PSB830精軋螺紋鋼筋生產(chǎn)實(shí)踐

潘建洲

(福建三鋼集團(tuán)閩光股份有限公司 棒材廠, 福建 三明365000)

摘要：高強(qiáng)度精軋螺紋鋼筋國(guó)內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)較少,該產(chǎn)品生產(chǎn)數(shù)量占整個(gè)鋼筋市場(chǎng)份額很小,且各生產(chǎn)線工藝不盡相同,質(zhì)量和成本方面參差不齊.介紹了某棒材廠生產(chǎn)開發(fā)的規(guī)格為φ32 mm的PSB830精軋螺紋鋼筋的工藝要點(diǎn),主要針對(duì)包括化學(xué)成分、孔型設(shè)計(jì)、相位調(diào)節(jié)、金相分析和產(chǎn)品力學(xué)性能等生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題,提出了解決之道.通過(guò)工藝試驗(yàn),解決了性能不穩(wěn)定、外形控制精度低的難題,同時(shí),獨(dú)特地應(yīng)用無(wú)級(jí)相位調(diào)節(jié)器與緩冷坑工藝,創(chuàng)造性地消除了時(shí)效性能對(duì)后續(xù)使用帶來(lái)的影響,使該產(chǎn)品的生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量最優(yōu)、成本最低和效率最高的目標(biāo).

關(guān)鍵詞：PSB830精軋螺紋鋼筋; 金相分析; 力學(xué)性能

收稿日期：2015-05-13

作者簡(jiǎn)介：潘建洲(1971—),男，高級(jí)工程師，主要從事鋼鐵冶金方面的研究.E-mail:13328584557@189.cn

中圖分類號(hào)：TG 335.64

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract：High strength precision-rolled reinforced rebar is less in domestic production enterprises,the product quantity accounted for the entire reinforced market share is still very small proportion,but the production process is not the same,uneven quality and cost.This paper introduces the key technology in the development and production of Sansteel bar plant with 32 mm PSB830 finishing rolled rebars,aiming at the pass design,including chemical composition,phase adjustment,metallographic analysis and mechanical properties of the products such as the production practice process,and proposed solutions.Through the process test,solve the unstable performance,shape control problems and low precision.The unique application of Stepless phase regulator and slow cooling pit creatively eliminates the influence of aging performance on subsequent use,so that the products to achieve the best quality,the lowest cost,the highest efficiency of the main target.

Keywords：PSB830 finishing rolled rebar; metallographic analysis; mechanical property

Productive Practition of PSB830 Finishing Rolled RebarsPAN Jianzhou

(Bar Steel Rolling, Minguang Co., Ltd. of Fujian Sansteel, Sanming 365000, China)

0引言

預(yù)應(yīng)力混凝土用螺紋鋼筋(精軋螺紋鋼)是20世紀(jì)70年代原聯(lián)邦德國(guó)開發(fā),并獲專利權(quán)的產(chǎn)品,后被美、日、英等國(guó)家引進(jìn).我國(guó)2006年發(fā)布了GB/T 20065―2006《預(yù)應(yīng)力混凝土用螺紋鋼筋》標(biāo)準(zhǔn),按屈服強(qiáng)度分為PSB785、PSB830、PSB930和PSB1080等4個(gè)級(jí)別,按公稱直徑分為18、25、32、40和50 mm等5個(gè)規(guī)格[1].

高強(qiáng)度精軋螺紋鋼筋是在整根鋼筋上軋有外螺紋的大直徑、高強(qiáng)度和高尺寸精度的直條鋼筋.該鋼筋要求在任意截面都能擰上帶有內(nèi)螺紋的連接器或錨具進(jìn)行連接或錨固[2].它廣泛應(yīng)用于大型水利工程、工業(yè)和民用建筑中的連續(xù)梁和大型框架結(jié)構(gòu),公路、鐵路大中跨橋梁,核電站及地錨等工程.具有連接、錨固簡(jiǎn)便,黏著力強(qiáng)、張拉錨固安全可靠以及施工方便等優(yōu)點(diǎn),而且節(jié)約鋼筋,減少構(gòu)件面積和重量[3].當(dāng)前國(guó)家正全力推行“一帶一路”新經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè),大型港口、高鐵、高速公路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)使高強(qiáng)度精軋螺紋鋼筋的使用前景看好.

