸洗酸洗工艺：酸洗一漂洗高压水冲洗漂洗涂硼一烘干。盘条酸洗是将盘条通过酸洗设备进行清洗处理，以去除表面氧化皮、锈蚀、油污等杂质，涂硼处理在盘条表面形成一层涂层，为后续拉拔润滑剂提供载体，避免盘条与模具直接接触，在拉拔过程中有良好的润滑。2.2.2开坏初期试制采用直径5.5mm盘条酸洗+规圆（直径5.4mm）处理+连续冷轧的工艺路线，存在金属制品表1S形钢丝力学性能要求及工艺性能指标弯曲/率/%次1.58MnP第49 卷缠绕/镀层面质量/次圈68问题如下：（1）盘条规格小,且采用立式放线容易造成夹丝；（2）设备动力小，规圆量不足，钢丝椭圆度大于0.1mm；(3 轧制过程中受钢丝椭圆度影响，变形不均匀,轧制尺寸精度难以控制,同时也会增加轧件与辊缝的接触面积,轧辊受力集中,增加摩擦力和辊耗,降低轧制效率。通过开坏能够有效改善原料盘条的椭圆度、表面质量、变形和尺寸偏差等问题，将原料盘条的尺寸偏差由最初的0.2 mm降至0.0 3 mm,充分降低盘条椭圆度，保证后续的连续冷轧加工顺利进行，得到更加稳定的成品。2.2.3连续冷轧异形钢丝目前加工方法主要有模拉、轧制、辊拉、轧制模拉复合等方式，这些加工方式的主要区别在于成形方式不同 3.41。异形轧制加工适用于宽厚比小于1.5的异形钢丝，其主要特点是设计每道次的孔型，制作相应的异形轧辊，通过每一道异形轧S辊的轧制和拉伸作用，将钢材塑性变形成为需要的0.04异形形状。成品宽厚比不小于1.5的异形产品，则需要增加平轧工序,再进行异形轧制。相比于拉拔成形等方式，采用多道次连续轧制工艺制备S形钢丝时可以减小入料圆丝直径，减少加工道次，提高模具寿命,降低模具成本，有效提高生产效率和成品的一致性,同时也能够控制钢丝的形状和尺寸精度。在轧制工艺中,轧辊孔型的设计和轧辊的选材是关键点之一。轧辊孔型的设计应满足成型后钢丝的尺寸精度和形状位置误差的要求，同时要考虑到钢材的塑性变形和强度要求。轧辊的选材应该考虑耐磨性、强度和韧性等因素，以保证轧辊的寿命和成型的质量，选用高速钢轧辊进行轧制，轧制工艺：入料一平轧一一轧二轧三轧一四轧。轧制过程中控制尺寸精度，S形钢丝轧制工艺示意图如图2所示。(g:m2)280无剥落、龟裂、起皮等现象S一人料平轧Fig.2 Rolling process diagram of S-shaped steel wire一轧图2 S形钢丝轧制工艺示意图二轧三轧四轧第4期王海洋，等：主缆缠绕用精密热镀锌异形钢丝研制.92.2.4热镀锌镀锌前进行表面处理,以清除拉拔轧制过程中的润滑液、油污以及表面浮锈，钢丝采用酸洗+碱洗+漂洗组合清洗，主要依靠酸或碱溶液化学溶解钢丝表面油脂或表面污物。为了提高锌镀层与S形钢丝的结合能力,在S形钢丝进入热镀锌槽前预先经过助镀液浸泡处理,防止锌层脱落或剥离。S形钢丝形状特殊,需要关注钢丝出各个溶液槽体的方向以及槽体内残留溶液的情况，避免槽体内残留较多溶液,影响后面槽体溶液的性能。可以采取S形钢丝槽口竖直方向出各个溶液缸，并且出口配置特殊设计的气擦来保证钢丝槽内残留溶液。S形钢丝截面积小,热传导所需时间比圆丝短,所碱洗温度/w(NaOH)/%70520 52.2.5精整由于S形钢丝形状复杂，在热镀锌结束后钢丝沟槽及表面的镀锌层容易产生锌瘤等表面质量问题，需经过精整工序进行处理。热镀锌后S形钢丝采用12 5万能十字轧机和定制异形轧辊控制尺寸精度，去除钢丝沟槽内锌瘤，提高钢丝表面质量。精整过程轧制量小、锌层软、润滑要求低,轧制冷却采用风冷,相比于常规的水冷、油冷，避免了钢丝后期镀层白锈的产生及缠丝后无法涂层的问题。轧辊材质选用钨钢，钨钢的主要成分为碳化钨,相比于高速钢类的金属轧辊,碳化钨与锌尺寸检测项目(mm mm)(3.00 0.08)标准要求(7.00 0.15)检测结果均值3.01 7.02图3 S形热镀锌钢丝截面Fig.3 S-shaped hot-dip galvanized steel wire section以锌铁反应更快，在镀锌温度450 时,速度选取13m/min、15 m/m i n、17 m/m i n、19 m/m i n 进行试验,不同速度下S形钢丝锌层面质量见表3。选定17 m/min速度生产，最终形成热镀锌生产工艺参数见表4。表3 不同速度下S形钢丝锌层面质量Table 3Zn-coat mass on S-shaped steel wire atdifferent speeds速度/(m min)锌层面质量/（gm)13250280152703001730033019320350表4热镀锌生产工艺参数Table 4 Hot-dip galvanizing production process parameters酸洗温度/w(HCI)/%65 520.5 2.5Table 5 Test results of hot-dip galvanized steel wire抗拉强度/弯曲/次MPa(g m*)5508672203.2缠丝检验在完成S形钢丝产品的试制后，钢丝扣合检查紧密性良好 5,S形镀锌钢丝扣合截面如图4所示。