海洋工程系泊用高强度耐腐蚀钢丝绳及其制作方法与流程

1.本发明属于海洋工程系泊用钢丝绳应用技术领域，具体涉及海洋工程系泊用高强度耐腐蚀钢丝绳及其制作方法。


背景技术：

2.随着陆地资源短缺，环境恶化，对海洋资源的开发利用成为世界各国的关注热点。
3.系泊用钢丝绳是海洋平台、海面机械、大型船舶等浮式结构物的系泊系统的重要组成部件，是保证浮式结构物的作业需求，安全和正常运行的关键。
4.国外的海洋工程系泊用钢丝绳生产和研究已经比较成熟，知名的钢丝绳生产厂家如英国bridon，韩国kiswire，意大利redaelli，印度ushamartin、奥地利teufelberger等，可生产6股、8股甚至15股的钢丝绳，强度级别达到 1960mpa以上。造成以上问题的主要原因包括：1)材料研发滞后，尚未开展针对海洋大气环境的高性能钢丝绳研制和应用；2)冶炼水平低，成分偏析严重，有害杂质元素控制水平低；3)钢丝绳生产工艺技术水平有待突破。国内的工艺设计技术已经出现瓶颈，在现有装备和工艺条件下，粗直径镀锌钢丝绳达到 1960mpa已经相当困难；4)还不掌握结构复杂直径较粗的钢丝绳制备技术。这种高端钢丝绳之所以难以生产，主要技术难题为：1)如何保证高氯离子环境下的使用寿命；2)如何实现高强度与柔韧性及疲劳性能的综合调控；3)如何保证实现低成本、绿色化的生产工艺。
5.因此，基于上述问题，本发明提供海洋工程系泊用高强度耐腐蚀钢丝绳及其制作方法。


技术实现要素：

6.发明目的：本发明的目的是提供海洋工程系泊用高强度耐腐蚀钢丝绳及其制作方法，其结构设计合理，具有极高强度破断拉力(破断拉力＞1890kn)，同时具有良好的耐磨损耐疲劳性能、良好的耐海水腐蚀性能，使用寿命最长达 10-30年。
7.技术方案：本发明的一方面提供海洋工程系泊用高强度耐腐蚀钢丝绳，所述高强度耐腐蚀钢丝绳的直径52mm-55mm，结构为6*36ws，破断拉力＞1890kn，应力/拉伸强度＝0.45，断裂时间＞200小时，单根高强度耐腐蚀钢丝绳钢丝，由以下其化学成分按质量百分比组成，cr:23％，mn n:7％，w:2％，cu:0.6％，余量： fe及不可避免的杂质。
8.本技术方案的，所述mn n:7％中mn的化学成分按质量百分比计为0.5％-4％，n 的化学成分按质量百分比计为3％-6％。
9.本发明的另一方面提供海洋工程系泊用高强度耐腐蚀钢丝绳的制作方法，包括以下步骤，步骤1、原料准备；步骤2、感应熔炼；步骤3、成分检测；步骤4、铸坯检验及修磨；步骤5、热轧；步骤6、第一次质量检测；步骤7、固溶处理；
10.步骤8、酸洗；步骤9、冷拔；步骤10、第二次质量检测；步骤11、捻合、入库。
11.本技术方案的，所述步骤2中采用中频感应熔炼，原料经加热烘干，保持原料干燥纯净，降低钢中的气体含量，为保证双相不锈钢的纯净度，所选原材料为纯净度较高的金
属，中间合金均为超低碳合金；所述步骤4和步骤5中铸坯检验及修磨后热轧成直径为4-6.5mm的粗钢丝。
12.本技术方案的，所述步骤7、步骤8和步骤9中，在进行拉丝工艺时，总减径量达到65－75％时，进行二次固溶处理：(a)第一道固溶处理，热轧制直径4-6.5mm的粗钢丝，经1100℃
×
1h固溶处理，出炉后快速水冷，使用 22％硝酸与6％氢氟酸混合后进行酸洗钝化并烘干，第一道拉丝直径按1.08系数进行减径，直径为5.5mm，第二道拉丝直径按1.09系数进行减径，直径为 5.2mm，第三道拉丝按1.06系数进行减径，直径为4.5mm，后面拉丝均按1.1 系数进行减径，直至3.5mm直径，总减径量在72.3％；(b)第二道固溶处理直径3.5mm钢丝，1000℃