但由于高強(qiáng)度精軋螺紋鋼筋的市場(chǎng)份額并不大,因此國(guó)內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)較少,其工藝裝備不同,生產(chǎn)質(zhì)量和制造成本差異較大.制造精度與性能穩(wěn)定程度成為衡量產(chǎn)品好壞之關(guān)鍵.

某鋼廠根據(jù)市場(chǎng)需求,開發(fā)φ32 mm規(guī)格的PSB830精軋螺紋鋼筋,在開發(fā)過(guò)程中,經(jīng)過(guò)一系列改進(jìn),并創(chuàng)新應(yīng)用緩冷坑工藝,成功解決了上述難題.

1鋼筋的研制

1.1　技術(shù)要求

1.1.1　化學(xué)成分設(shè)計(jì)

國(guó)標(biāo)GBT 20065―2006中,對(duì)精軋螺紋鋼筋的化學(xué)成分除S、P質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制≤0.035%外,其他元素未作明確規(guī)定.參照同行經(jīng)驗(yàn),自主研發(fā)設(shè)計(jì)C、Mn、Si、V等主要有強(qiáng)化作用的元素含量,具體成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表1.

表1　PSB830精軋螺紋鋼筋的化學(xué)成分

1.1.2　力學(xué)性能要求

PSB830精軋螺紋鋼筋的力學(xué)性能要求參考國(guó)標(biāo)GB/T 20065―2006,并制定自己的內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn),加嚴(yán)把關(guān)產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量,具體力學(xué)性能要求見表2.

表2　PSB830精軋螺紋鋼筋的力學(xué)性能

1.1.3　外形要求

精軋螺紋鋼筋外形與普通螺紋鋼筋相比差異較大,無(wú)縱肋且鋼筋兩側(cè)螺紋嚴(yán)格要求在同一螺旋線上.檢查外形時(shí)除測(cè)量尺寸外,還需要用連接器或錨具進(jìn)行檢驗(yàn),同時(shí)要保證在任意截面處均可旋入帶有相匹配形狀的內(nèi)螺紋的連接器或錨具,這就需要生產(chǎn)時(shí)對(duì)精軋螺紋鋼筋外形尺寸進(jìn)行精確控制,同時(shí)要求通條尺寸波動(dòng)小.本文涉及的φ32 mm規(guī)格產(chǎn)品外形尺寸設(shè)計(jì)主要參照GB/T 20065―2006及用戶技術(shù)協(xié)議要求,具體外形設(shè)計(jì)值見表3,外形見圖1.

表3　PSB830精軋螺紋鋼筋外形尺寸

1.2　方案設(shè)計(jì)

1.2.1　軋制工藝設(shè)計(jì)

圓棒生產(chǎn)線采用160 mm×160 mm方坯,φ32 mm規(guī)格PSB830精軋螺紋橫截面積為804.2 mm2.根據(jù)螺紋鋼筋生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),道次伸長(zhǎng)率選擇1.28左右為宜,經(jīng)過(guò)式(1)計(jì)算,選用14道次出成品,成品機(jī)架為立式短應(yīng)力軋機(jī).

F0/F=δn

(1)

式中:F0為坯料橫截面積;F為成品橫截面積;δ為道次伸長(zhǎng)率;n為道次.

1.2.2　孔型設(shè)計(jì)

1#至K3道次采用螺紋鋼筋通用橢圓-圓孔型系統(tǒng).由于精軋螺紋鋼筋的橫截面形狀為沒(méi)有縱肋梯形牙橫肋,故K1、K2道次的設(shè)計(jì)采用專用孔型,其中K1按國(guó)標(biāo)要求設(shè)計(jì),K2采用橢圓變態(tài)孔設(shè)計(jì)方式來(lái)控制橫肋充飽度和消除縱肋,具體孔型如圖2所示.

