一、研究的背景与问题

金属线材制品是指以金属线材为原料，经过拉拔或冷轧等方式加工成的金属丝以及用丝进一步加工成的产品，具有强度高、抗松弛及蠕变能力强、疲劳寿命长、耐蚀及耐磨性能好、可在各种恶劣环境下长期工作等特点，是典型的高效钢材，广泛应用于国民经济中高速铁路、路桥建设、海洋工程、汽车、矿山、码头等诸多领域，具有无可替代的地位。长期以来，国际金属线材制品强国主要包括日本、德国、比利时、英国、美国和意大利等国家，他们以基础研究为支撑开发出一系列性能指标处于全球先进行列的高性能线材制品，同时通过装备的智能化实现低能耗和高效率的生产。相比之下，我国金属线材制品产业水平整体大而不强，缺乏全球竞争力。

法尔胜泓昇集团有限公司自2007年开始，依托一系列国家和省级重点科技计划项目，以珠光体组织强韧化机理的理论研究为突破口，并集中力量突破一批产业关键共性技术，开发出一系列高性能特种金属线材制品并完成产业化，抢占国际竞争的制高点，并获得2021年冶金科技进步一等奖。

二、解决问题的思路与技术解决方案

项目通过产学研合作，在“十一五”国家科技支撑计划和江苏省科技成果转化项目的支持下，经过十多年的系统研究，从理论基础、技术攻关、产品开发、装备研制以及产业化建设等方面进行了集成。项目的总体技术路线如图1所示：

图1项目总体技术路线图

三、主要创新性成果

1、率先开展了珠光体组织强韧化机理及微纳组织定量表征新技术研究，阐明了大变形过程中铁素体片层纳米化、形成细小弥散强化相与碳过饱和固溶体等的组织演化规律（如图2-7所示），突破了强度提高但塑韧性下降这一传统技术瓶颈，形成了制备超高强度钢丝的核心理论体系，提出了新的钢丝强度计算公式，开发出直径0.08mm、抗拉强度4600MPa的镀锌钢丝。

图2 珠光体钢丝拉拔微纳组织BSEI+EBSD定量表征

图3 大应变拉拔钢丝TEM组织特征

图4进口盘条EBSD组织分析 a) 反极图配色的取向重构图，b) 反极图

图5  国产和进口盘条微观组织示意图对比 (a) 国产盘条 (b)进口盘条

图6 珠光体钢丝扭转组织EBSD反极图配色图

图7 大应变拉拔珠光体钢丝中铁素体片层界面处的渗碳体

通过系统研究原料微合金化、形变量、热处理和成品钢丝冷拉拔工艺（包括道次压缩率、拉拔速度、润滑剂温度和拉拔张力等）对钢丝性能的影响规律，在大规模工业化数据分析的基础上，建立了新的钢丝强度与形变计算模型，见式（1）所示（其中σ₀为未拉拔状态钢丝的抗拉强度，σ_b为拉拔后钢丝抗拉强度，k(ε)为与应变ε相关的硬化系数），进而突破了传统钢丝强度提高与塑、韧性下降的技术瓶颈，形成了钢丝强度与塑性匹配的理论模型，发明了几种超高强度钢丝生产技术方法，形成了应用国产化盘条生产超高强度钢丝的核心技术体系，并开发出直径达0.08mm、抗拉强度4600Mpa的镀锌钢丝（如图8和图9）。

2、首次系统地开展了金属线材制品全流程关键共性技术研究，发明了一系列核心技术，成功开发出以桥梁用智能型缆索、高速铁路用钢丝绳、超高强度输送带用钢丝绳为代表的具有自主知识产权的六大系列高性能特种金属线材制品，产品属国际首创或技术水平达到国际领先。

（1）桥梁用智能型缆索，针对承载与传感器一体化的智能型缆索受力量程大的技术难题，发明了一种光纤光栅传感器减敏封装方法和缆索内置光纤光栅应变传感器的安装方法，确保了传感器存活率、索力测试的精度（索力测量精度1%、测量灵敏度0.1%）与可靠性（200万次疲劳试验后，索力测量精度仍可达到4.5%）。创新设计了在拉索连接筒区域的外层钢丝上局部布置特制光纤光栅传感器，发明了内置光纤光栅传感器的桥梁用智能缆索系统，国际首创“嵌入式”智能缆索解决方案（申请PCT专利，获得美国、韩国、日本等8个国家和地区的授权）实现了缆索体内索力及温度在生产、安装及运营全寿命周期的有效动态监测，并持续为大桥的健康安全运营提供数据支撑（如图10所示），解决了传统仅依靠体外检测的世界难题。