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0.6h固溶处理，出炉后快速水冷，使用22％硝酸与 6％氢氟酸混合后进行酸洗钝化并烘干，第一道拉丝直径按1.08系数进行减径，直径为3.3mm，第二道拉丝直径按1.09系数进行减径，直径为3.0mm，第三道拉丝按1.1系数进行减径，直径为2.8mm，后面拉丝均按1.1系数进行减径，直至0.8mm直径，总减径量在68.9％。
13.本技术方案的，所述步骤11中的捻合，(a)、先加工五个外层股，每个外层钢丝股是1
×
36ws的三层结构，中心层为两根钢丝直径为1.0-1.2毫米，内层为十七根钢丝直径为2.5-3.5毫米，外层十七根钢丝直径为2.5-3.5毫米，再加工一个中心股，中心股是1
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36ws的三层结构，中心层为一根钢丝直径为 1.0-1.2毫米，内层为十六根钢丝直径为2.5-3.5毫米，外层十九根钢丝直径为2.5-3.5毫米；捻股时，外层股的内层钢丝捻距逐渐缩小，捻距为1.5-1.75 毫米，中心股内层钢丝捻距逐渐缩小，捻距为1.8-2.0毫米，外层股的外层钢丝捻距逐渐缩小，捻距为19-20毫米，中心股外层钢丝捻距逐渐缩小，捻距为 18-20毫米，捻制完成后通过变形器，提高下压量，消除股中一部分预应力，其中，采用一平一竖后的变形器；(b)、合绳，按照6
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36ws的结构将1个中心股和5个外层钢丝股，合绳后不使用预变形器，钢丝绳预应力自然增加，再采用两平一竖的后变形器，增加钢丝绳的垂直度。
14.与现有技术相比，本发明的海洋工程系泊用高强度耐腐蚀钢丝绳及其制作方法的有益效果在于：(1)低成本的合理设计，以
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mn n
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代ni、以w和cu 等代mo，并适当采用低熔点元素微合金化的节约型双相不锈钢的成分设计，制备海洋工程应用的高的抗拉强度、优良的耐疲劳性能、优良耐海水腐蚀性能节约型双相不锈钢丝绳，在海洋工程用钢丝绳的材料研究领域，填补了国内空白； (2)节约型双相不锈钢丝变形过程中强塑性控制，以优化奥氏体和铁素体高温变形行为并均衡两者变形协调性为目标的合金化思路，在此基础上，澄清热变形过程中铁素体/奥氏体的软化行为、两相比例和协调变形机制，明确组织演变对热塑性的影响机理，探索双相不锈钢丝在常温拉拔变形过程中铁素体、奥氏体相组织演变规律和对塑性变形影响机制，解决无缺陷节约型双相不锈钢丝绳的生产制备技术难题；(3)耐腐蚀、长寿命的组织调控，节约型双相不锈钢向着高强度方向发展，为此国内外开发具有trip效应的节约型双相不锈钢成为了主要发展趋势，钢材经历冷塑性加工变形后，钢中发生形变诱导γ
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相变，对耐蚀性和疲劳性等的影响效果尚缺乏系统的综合评价，针对这一问题，提出了针对冷加工塑性变形后节约型双相不锈钢在复杂环境下的耐蚀性、动态疲劳特性进行综合评价的研究思路，将为进一步优化节约型双相不锈钢的组织性能设计提供更为精确的指导。
附图说明
15.图1是海洋工程系泊用高强度耐腐蚀钢丝绳的研究方法示意图。
具体实施方式
16.下面结合附图及具体实施例，进一步阐明本发明。
17.本发明的海洋工程系泊用高强度耐腐蚀钢丝绳，所述高强度耐腐蚀钢丝绳的直径52mm-55mm，结构为6*36ws，破断拉力＞1890kn，应力/拉伸强度＝0.45，断裂时间＞200小时，单根高强度耐腐蚀钢丝绳钢丝，由以下其化学成分按质量百分比组成，cr:23％，mn n:7％，w:2％，cu:0.6％，余量：fe及不可避免的杂质。