1.2.3　軋槽加工

(1) 螺距設(shè)計(jì).精軋螺紋鋼筋要求任一位置截開均可擰上帶有內(nèi)螺紋的連接器,螺距設(shè)計(jì)是否合理直接決定精軋螺紋鋼筋成品是否能夠用檢驗(yàn)螺母順利旋合,其螺距大小主要取決于軋輥上原始橫肋間距的車銑精度和前滑值的確定[4].因此,軋槽加工需嚴(yán)格控制螺紋升角、螺距等關(guān)鍵尺寸.成品溫度熱軋,螺距設(shè)計(jì)必須考慮熱脹冷縮系數(shù)(μ)和軋件前滑系數(shù)(k)的影響,螺距L=L0×μ/(1+k),前滑系數(shù)可以通過(guò)式(2)Fink公式[5]進(jìn)行初步計(jì)算,并在試驗(yàn)中進(jìn)行修正.

k=2×sin2(α/2)×[(D/h)×cosα-1]

(2)

式中:α為中性角;D為軋輥直徑;h為軋件軋后高度.

(2) 輥徑選擇.螺距確定后,可根據(jù)整數(shù)倍關(guān)系確定軋輥直徑,通過(guò)公式(3)計(jì)算.

D=N×L/π+d-S

(3)

式中:N為螺紋槽數(shù);L為螺距;D為基圓直徑;S為輥縫值.

1.2.4　對(duì)牙調(diào)整

(1) 相位調(diào)節(jié)裝置設(shè)計(jì).相位調(diào)節(jié)器是調(diào)整相位的主要裝置,其保證鋼筋兩面螺紋嚴(yán)格對(duì)正,“相位”一致[6].本相位調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)思路是在K1外輥支萬(wàn)向接軸增設(shè)無(wú)級(jí)變速相位調(diào)節(jié)器來(lái)實(shí)現(xiàn),需要對(duì)牙調(diào)節(jié)時(shí)脫開接軸鎖緊螺桿,通過(guò)內(nèi)六角轉(zhuǎn)動(dòng)無(wú)級(jí)變速調(diào)節(jié)器使外輥沿軋制方向轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度,此時(shí)反映到軋輥表面線差為L(zhǎng).

(2) 對(duì)牙調(diào)整方式.小樣從K2軋出后,通過(guò)游標(biāo)卡尺測(cè)量?jī)?nèi)外輥錯(cuò)牙間距,測(cè)量出小樣錯(cuò)牙間距S后,根據(jù)|S-L|≤0.2 mm的要求進(jìn)行調(diào)整,此方法調(diào)整精度好、效率高.

1.2.5　軋制工藝控制

(1) 鋼坯加熱.加熱溫度越高,鋼的變形抗力越小,當(dāng)變形溫度低于1 020℃時(shí),隨著變形溫度的提高,晶粒粗化趨勢(shì)不明顯,這時(shí)的晶粒較細(xì)(晶粒度7.5～9級(jí)).當(dāng)變形溫度為1 050℃時(shí),晶粒明顯粗化,當(dāng)變形溫度達(dá)到1 080℃時(shí),晶粒尺寸達(dá)到65 μm(相當(dāng)于5級(jí)晶粒度).晶粒尺寸細(xì)小,意味著珠光體球團(tuán)小,鋼的塑性好.為了得到較細(xì)的組織,變形溫度應(yīng)控制在1 020℃以下[7].結(jié)合PSB830鋼種特性和車間加熱爐的實(shí)際情況,加熱爐加熱段溫度控制在1 040～1 100℃,均熱段溫度控制在1 060～1 160℃,鋼坯出爐溫度控制在1 020～1 030℃,通過(guò)控制軋制節(jié)奏保證鋼坯斷面加熱均勻,通條溫差≤30℃,從而充分發(fā)揮V等微合金元素的彌散沉淀強(qiáng)化作用.

