优化桥梁结构和提高关键结构材料强度是国内外解决大跨度桥梁建设的通行做法。过去,我国桥梁建设所需大直径高强度低松弛预应力钢绞线仅能从日本等发达国家能进口,大大限制了我国桥梁和高层建筑的发展。针对我国在大直径特高强度低松驰预应力钢绞线方面既无国家标准、也无生产经验;既没有厘清钢绞线的强化机制,也没有可生产该类产品的设备的现状,从钢丝的组织演变机制、钢绞线的结构设计、拔制和捻制工艺优化及装备开发等方面进行攻关,贡献如下:
1)系统揭示大应变冷拔钢丝组织、结构和性能的演变机制。发明了大应变冷拔钢丝微观组织和力学性能的检测方法。首次提出钢丝纵截面的耐蚀性能随着应变量的增加先降低后提升,而横截面的耐蚀性能却随着应变量的不断增加而持续下降;晶界、珠光体团界面和相界面对点蚀的敏感性高。提出不同应变钢丝裂纹扩展受珠光体团内剪切式断裂、沿珠光体团界以及沿铁素体、渗碳体片层的相界面断裂等三种剪切模型共同作用,以线性方式发生。通过厘清钢丝的强化理论,获得高强度钢丝的制备加工参数。
2)自主开发可视化平台设计了线接触式多丝大直径钢绞线。自主创新开发钢绞线二维、三维可视化结构设计平台,模拟捻制后应力状态,计算应力平衡水平,并通过配丝模块和工艺参数数据库的反复修正,准确计算出1×19钢绞线组成钢丝的强度、直径及结构关系。将钢丝点接触结构优化为线接触,提高了金属填充率,降低了钢绞线内部接触应力、提高了钢绞线的耐疲劳能力、金属面积以及破断拉力。在结构设计基础上,通过调节拉丝张力,精确控制转速及更新控制系统,自主集成创新了国内首台Φ1270大型直进式拉丝机,解决了钢丝在传统拉丝机走线环节多、扭转及打滑引起的磨损和产品质量难以控制等问题。
3)创新开发国内首台多丝大直径高强度低松弛预应力钢绞线的捻制组合设备。首次将一套跳绳式绞线机和一套筐篮式绞线机两台不同结构的捻制机重新组合,安装排列成一条捻制钢绞线的生产线,成为国内第一台多丝大直径钢绞线的捻制组合设备,实现既能联机一次捻制生产完成1×19类线接触结构钢绞线,也能单机独立生产1×7点接触结构钢绞线,解决过去钢绞线不能一次捻制完成,工序多,生产效率低的问题。产业化结果表明,1×19类多丝大直径钢绞线强度最高达到1910MPa,伸长率4%(≥3.5%),1000小时松弛率1.8%(≤2.5%),疲劳次数达到2×106次且未出现疲劳断丝,指标超过目前日本标准,达到国际先进水平。
项目产品远销埃及、越南、苏丹、印度尼西亚等“一带一路”沿线国家。还用于坝陵河大桥、北盘江大桥、金沙江特大桥、遂渝铁路、贵广高铁、河南能源化工集团矿山支护等重要控制工程,性能优良,满足工程需求。该项目还带动了首钢水城钢铁(集团)有限责任公司SWRS82B盘条从无到优的跨越发展,推动在博彩论坛内形成盘条--钢绞线的制造产业链。
成果获2020年度博彩论坛科技进步一等奖。