18.本发明的海洋工程系泊用高强度耐腐蚀钢丝绳优选的，所述mn n:7％中mn的化学成分按质量百分比计为0.5％-4％，n的化学成分按质量百分比计为3％-6％。
19.本发明的海洋工程系泊用高强度耐腐蚀钢丝绳的制作方法，包括以下步骤，步骤1、原料准备；步骤2、感应熔炼；步骤3、成分检测；步骤4、铸坯检验及修磨；步骤5、热轧；步骤6、第一次质量检测；步骤7、固溶处理；步骤8、酸洗；步骤9、冷拔；步骤10、第二次质量检测；步骤11、捻合、入库。
20.本发明的海洋工程系泊用高强度耐腐蚀钢丝绳的制作方法优选的，所述步骤2中采用中频感应熔炼，原料经加热烘干，保持原料干燥纯净，降低钢中的气体含量，为保证双相不锈钢的纯净度，所选原材料为纯净度较高的金属，中间合金均为超低碳合金；所述步骤4和步骤5中铸坯检验及修磨后热轧成直径为4
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6.5mm的粗钢丝。
21.本发明的海洋工程系泊用高强度耐腐蚀钢丝绳的制作方法优选的，所述步骤7、步骤8和步骤9中，在进行拉丝工艺时，总减径量达到65－75％时，进行二次固溶处理：(a)第一道固溶处理，热轧制直径4-6.5mm的粗钢丝，经 1100℃
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1h固溶处理，出炉后快速水冷，使用22％硝酸与6％氢氟酸混合后进行酸洗钝化并烘干，第一道拉丝直径按1.08系数进行减径，直径为5.5mm，第二道拉丝直径按1.09系数进行减径，直径为5.2mm，第三道拉丝按1.06系数进行减径，直径为4.5mm，后面拉丝均按1.1系数进行减径，直至3.5mm直径，总减径量在72.3％；(b)第二道固溶处理直径3.5mm钢丝，1000℃
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0.6h固溶处理，出炉后快速水冷，使用22％硝酸与6％氢氟酸混合后进行酸洗钝化并烘干，第一道拉丝直径按1.08系数进行减径，直径为3.3mm，第二道拉丝直径按1.09系数进行减径，直径为3.0mm，第三道拉丝按1.1系数进行减径，直径为2.8mm，后面拉丝均按1.1系数进行减径，直至0.8mm直径，总减径量在 68.9％。
22.本发明的海洋工程系泊用高强度耐腐蚀钢丝绳的制作方法优选的，所述步骤11中的捻合，(a)、先加工五个外层股，每个外层钢丝股是1
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36ws的三层结构，中心层为两根钢丝直径为1.0-1.2毫米，内层为十七根钢丝直径为 2.5-3.5毫米，外层十七根钢丝直径为2.5-3.5毫米，再加工一个中心股，中心股是1
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36ws的三层结构，中心层为一根钢丝直径为1.0-1.2毫米，内层为十六根钢丝直径为2.5-3.5毫米，外层十九根钢丝直径为2.5-3.5毫米；捻股时，外层股的内层钢丝捻距逐渐缩小，捻距为1.5-1.75毫米，中心股内层钢丝捻距逐渐缩小，捻距为1.8-2.0毫米，外层股的外层钢丝捻距逐渐缩小，捻距为19-20毫米，中心股外层钢丝捻距逐渐缩小，捻距为18-20毫米，捻制完成后通过变形器，提高下压量，消除股中一部分预应力，其中，采用一平一竖后的变形器；(b)、合绳，按照6
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36ws的结构将1个中
心股和5个外层钢丝股，合绳后不使用预变形器，钢丝绳预应力自然增加，再采用两平一竖的后变形器，增加钢丝绳的垂直度。