(2) 軋后控冷.PSB830精軋螺紋鋼筋強(qiáng)度要求高,僅采用微合金化不能滿足要求,生產(chǎn)精軋螺紋鋼筋普遍采用微合金化和軋后余熱處理工藝來(lái)提高強(qiáng)度級(jí)別,軋后余熱處理工藝可以極大地提高鋼筋強(qiáng)度[8].本產(chǎn)品研發(fā)采用軋后超快速冷卻淬火方式提高強(qiáng)度.表層超快冷工藝下高強(qiáng)精軋螺紋鋼筋具有典型組織特征:邊部回火索氏體,芯部鐵素體+珠光體,通過(guò)彌散析出、相間析出和鐵素體基體中位錯(cuò)線上析出等多種析出強(qiáng)化方式,彌補(bǔ)部分芯部軟相和邊部過(guò)冷強(qiáng)化相的強(qiáng)度差異,保證了軋材的性能穩(wěn)定[9].同時(shí)嚴(yán)格控制冷床上測(cè)溫點(diǎn)處的自回火溫度區(qū)間,為(700±30)℃,避免出現(xiàn)異常組織.自回火溫度低于650℃時(shí),鋼筋的心部易于出現(xiàn)混合組織.在生產(chǎn)試制時(shí),通過(guò)測(cè)定鋼筋在冷床上的自回火溫度來(lái)調(diào)節(jié)水量和冷卻段長(zhǎng)度,使自回火溫度接近目標(biāo)值[10].

2試制結(jié)果分析

2.1　外形尺寸

經(jīng)檢測(cè),鋼筋各項(xiàng)外形尺寸均符合標(biāo)準(zhǔn)要求,而且能夠?qū)崿F(xiàn)在任意截面順利旋入配套的檢驗(yàn)螺母和連接器,鋼筋外形尺寸見表4.

表4　精軋螺紋鋼筋外形尺寸測(cè)量數(shù)值

2.2　力學(xué)性能

從圖3可看出,φ32 mm PSB830精軋螺紋鋼7 d時(shí)效后,屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和最大力總伸長(zhǎng)率4項(xiàng)主要力學(xué)性能基本沒(méi)有達(dá)到內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)要求.從圖4可看出,在時(shí)效21 d后,屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和最大力總伸長(zhǎng)率4項(xiàng)主要力學(xué)性能均達(dá)到國(guó)標(biāo)GB/T 20065—2006要求,但出現(xiàn)部分屈服強(qiáng)度未達(dá)到內(nèi)控要求,同時(shí)抗拉強(qiáng)度余量不足.

2.3　金相組織

從表5和圖5可以看出通過(guò)余熱淬火,鋼筋表面的組織為回火索氏體,深度為1.2 mm;表面與芯部之間的組織為細(xì)珠光體+鐵素體,深度為4.0 mm;芯部組織為正常的珠光體+鐵素體,1/4處鐵素體晶粒度≥7級(jí).

表5金相組織分析結(jié)果

Tab.5Analysis results of metallographic structure

3存在問(wèn)題及改進(jìn)措施

3.1　存在的問(wèn)題

(1) 由于此鋼種微合金元素含量高、生產(chǎn)節(jié)奏慢,當(dāng)出鋼溫度控制處于下限時(shí),軋件表面受軋輥冷卻水淬火、回火作用硬度升高,對(duì)K1軋槽沖擊大,容易產(chǎn)生破槽現(xiàn)象.破槽造成的凸塊影響連接器螺入,造成產(chǎn)品質(zhì)量缺陷.

(2) 因軋后控冷能力受限,成品回溫后上冷床溫度較高,晶粒度等級(jí)不足,導(dǎo)致屈服強(qiáng)度大部分低于內(nèi)控要求、抗拉強(qiáng)度余量偏低等現(xiàn)象.