图10 荆岳长江（公路）大桥运营期监测图

（1）高速铁路用钢丝绳

针对我国高速铁路用钢丝绳对制绳钢丝的抗拉强度、疲劳、耐腐蚀、低温下力学性能稳定性等性能需求，创造性的设计了一种不锈钢、碳钢复合的钢丝绳结构（如图11），将二种金属材料的优点充分发挥；同时，为了防止二种金属材料电位不一而造成原电池腐蚀，创新地采用沥青基耐高低温油脂组合的方法，实现了丝、股间的完全密封。发明了一种高速铁路接触网用钢丝绳的生产方法，确保了在我国复杂环境下使用寿命超过10年的技术要求。

图11 不锈钢-碳钢复合结构钢丝绳结构示意图

（3）超高强度输送带用钢丝绳

突破超高强度输送带钢丝绳用制绳钢丝成形工艺和镀层工艺，获得强度、塑性兼具的高性能制绳钢丝，在保证钢丝绳破断拉力不降低的前提下，实现了钢丝绳直径减小10%、橡胶用量减少8%、输送带减重15%，在提高输送带使用寿命的同时，可大幅度降低运行成本，该技术已获国家发明专利和美国等7个国家的专利授权。生产出直径14mm、强度2600Mpa、且与橡胶界面黏合优异的超高强度输送带用钢丝绳，已供国际知名企业ST10000型输送带生产，关键性能指标处于全球领先地位，引领全球技术的展。

（4）同步带用微细钢丝绳

系统研究了超细钢丝及绳应力产生的原因，发明了一种微细钢丝绳生产方法，实现了13500米微细钢丝绳回转数仅在0-3r/6m的范围。系统研究含油量对微细钢丝绳与PU间的界面黏合性影响，获得微细钢丝绳的含油量与PU界面黏合性能关系，从而保证与PU间的高黏合力。制造出钢丝直径0.08mm、绳直径0.32mm、抗拉强度3400MPa、黏合力达110N/cm的产品，性能达国际先进水平，实现了大批量、系列化生产，不仅打破了国外垄断、替代进口，而且大批量出口。

（5）汽车操纵用柔性钢丝绳

基于钢丝强度与塑性匹配理论模型，研究原材料钢丝成形中的应变-强化关系。基于盐雾试验，分析锌层厚度、含油量对钢丝绳耐腐蚀性能影响规律。通过对轿车门窗玻璃升降系统受力情况和动态运行模式的全面分析，设计了新型的钢丝绳结构以及一系列消除残余应力的专用工装和检测仪器，提高了超高强度钢丝绳在动载受力条件下的弯曲疲劳性能，开发出高疲劳、耐腐蚀的汽车操纵用柔性钢丝绳，其最小破断拉力达到2700N、疲劳寿命大于1万次、盐雾腐蚀寿命达312h。

（6）超高强度不锈弹簧钢丝

从研究奥氏体不锈钢强度形成机理入手，围绕奥氏体不锈钢组织的稳定性，以降低钢丝温度、缩小与相变温度差距、提高相转变比例为核心，系统研究了奥氏体不锈钢化学成分组成、材料成分控制、拉拔模链配比、拉拔应力计算、热处理工艺等对超高强度不锈钢丝组织及力学性能的影响及规律。通过研究DV值、退火工艺（温度和时间）与不锈钢丝晶粒尺寸、力学性能关系，获得优化的DV值和退火工艺参数。基于上述研究成果，成功开发出强度达到2100MPa的超高强度奥氏体不锈钢弹簧钢丝等系列产品，实物质量达到了进口产品水平并实现替代进口。

3、开发了系列核心制造装备，构筑了具有自主知识产权的金属线材制品全流程制造系统，建立了完善的产品、质量及工艺等相关标准体系，实现了项目产品的大规模稳定化生产，形成了高性能特种金属线材制品15万吨/年的生产能力。