产品得到了客户的缠丝试验反馈，缠丝过程顺利,无夹丝、扭曲情况发生，钢丝的S形槽口能环环相扣，螺旋紧密缠绕在主缆外周，缠丝后主缆外部表面平整。表面完好完好完好完好助镀镀锌氮气抹温度/p(NH,Cl)/(g L-l）p(Fe 2+)/(g L-)温度/温度/45 5120 20的亲和力小，且钨钢轧辊粗糙度可达镜面状态，可有效防止产生黏锌问题。3性能检测3.1成品检测根据国标桥梁主缆缠绕用S形热镀锌或锌铝合金钢丝要求，对试制工艺生产的热镀锌S形缠绕钢丝进行抽样检测，抽取样本数16 5个，尺寸精度、力学性能、扭转性能、镀层性能均满足要求,镀锌钢丝性能检测结果见表5。S形热镀锌钢丝截面如图3所示。表5镀锌钢丝性能检测结果扭转/次延伸率/%1.53.650锌层面质量/无剥落、龟裂、628011320450 10450 500附着性能起皮等现象合格10Fig.4S-shaped galvanized steel wire buckle section4结语通过选择合适的原料、轧制工艺、镀锌工艺，并对工艺流程和加工控制环节进行设计和优化，成功生产出高质量的S形热镀锌钢丝产品。在建设大跨度桥梁时发挥着重要作用，为解决主缆缠绕密封难题提供了有力支持。参考文献1罗杰.悬索桥主缆综合防护体系的应用 J.桥梁检测38383838383838383838383838383838383838383838383838383838383838383838383838383838383838383838(上接第6 页）Table 10Mechanical properties of HDPE hot-dip zinc-aluminum alloy steel strand执行标准钢绞线直径/mmGB/T 52242014、15.20 15.25YB/T 15299屈强比/%91.0 94.0鞍座系统疲劳性能200万次不断裂3结语采用钢绞线结构119 S-15.2mm,由于金属丝直径较细，,所以线密度大，金属截面积150.0 mm，钢绞线具有良好的柔韧性，在桥位施工时容易通过鞍座索孔，而PE护套表面完好无损。低松弛预应力钢绞线可达到18 6 0 MPa级；在相同15.2 mm的钢绞线直径下抗拉载荷超过2 8 0 kN；单丝断面收缩率2 5%；鞍座系统抗弯曲疲劳试验施加8 0 0 MPa周期载荷，2 0 0 万次不断裂。热镀锌铝合金预应力钢绞线应用于桥梁建设中,表面锌铝合金具有更高的耐腐蚀性能和较好的耐疲劳性能,可提高缆索的使用寿命1.5倍以上,该产品应用在桥梁建设中将产生显著的经济效益和社金属制品与加固,2 0 13(2):45-48.2刘磊，李鹏，常志军.悬索桥主缆缠丝作用的研究及替代 J.公路,2 0 15,6 0(3)：3-4.3曹民业，李春洋，刘百宣，等.一种异形截面钢丝滚道全模拉拔工艺 J.锻压技术,2 0 19,44（11：9 8-10 2.4郭丰伟，雷君相，江鸿，等.异形花键截面钢丝辊模拉拔图4S形镀锌钢丝扣合截面模拟研究 J.塑性工程学报,2 0 18,2 5（1）：12 5-13 0.5蔡依花，薛花娟.主缆缠绕S形钢丝关键技术和质量控制 J.金属制品,2 0 19,45（2）：11-12.（收稿日期：2 0 2 3-0 5-0 9)作者简介王海洋1990年生，助理工程师，宝钢集团南通线材制品有限公司产品工程师。王巍1997年生，助理工程师，宝钢金属有限公司产品工程师。王林烽1982年生，高级工程师，宝钢金属有限公司总经理助理。表10 HDPE热镀锌铝合金钢绞线的力学性能强度级别/MPa抗拉载荷/kN1860280288弹性模量/GPa最大力下伸长率/%195 2025.5偏斜拉伸锌层面质量/系数/%(g:m*2)14.0 18.0270 350第49 卷屈服负荷（1%伸长）/kN254 264单丝断面收缩率/%松弛性能(级)26.0 36.0外推10 0 0 h松弛率：2.0%防腐润滑脂涂油钢绞线外包塑料重量/(g:m-l)护套厚度/mm16 381.5 2.0会效益。参考文献1王志永，翟巧玲，刘毅.斜拉桥用HDPE护套热镀锌预应力钢绞线的生产 J.金属制品,2 0 15（3：15-19.2王志永，刘毅.大规格高强度钢绞线拉索及吊杆用锌铝合金钢丝的生产 J.金属制品,2 0 14(2）：2 4-2 6.3王自森.拉拔时发热现象的探讨 J.金属制品，2 0 0 5(4):14-15.（收稿日期:2 0 2 3-0 3-0 6)作者简介陈志强1990年生，助理工程师，天津市新天钢钢线钢缆有限公司副主任。王志永1971年生，高级工程师，天津市新天钢钢线钢缆有限公司技术主管。