钢丝绳制造技术发展特点

李昌令

（贵州钢绳集团附属企业公司，贵州 遵义 563000）

1 钢丝绳概述

1.1 定义

钢丝绳是以钢丝为原材料，利用力学和几何性质将多跟拧成一根挠性的绳索，可用作牵引、推拉、重物载荷等，广泛应用于船舶领域、石矿领域、土木领域、航天领域等，属于标准件。

1.2 构造及特点

钢丝绳的主要组成部分为钢丝和绳芯。钢丝的制造原料为碳素钢或合金钢，以冷拉或冷轧的方法将其凝造呈圆形丝状的材料，且“赋予”其较高的柔韧性和强度，对钢丝的使用可根据不同的工作环境因地制宜；绳芯在钢丝绳制造中主要负责的效用是减小摩擦、增强弹性和韧性，以提高钢丝绳的使用寿命。不同的钢丝绳使用不同材质的绳芯，常见材质有金属芯、有机纤维芯、石棉芯、合成纤维芯等。

钢丝绳之所以能广泛应用于各领域，主要由于其显著的特点能大大提高工作的效率。钢丝绳拥有较大的弹性，能绕卷成盘且在高速下能无噪声平衡运动。钢丝绳本身的重量很轻,但能承受住震动载荷。一般情况下,钢丝绳不易骤然整根折断,保证了安全使用性。此外，钢丝绳在重力载荷下的塑性变形很小，且一旦发生外表磨损产生毛刺，很容易就能发现并做出及时处理。

2 钢丝绳制造工艺及技术参数

2.1 制造工艺流程

2.1.1 拉丝

拉丝是钢丝绳制造中的首道工序，笼统来说是指将原材料依次进行酸洗、磷化、剥壳和开坯等工序，且在此过程中要进行反复多次的拔拉以改变其内部的分子结构，使最终的钢丝绳能够达到一个目标直径。具体来看：首先，要利用酸液洗除原材料表面因被腐蚀而产生杂质以及轧皮过程产生废弃渣，此举动又可以成为剥壳，即通过化学手段将原材料上的氧化物自动脱离，免除杂质对开坯和拉丝模具的影响；然后，进入到磷化阶段，用磷酸盐溶液浸泡钢丝绳原材料，在表面形成一层刚劲有力且不溶于水的保护薄膜，能够防止原材料被腐蚀；然后，对原材料进行冷拔丝，使其强行穿过一个直径更小的孔，间接缩小圆钢的直径，拉伸圆钢的长度，并反复这个过程。这样经过塑性变形的钢材，其硬度会大大提升，且基本清除了其塑性；最后，要对钢丝进行回火制造，由于钢丝的分子结构在第一道工序时遭到破坏，回火可再次恢复其分子结构，以便于再重复第二、三、四到程序直到达到我们想要的强度。要注意的是，钢丝的强度是经由拉丝造就的，而不是经过热加工处理的，但是在制作钢丝绳时不能一味追求高强度，高强度对应的必然是低柔韧和低耐磨度，因此选择时要视情况而定。

2.1.2 捻股

在生产钢丝绳时，一般根据需求方对钢丝绳的用途来决定钢丝绳的结构、原料和类型。通常情况下钢丝绳使用的是直径为0.1mm～6mm 的圆断面碳素钢丝。从用途出发，可以将钢丝绳的类型分为有悬吊桥梁用绳和矿用捻股、架空索道用承载绳、传动装置用牵引绳、电梯用绳、捆扎和拖编货物用系扎绳等。现如今行业内的钢丝绳用途不断增多，种类业日渐增加，但总的来说品质好的钢丝绳要有较高的强度、较好的抗腐蚀性、耐压性、密实性、抗疲劳性等特性，尤其是强度特性，一定要达标。钢丝绳的截面结构分为多种，由于接触方式的不同，常见的有线接触圆股、面接触圆股、点接触圆股、异形股等。