创新地设计了冷却系统、控制系统以及模链系统，实现了钢丝在线温度精确控制和高通量加工（最大拉拔速度可达20m/s），开发出新型直进式拉丝机和水箱拉丝机。发明了金属丝、股线支撑及放卷的摇篮装置，采用无级捻控制技术和恒张力放线技术，设计了大轴承承载及其润滑系统，开发出大轴承管式成绳机。在此基础上，构筑了具有自主知识产权的金属线材制品全流程制造系统。与项目实施前相比，生产效率提高30％、成材率提高1％、能源消耗降低30％、污染排放减少80％，为实现绿色制造奠定了基础。项目涉及产品均已完成了大规模稳定化生产，形成了完善的产品、质量及工艺等标准体系。主持或参与制修订国家标准11项和行业标准6项，企业标准8项，形成相关质量控制和作业指导等工艺过程文件153项。产品生产基地通过了ISO9001、ISO14000、ISO18000及API与IATF16949的各种体系认证。

四、应用情况与效果

项目所形成了一系列具有自主知识产权的理论成果、关键核心专利技术、配套装备均已在公司下属各生产基地得到大规模推广应用，与项目实施前相比，生产效率提高、能源消耗降低、污染排放减少、产品性能提高，为行业带来近百亿的间接经济效益。与国内同类研究相比，本项目取得的技术成果和开发的系列高性能金属线材制品产品均填补了国内空白，处领先水平，是国内同行追赶的目标，推动了我国高铁、桥梁、汽车、物流运输、核电等产业的发展。

桥梁用智能型缆索可实现对缆索索力及温度实时监测，为桥梁的施工、运营及养护提供科学依据，已实现稳定化、批量化生产，并成功应用于沪苏通长江公铁大桥、荆岳长江（公路）大桥、京杭运河泗阳大桥、宜昌庙嘴长江大桥等重要桥梁工程。

高速铁路用钢丝绳用于高速铁路接触网张力系统，具备优越的疲劳性能、耐腐蚀和耐高低温性能，满足我国南北气候差异，成功应用于京沪线、温福线、哈大线、包西线等高速铁路建设，已累计使用近万吨，也是国内唯一供应基地。

超高强度输送带用钢丝绳是高强度钢芯输送带的骨架增强材料，用于矿山、码头的矿石、煤炭等物料运输的输送带，主要客户包括美国固特异、德国大陆集团等国内外近40家。目前世界上最高强度ST10000的输送带就是采用的该系列产品，累计使用近50万吨。

同步带用微细钢丝绳是同步带的骨架材料，广泛应用于纺织、机床、烟草、印刷、喷绘、健身器材、雕刻等行业的机械传动中，是全球三家主要生产商之一。

汽车操纵用柔性钢丝绳已与上海通用、广州本田等世界一流汽车配套，用于汽车电动门窗集成、汽车后视镜控制、刹车控制、油箱操作控制等部件中，远销北美、欧洲、日本、东南亚，是国内第一品牌。

超高强度不锈弹簧钢丝技术质量水平达到了国外不锈弹簧钢丝行业标杆企业（日本精线、韩国KOS）水平，不仅已为国内客户顶替进口，而且已大批出口。2019年配套我国自行开发的华龙一号核电机组内核燃料棒用弹簧，并出口巴基斯坦核电项目，是国内唯一供应商，已列入国家发改委核电装备专项。

金属线材制品制造装备满足各种高性能金属线材制品生产需求，具有运行稳定、节能环保、操作方便等特点，主要客户除国内各大中型金属制品企业外，已远销韩国、日本等10余个国家和地区。

通过项目的实施，提升了项目完成单位的创新能力，培养了一批技术人才，为完成国家金属线材制品工程技术研究中心的建设、荣获国家技术创新示范企业、中国工业大奖和我国第一批制造业单项冠军等荣誉奠定了重要的基础。

随着本项目技术和装备的推广应用，必将极大地推动我国金属线材制品行业的技术进步和转型升级作出积极的贡献，促进我国从金属线材制品制造大国到制造强国的迈进。同时，通过与上游钢铁企业（如兴澄特钢）长期合作，逐步实现了线材国产化，摆脱了原料长期依赖进口（项目初期90%）的被动局面（目前仅10%），不仅节约了大量的外汇，也为我国钢铁产业的技术进步，特别是线材品质达到国际先进水平作出了重要贡献。

随着项目产品的推广应用，为我国大跨径、跨海桥梁和高速铁路建设提供了重要的材料保障，减少工程投资、延长使用寿命和提高可靠性，尤其智能缆索有效避免桥梁由缆索而引起倒塌事故的发生，确保人民生命财产安全，为我国该领域赶超国际先进水平作出了重要的贡献，促进了全球汽车、智能制造、物料输送等相关产业技术进步。

信息来源：法尔胜泓昇集团有限公司