以鋼鐵之強，系千鈞之重——高強度橋樑纜索鋼絲的生產_風聞

马氏体-2022-03-18 15:01

2022-03-18

風檣動

龜蛇靜

起宏圖

一橋飛架南北

天塹變通途

1956年，毛主席在建設中的新中國第一座公鐵兩用長江大橋——武漢長江大橋下，留下豪邁的篇章。

從那時起，跨過長江，跨過大海，“基建狂魔”把越來越雄偉的大橋修到海角天涯，為祖國大地打通一條條康莊大道。

江蘇江陰長江大橋，1995年建成通車，主跨1385米，當時跨度中國第一、世界第四的懸索橋。

上海黃浦江閔浦大橋，2010年建成通車，主跨708米，當時世界上跨度最大的雙層公路斜拉橋。

武漢鸚鵡洲長江大橋，2014年建成通車，主跨2×850米，世界上最大跨度的三塔四跨懸索橋。

隨着中國大橋跨越的水域和山谷越來越寬、橋下的通航要求越來越高，造型優美的懸索橋、斜拉橋越來越多地矗立在祖國大地上。

懸索橋和斜拉橋都是利用橋塔托起纜索，利用鋼纜的抗拉能力吊起橋面。懸索橋的主纜由數萬根高強度鋼絲組成（上圖為江陰長江大橋主纜的實物模型）。顯然，高強度的鋼絲是建大橋所需的關鍵材料。

中央電視台最新的鋼鐵工業紀錄片《鋼鐵脊樑》拍攝了中信泰富興澄特鋼生產超高強度大橋纜索用鋼的畫面，讓我們跟隨鏡頭去一探究竟。

中信泰富特鋼是中國中信股份有限公司下屬企業，年產特殊鋼1400多萬噸，是我國最大的特鋼集團。旗下的江陰興澄特種鋼鐵有限公司（江蘇江陰簡稱“澄”）是重要的橋樑纜索用鋼生產企業之一。

冶煉大橋纜索用鋼，首先要確保鋼水純淨，儘量減少雜質元素和夾雜物，以提高鋼鐵的強度和韌性。

從高爐煉出的鐵水，在送入轉爐鍊鋼前，首先進行KR法脱硫。

攪拌頭插入鐵水包裏的鐵水中，旋轉產生漩渦，並噴入氧化鈣基脱硫粉劑，把鐵水中的硫元素轉化為硫化鈣除去。

鐵水在轉爐中吹氧脱碳，並加入各種合金元素，冶煉成鋼水（上圖是同屬中信泰富特鋼旗下的青島特鋼的100噸轉爐）。

轉爐冶煉完成後，鋼水倒入鋼包中，由鋼包精煉爐（LF爐）進行精煉。LF爐是一種對鋼包中的鋼水進行精煉的電弧爐。三根石墨電極插入由螢石、石灰等組成的爐渣中加熱，投入碳粉、碳化硅、硅碳合金等使爐渣具有強還原性（因此種爐渣的FeO含量很少，顏色發白，故稱“白渣”），而石墨電極與氧反應生成的一氧化碳讓爐內形成還原性氣氛，再加上向鋼水中吹入氬氣進行攪拌，充分脱除鋼水中的氧和硫，減少鋼中非金屬夾雜物的量。在LF精煉過程中還可對合金成分進行微調。

接下來進行真空循環脱氣（RH）精煉。真空室的兩根管道插入鋼水中，吸起鋼水。向其中一根管的鋼水裏吹入氬氣，氣泡的混入使鋼水密度降低，從而上升進入真空室。在真空條件下氬氣逸出，同時鋼水中溶解的氫、氮等氣體雜質也逃逸出來，密度增大的鋼水就又從另一側管道流回鋼包中。氫和氮會導致鋼材變脆，通過循環脱氣可以將它們充分脱除。

通過連鑄機，鋼水被鑄造為方形或矩形的鋼坯（上圖為青島特鋼的六流小矩形坯連鑄機，同時澆注出六條鋼坯）。

鋼坯經過高速線材軋機的軋製成為直徑十餘毫米的線材，軋製速度可達每秒百米以上。上圖為青島特鋼的達涅利高速線材軋機（見設備上的白色“DANIELI”標識，達涅利是意大利知名冶金設備製造商）。

吐絲機將軋好的線材“吐出”成卷，這盤起來的線材也被稱作盤條。

對於性能要求相對較低的線材，例如輪胎鋼簾線所用的線材（只是相對於橋樑纜索鋼絲而言的“要求較低”，本身也屬於相當高端的線材了），從軋製後的紅熱狀態到室温，是在風冷輥道上吹風冷卻。然而，風冷一方面受環境温度影響，一年四季生產的盤條的性能不一致；另一方面風冷的冷卻能力較低，難以滿足橋樑纜索鋼絲所用的超高強度、大直徑線材的冷卻要求。

這要從橋樑纜索線材的特殊成分和性能要求説起。

高強度線材從成分上講屬於高碳鋼，含碳量在0.8%以上。對於鋼鐵材料，碳含量的提高會帶來強度的提高，但是也會因為形成大塊的碳化物而導致脆性增加。橋樑纜索要求兼具高強度和韌性，必須通過細化晶粒來同時滿足這兩個相互矛盾的要求。這就要求有快速而可控的降温過程，將剛剛軋製出的紅熱的線材迅速冷卻到五六百度，使鐵素體和滲碳體（Fe3C）交替析出為均勻細小的片層狀（片層間距小於零點幾微米），即形成非常細小的珠光體類組織——索氏體。