捻股过程中还有两道重要的防腐程序：涂油和镀层。不论哪种类型的钢丝绳都要进行涂油，涂油时要求不仅表面上均匀涂满，还要将油浸透到钢丝绳的绳芯中以达到抗腐蚀、抗腐烂和润滑的效果。对不同用途的绳涂油还有所讲究，一般摩擦严重的矿井钢绳要涂抹黑油油脂以减小摩擦阻力、增强抗水性，而其他类型的钢绳一般涂抹红油油脂，在表面形成一层油膜，达到防锈、清洁力度高的效果。

2.1.3 合绳

合绳是制造钢丝绳的子厚一道工序，是利用合绳机以螺旋运动的方式将绳股绕绳芯转动形成最终的钢丝绳。合绳是最后一步，也是关键一步，因而要严格按照钢丝绳的技术标准执行。要选用合适的合绳机，并股的规格、捻向、长度和结构选用合适的股。随后将在装有股的工字轮安装在合绳机的工字轮轮架上。合绳与捻股的程序有所相似，仅仅在捻制工艺上有所不同，钢丝绳的捻制类型可分为：单捻钢丝绳的捻制、双捻钢丝绳的捻制和三捻钢丝绳的捻制。

2.2 技术参数

2.2.1 绕绳方法

钢丝绳的绕绳方法分为单股、多股、异形三种。捻制（圆截面）钢丝绳分单股和多股之分，如1*19、7*7 等。由于钢绳要求柔软，要求钢丝很细，捻制工艺不便同时捻制太多根钢丝，所以单股绳不适合作直径太大的钢绳。多股钢丝则可以客服这一问题，但股绳之间的间隙加大，同样直径，钢丝绳强度可能会有下降，另外的缺点是表面空隙加大，和其他构建接触时磨损加大。

2.2.2 接触形式

钢丝绳的接触形式主要有点接触、先接触和面接触。点接触式的钢丝绳特点是每层钢丝绳的拧绕后的螺旋角度大致一致，以保证钢丝能够受力均匀，但由于拧距间的差异又使得内层与外层钢丝出现交叉，呈点接触状。线接触式的钢丝绳，其钢丝的直径各不相同，但层与层之间的捻距相等，因而呈线接触状；面接触式的钢丝绳主要由异形钢丝制成，其抗拉能力较强、但可挠性差，且生产成本高。

3 钢丝绳制造技术发展特点

随着对钢丝绳的应用范围扩大，钢丝绳制造行业在质量、产量等方面也取得了很大的进步。近年来的钢丝绳的年产量以达到了180 万吨以上，既满足了内需又能向国外出口。与钢丝绳制造相关的上游行业发展同样促进了钢丝绳工艺的进步，钢材冶炼水平的显著提升为钢丝绳制造提供了大量高质量大盘重热轧盘条。此外，与钢丝绳直接相关的技术，如捻制结构的全面优化，钢丝绳制造机作业水平的提升等都显著提高了钢丝绳的生产效率，且在保证强度和抗拉度的前提下，改善了钢丝绳的柔韧性。具体从发展的角度看，钢丝绳的技术有以下几个特点：

3.1 同心层钢丝或股绳保留一定的间隙

传统的钢丝绳制造技术强调股绳或钢丝之间的密实捻制，并将其认定为必须的结构参数。后来随着钢丝绳的技术发展，欧美等钢丝绳生产大国通过大量实验发现传统的密实捻制有损钢丝绳的使用寿命，进而提出了保持间隙的理念。相对于传统，股绳或钢丝保持间隙可以避免捻制过程中对钢丝与股绳造成的形变。

钢丝绳结构中同心层钢丝绳或股绳保留一定的间隙，可以保证捻股过程中的外层股绳紧压内侧钢丝，从而加固了股绳与钢丝绳内部的紧密性和稳定性。常用的手段有在股绳之间添加填充物或对股绳进行覆盖包裹处理。需要注意的一点是在内部股绳结构中保留的间隙并不是均匀分布在内部各处的，而是随机的，既内部的股绳之间总会有直接性的接触，且发生弯曲、拉伸等举动，接触表面就会发生磨损。因而内部保留的间隙虽然可以增强稳定性，但是未能在很大程度上减缓钢丝绳因磨损而造成的损伤。