(3) 由于PSB830精軋螺紋鋼筋合金成分高，且經(jīng)過(guò)余熱淬火,殘余應(yīng)力釋放周期長(zhǎng),其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和最大力總伸長(zhǎng)率等主要性能指標(biāo)需要時(shí)效20 d以上才能夠逐漸趨于穩(wěn)定,導(dǎo)致供貨周期較長(zhǎng).

3.2　改進(jìn)措施

(1) 控制出鋼溫度為中上限,進(jìn)行出鋼溫度窄區(qū)間控制,同時(shí)降低粗軋軋輥冷卻水冷卻強(qiáng)度,緩解軋件沖擊造成K1破槽現(xiàn)象.

(2) 增設(shè)一臺(tái)高壓水泵,水壓升高到2.0 MPa,同時(shí)對(duì)軋后控冷設(shè)備進(jìn)行改造,增設(shè)一組控冷設(shè)備并采用多組分段冷卻模式進(jìn)行控冷,避免表面出現(xiàn)不良組織.

(3) 成品快速收集,并進(jìn)緩冷坑進(jìn)行緩冷2 d,通過(guò)緩冷工藝后將力學(xué)性能檢測(cè)縮短至3 d.

4生產(chǎn)效果

通過(guò)改進(jìn)后,2014年9月,批量生產(chǎn)φ32 mm規(guī)格PSB830精軋螺紋鋼筋共600 t,合格率100%,成材率98.70%.生產(chǎn)過(guò)程中相位調(diào)節(jié)器達(dá)到一次對(duì)牙調(diào)整后不再跑位的效果.生產(chǎn)過(guò)程未再出現(xiàn)破槽現(xiàn)象.軋后控冷強(qiáng)度顯著增大.

4.1　力學(xué)性能

2 d后檢測(cè)結(jié)果如圖6所示.屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和最大力總伸長(zhǎng)率4項(xiàng)主要力學(xué)性能均達(dá)內(nèi)控要求,余量充足,通條力學(xué)性能穩(wěn)定性也得到進(jìn)一步提高.同時(shí),本批次產(chǎn)品委托專業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了10 h的松弛試驗(yàn),初始應(yīng)力為682 MPa,松弛率為1.0%,應(yīng)力松弛性能滿足國(guó)標(biāo)GB/T 20065―2006要求.

4.2　金相分析

金相檢測(cè)結(jié)果見表6.工藝優(yōu)化后鋼筋表面組織、過(guò)度層組織、心部組織形態(tài)沒(méi)有變化,但表面回火層厚度加深0.6 mm、珠光體含量提高5%,晶粒度提高0.5級(jí),鋼筋屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度得以大幅提高.

表6金相組織分析結(jié)果

Tab.6Results of metallographic structure

5結(jié)論

(1) 通過(guò)無(wú)級(jí)相位調(diào)節(jié)裝置,可實(shí)現(xiàn)快速對(duì)牙調(diào)整,提高生產(chǎn)作業(yè)效率,同時(shí)保證了PSB830精軋螺紋鋼筋外形尺寸精度高、通條穩(wěn)定性好的要求.

(2) 通過(guò)窄區(qū)間控制并提高出鋼溫度,同時(shí)降低粗軋軋輥冷卻水冷卻強(qiáng)度,緩解軋件沖擊造成K1破槽現(xiàn)象.

(3) 通過(guò)設(shè)備改造后,優(yōu)化軋后控冷余熱淬火工藝,并采取成品快速收集后2 d緩冷工藝,提高并穩(wěn)定了PSB830精軋螺紋鋼筋的各項(xiàng)性能指標(biāo),使得各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)均達(dá)到內(nèi)控要求,綜合性能良好.

(4) PSB830精軋螺紋鋼筋的生產(chǎn)開發(fā),為公司建材產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)調(diào)整拓寬思路,也為PSB930、PSB1030等更高等級(jí)精軋螺紋系列建筑用鋼筋的進(jìn)一步開發(fā)奠定基礎(chǔ).

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