23.本发明的海洋工程系泊用高强度耐腐蚀钢丝绳的研究方法，包括以下方面如图1所示，
24.(1)、成分设计及合金冶炼，以双相不锈钢2205和ldx2101的合金成分为基础并以
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mn n
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代ni、以w和cu等代mo并适当添加低熔点元素为合金化思路，充分考虑mn、n元素对强度和腐蚀性能的影响，采用thermocalc或其它热力学计算软件及铁基合金数据库，计算分析合金元素种类及含量对钢的相比例及层错能变化的影响规律，确定合金化设计的基本方向。采用实验室真空炉进行合金冶炼，研究实现n的添加控制方式。同时，使o、p、s等夹杂元素含量符合实验用钢的要求。然后，通过改变合金成分和浇注温度、冷却强度等凝固工艺条件实现凝固组织的控制，确定合金成分及凝固条件对凝固行为的影响机理。
25.(2)、热变形过程中组织演变、热塑性变化规律的模拟实验，(a)采用热力模拟试验机模拟热变形行为、变形协调性和显微组织演变，通过不同的变形温度、应变速率及变形程度条件下真应力-真应变曲线测定及组织表征，建立流变应力本构关系，分析节约型双相不锈钢中铁素体/奥氏体的形变诱导相变机制及再结晶软化行为、取向关系及晶界分布特征等组织演变规律及两相间热应力产生规律，并结合应力状态分析，明确热变形过程中裂纹萌生及扩展的微观机制；(b)通过不同合金成分实验钢的热变形模拟实验、微观结构表征及宏观形貌观察，研究合金元素对铁素体/奥氏体两相高温硬度和两相变形协调性的影响机制，明确热塑性变化规律及机理。并结合热变形实验数据，开发准确预测热加工安全区的热力学模型。
26.(3)常规生产加工制备工艺的中试实验，(a)在该项目的实施过程中，通过冶炼－轧制－固溶处理-冷拔一整套工艺路线及设备，模拟生产过程中需要经历的各主要环节。通过控制轧制工艺及冷拔变形工艺，制备不锈钢丝，分析节约型双相不锈钢在各个变形过程中的组织演变规律。通过对热连轧过程的开轧温度、道次压下量、终轧温度等工艺参数控制研究热轧裂纹的控制方式，通过控制拉拔道次和道次变形量，明确表明裂纹和断丝产生原因及控制方法，获得表面光洁、内部无缺陷的不锈钢丝；(b)通过对钢丝绳结构的设计，设计绳股结构的组合形式运用微分几何学，建立钢丝捻制螺旋模型，研究确定股径、捻角、捻距、螺旋半径等参数。
27.(4)、材料微观结构表征，采用光学显微镜、fe-sem(配备ebsd附件)、 fe-epma、纳米压痕硬度仪和fe-tem等，分析不同控制工艺条件下节约型双相不锈钢丝制备过程各阶段的显微组织变化规律(主要包括两相比例，取向关系，成分分布、热应力，形貌特征，晶粒尺寸，晶界特征分布等)和第二相的种类、形状、数量及分布等变化规律，研究钢中第二相分布特征对钢材塑/韧性的影响规律,建立“成分-工艺-组织-性能”的对应关系，明确节约型双相不锈钢丝制备的强韧化机理。
28.(5)、性能评价，(a)采用拉伸实验机，分别检测实验钢丝的屈服强度、抗拉强度、延伸率等重要参数；(b)采用低周疲劳试验机对不同合金成分不锈钢丝的疲劳性能及含氯离子环境下腐蚀疲劳强度进行测试，揭示疲劳断裂及腐蚀疲劳机理，评价钢丝在海洋环境条件的使用寿命；(c)采用恒温恒湿箱、电化学设备和周期浸润腐蚀试验箱等腐蚀试验设备，利用失重和电化学实验方法 (如动态极化测试、交流阻抗等)研究不同拉伸变形程度、应变
速率等条件下亚稳奥氏体的相变量对钢材的耐腐蚀性能的变化规律，明确钢中显微组织结构变化对耐蚀性的影响机理。
29.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。