3.2 利用不同规格股绳优化钢丝绳性能

通过破断拉力实验可以判断出钢丝绳的实际载荷能力，也能够模拟作业环境综合判断钢丝绳的投入使用性，因而该实验是检验钢丝绳的试金石。对钢丝绳破断拉力的影响因素包括钢丝绳的结构、股绳捻制质量、钢丝直径等，还包含钢丝本身的尺寸和抗拉强度。因而，在测验破断拉力时可以在保证直径的前提下，调整钢丝的尺寸和抗拉强度以达到实际目的。在实际应用过程中，钢丝绳主要发挥的效用是承重载荷，但是使用期间无法避免对其的挤压、拉伸、反复摩擦、震动等操作，因而在保有较强的抗拉强度时，钢丝绳也要有较好的柔韧性以保证能够安全使用。

将生产难易程度各异、所处位置不同及性能有所区别的钢丝进行优化匹配，有利于延长钢丝绳的使用寿命，其中最好的例证是双强度电梯钢丝绳。将不同抗拉强度的钢丝匹配使用的这一理念在很多钢丝绳工艺标准中也有所体现，如《石油天然气工业用钢丝绳—最低要求和验收条款》标准中给出了一种方法—钢丝绳强度匹配方法，实际上这是就是将不同抗拉强度的钢丝进行适当匹配的思想应用。

3.3 延长捻距、部分减小三角股钢丝绳使用初始长度

从实际应用中观察到，与进口的钢丝绳相比，国内的钢丝绳总是会由于初始身长较长而导致使用时的频繁调绳，这一结果的主要原因时国内钢丝绳与国外钢丝绳在捻距上的差异。进口的三角股钢丝绳捻距倍数一般显著大于国内产品捻距的倍数，因而国外倾向于通过增加捻距的倍数来缩短钢丝绳的初始长度以减轻使用时的麻烦。当然，造成捻距倍数差的原因还有可能是预张拉工艺的使用扩大了捻距倍数，这一因素不可排除。

3.4 组绳股加工工艺方法呈现多样性

传统的钢丝绳股绳一般都会采用捻制工艺生产，造成了股绳生产工艺的单一。随着钢丝绳制造技术的进步，如今推出了捻制工艺与压实工艺相结合的新技术。这种技术考虑到了不同规格的股绳有不同的优缺点，使用工艺上结合可以弥补互相的缺陷。相对而言，压实工艺提高钢丝绳的破断拉力，扩大与滑轮的基础面积，但操作不易，可挠性较差；而捻制股绳正好与之互补，两者的组合股绳可以提高钢丝绳的安全性，增强钢丝绳的抗拉度、柔软性和可操作性。

3.5 特殊生产工艺使用日趋广泛

随着钢丝绳应用的工作环境增多，对钢丝绳质量和性能要求也越来越高，一般通过结构来实现提质效果的工艺已经不太理想，一些钢丝绳制造企业在逐渐寻找新的生产工艺。钢丝绳制造技术发展至今的特殊工艺主要有填（注）塑、包覆工艺和压实工艺两大类。

填（注）塑、包覆和压实工艺在实践中已经得到了证明，能够很好的提升钢丝绳的使用寿命。目前此种方式的发展潜力较大，我国的煤炭、勘探、冶金业等都已经广泛引进使用此种工艺制造的钢丝绳。这种工艺的优点是能够减缓震动、增强耐磨度和腐蚀性并在股绳之间保持合理的间隙，与之相比，压实工艺的出现时为了提高钢丝绳的破断拉力、扩大与滑轮的接触面积。两者的目的都会提高性能和延长寿命，属于殊途同归。