傳統上，以液態鉛作為冷卻介質（在328~1740℃保持液態，且具有很高的熱導率），但這顯然會造成環境污染。興澄特鋼採用在線水浴冷卻工藝，將800多℃的盤條浸沒入水中，通過水流實現精確控温。如果冷卻速度過慢，析出的珠光體片層間距太大，強度偏低；若冷卻速度太快，則會形成馬氏體、貝氏體等硬而脆的組織（一般意義上的鋼的淬火），都不利於在橋樑上的應用。

青島特鋼則採用離線鹽浴熱處理。對於風冷後的盤條，經過放線（把盤條重新展成直線）和加熱後，浸入500~600℃的鹽浴（熔融硝酸鹽）進行等温淬火，得到索氏體組織。

如此得到的高強度盤條，抗拉強度已達一千多兆帕，相當於普通鋼材的5倍以上，但要成為橋樑纜索鋼絲，還要再經歷冷拉拔的歷練，直徑從十幾毫米縮減到5~7毫米，而強度再提高約四分之一。

在鋼纜廠（視頻素材都是位於江蘇無錫的法爾勝泓昇集團），盤條經過放線，送入冷拉拔機組中，在強大的拉力作用下通過孔徑比鋼絲直徑更小的模具，實現變形和強化。

隨着鋼絲直徑變細，內部結構發生劇烈的變形，珠光體片層轉向沿着拉拔方向排列且變得更加細密，並且鐵素體內產生高密度的位錯，進一步提高了鋼材的強度。這個過程伴隨着鋼絲與模具間的強烈摩擦，需要加入潤滑劑，上面動圖展示的是固體潤滑劑，主要成分為金屬皂（脂肪酸鹽）和其他添加劑，被鋼絲裹挾進入模具後，能夠在鋼絲和模具間形成一層潤滑膜，減小摩擦力。

拉麪要反覆拉才能變得細長而勁道，但如果一次拉得太多就會把面拉斷；鋼絲的冷拉拔過程亦是如此，每次拉拔的變形量不能太大，經過九道次拉拔才能最終成型。

隨後，鋼絲浸沒入400多℃的鋅鋁合金液中，鍍上一層鋅鋁合金，提高鋼絲的耐腐蝕能力；同時，鋼絲髮生回覆，形變儲能釋放，位錯密度降低，雖然強度有所下降，但韌性提高，而得到保留的細密片層狀結構使得鋼絲仍能維持在很高的強度。

盤條拉拔為鋼絲的過程是連續進行的，但盤條的長度是有限的，因此先要把盤條首尾相連焊接起來。採用的焊接方法是電阻對焊，即把帶焊接的線材兩端緊密接觸，利用電阻熱加熱至塑性狀態，然後斷電並迅速施加頂鍛力，使兩側金屬融為一體，實現焊接。這種方法與之前介紹過的閃光對焊有些相似，適用於小尺寸、截面簡單的焊接。然而，安裝到橋樑上的鋼絲是不允許有接頭的，因此這些工藝性焊接接頭之後都會被找到並剪裁掉，只留下滿足長度要求的整根鋼絲。

一百多根鋼絲被組合為懸索橋主纜的組成單元——索股，其中的每根細鋼絲都能吊起兩三輛小轎車的重量。

長數千米、重數十噸到上百噸的索股被逐一牽引到位，上百個索股、上萬根鋼絲組合為一根直徑可達1米左右的主纜（上圖為剛剛建成通車的濟南鳳凰黃河大橋），通過垂下的吊杆吊起下方的橋面（下圖為武漢鸚鵡洲長江大橋）。

對於斜拉橋，則是由鋼絲組合成較細的拉索，通過數百根拉索把橋面斜掛到橋塔上（下圖為擁有全世界最高混凝土橋塔的貴州平塘特大橋）。

無論是懸索橋還是斜拉橋，都是把橋面的重量轉化為鋼纜拉力，充分發揮鋼纜的抗拉強度，實現大距離的跨越。

隨着橋樑跨徑的增長，對纜索強度的要求也就水漲船高。在同等條件下采用高強度鋼絲還能減輕橋樑重量和風阻，降低建造成本和材料消耗，例如對於懸索橋，主纜所用鋼絲的強度每提高100MPa，主纜就能減重約10%，也就是上千噸的重量。

上世紀八九十年代起，我國開始建造大跨徑懸索橋和斜拉橋，起初纜索鋼材全部依賴進口。上世紀90年代，我國通過合資、引進的形式實現了纜索鋼絲的國產化，但作為拉拔鋼絲原料的盤條仍需進口。進入21世紀，中信泰富（興澄特鋼和青島特鋼）、寶鋼、沙鋼等國內鋼鐵企業相繼突破橋樑纜索鋼絲用盤條的生產技術。

我國完全國產的橋樑纜索鋼絲，從應用於蘇通長江大橋（斜拉橋，主跨1088米，建成時為世界第一）、舟山西堠門跨海大橋（懸索橋，主跨1650米，建成時為世界第二，上圖）的1770MPa，追趕到廣東南沙大橋（原稱虎門二橋，主跨1688米，建成時超越西堠門大橋成為世界第二）上具有國際先進水平的1960MPa，終於在滬通長江大橋（主跨1092米，世界最長公鐵兩用斜拉橋）上實現2000MPa級鋼絲的首次實際應用，在建設中的深中通道伶仃洋大橋（主跨1666米的懸索橋）應用更高強度的2060MPa鋼絲，如今興澄特鋼更是研製出用於生產2200MPa級鋼絲的盤條（強度1600MPa，下圖）。