預(yù)應(yīng)力混凝土用螺紋鋼筋的研制開發(fā)

劉寶超 劉桂華 蘇玲 （天津鋼鐵集團(tuán)有限公司棒材廠，天津 300301)

預(yù)應(yīng)力混凝土用螺紋鋼筋的研制開發(fā)

劉寶超 劉桂華 蘇玲 （天津鋼鐵集團(tuán)有限公司棒材廠，天津 300301)

介紹了PSB785預(yù)應(yīng)力混凝土用螺紋鋼筋中化學(xué)成分設(shè)計、孔型設(shè)計、控制冷卻工藝等研制開發(fā)過程。試制結(jié)果表明，鋼筋的外形尺寸、表面質(zhì)量和力學(xué)性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。在總結(jié)試制結(jié)果的基礎(chǔ)上，通過進(jìn)一步對化學(xué)成分調(diào)整和控制冷卻工藝的優(yōu)化，可以生產(chǎn)出PSB830級別的鋼材。

精軋 螺紋鋼筋 孔型 化學(xué)成分 力學(xué)性能 控制冷卻 研制

1 前言

預(yù)應(yīng)力混凝土用螺紋鋼筋又名精軋螺紋鋼筋，執(zhí)行GB/T20065-2006標(biāo)準(zhǔn)，主要用于制造高強(qiáng)度、大跨度、鋼筋用螺母連接方式的混凝土制品上，如核電站、水電站、橋梁、隧道、高速鐵路等重點工程。根據(jù)其用途主要以?25 mm、?32 mm規(guī)格需求量為最大。精軋螺紋鋼 筋 按 屈 服 強(qiáng) 度 分 為 PSB785、PSB835、PSB930、PSB1080 4個級別，其特點是在整根鋼筋上軋有外螺紋的大直徑、高精度的直條鋼筋。在整根鋼筋的任意截面都能旋上帶有螺紋的連接器進(jìn)行連結(jié)，或旋上螺紋帽進(jìn)行錨固。具有連接、錨固簡便、張拉錨固安全可靠、粘著力強(qiáng)等特點，又因省掉焊接工藝避免了由于焊接而造成的內(nèi)應(yīng)力及組織不穩(wěn)定等引起的斷裂。天津鋼鐵集團(tuán)有限公司根據(jù)市場需求，為了提升公司的核心競爭能力，由棒材廠開發(fā)了PSB785?32 mm螺紋鋼筋。

2 產(chǎn)品主要技術(shù)指標(biāo)

2.1 產(chǎn)品特點

精軋螺紋鋼筋是一種熱軋成帶有不連續(xù)的外螺紋的直條鋼筋，鋼筋在任意截面處，均可用帶有匹配形狀的內(nèi)螺紋的連接器或錨具進(jìn)行連接或錨固。

2.2 外形、尺寸、重量允許偏差要求

2.2.1 外形

鋼筋外形采用螺紋狀無縱肋且鋼筋兩側(cè)螺紋在同一條螺旋線上，外形如圖1。

圖1 鋼筋表面及截面

2.2.2 尺寸

見表1。

表1 鋼筋尺寸要求

2.2.3 重量偏差

精軋螺紋鋼筋的重量允許偏差與國標(biāo)熱軋帶肋鋼筋相比，不按規(guī)格來分。鋼筋按實際重量或理論重量交貨，鋼筋實際重量與理論重量的允許偏差應(yīng)不大于規(guī)定的理論重量的±4%。

2.3 性能要求

鋼筋的力學(xué)性能要求見表2。

表2 PSB835力學(xué)性能

精軋螺紋鋼筋筋與國標(biāo)螺紋鋼筋相比，具有如下特點：

（1) 截面面積變大，成品孔型基圓及橫肋形狀（等高肋)都需要改動;

（2) 各參數(shù)尺寸無論是內(nèi)徑、間距還是橫肋高尺寸范圍都小，要求嚴(yán)格;

（3) 鋼筋外形無縱肋，且橫肋在同一螺旋線上，要求成品架次的某一軸能前后調(diào)整，加大各道次及成品架的調(diào)整難度;

（4) 性能要求高，主要體現(xiàn)在屈服、抗拉強(qiáng)度高，工藝上得采用微合金化加軋后余熱控冷處理;

（5) 鋼筋端部要求平齊，不影響連接器通過，得離線鋸切，并倒棱;

（6) 調(diào)整難度大，生產(chǎn)效率低。

3 工藝設(shè)計

3.1 ?32 mm精軋螺紋鋼筋的工藝流程

150 mm×150 mm連鑄坯→加熱→6架粗軋→1#剪切頭尾→4架中軋→2#剪切頭尾→4架精軋→水箱冷卻→3#剪切倍尺→冷床冷卻→4#剪切定尺→打捆→掛牌→收集→堆垛→拆包→鋸切→倒棱→打捆→稱重→掛牌→入庫

3.2 化學(xué)成分

精軋螺紋鋼筋，國家標(biāo)準(zhǔn)中未給定化學(xué)成分，結(jié)合我廠棒材生產(chǎn)線工藝裝備的能力，設(shè)計化學(xué)成分。采用微合金化技術(shù)，在鋼中加釩合金，利用釩與碳化物、氮化物形成的碳氮化礬的細(xì)晶?；统恋韽?qiáng)化的作用[1]，提高鋼的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度，使鋼獲得良好的性能。采用的鋼種為40Si2Mn，設(shè)計V量為：≤0.15%;Si：1.2%～2.0%;Mn：0.5%～1.5%。C：控制在0.50%以下，S、P：≤0.045%。

3.3 軋制工藝

3.3.1 孔型設(shè)計[2]

（1) 成品孔型基圓設(shè)計

見圖2。

圖2 ?32 mm精軋螺紋成品孔型示意圖

精軋螺紋鋼筋與國標(biāo)螺紋鋼筋相比，橫截面積稍大，以?32 mm規(guī)格為例，理論截面面積比公稱截面面積大42.3 mm2，可以認(rèn)為這部分是由于內(nèi)徑造成的，因為肋的面積只占總面積的7%左右。

軋槽高度：

Hk取內(nèi)徑高度32 mm;即半徑R為16 mm。

軋槽寬度：

式中：d——公稱直徑;

δ+——正公差。

由于標(biāo)準(zhǔn)中對無縱肋要求嚴(yán)格，為避免在軋制過程中的鋼溫及張力影響使得尺寸超差，成品孔設(shè)計成帶30°擴(kuò)張角的圓弧連接。設(shè)計輥縫值為3 mm。

式中：ρ——側(cè)角;

Bk——軋槽寬度;

R——基圓半徑;

θ——擴(kuò)張角;

S——輥縫值。

將數(shù)據(jù)帶入（1)式中，求得側(cè)角ρ為20.91°，此值小于30°擴(kuò)張角，按（2)式確定擴(kuò)張半徑值R1。

將數(shù)據(jù)帶入（2)式中，求得擴(kuò)張圓弧半徑為22 mm。

（2) 成品橫肋及橫肋間距設(shè)計

橫肋為等高肋，考慮到負(fù)公差、旋入螺母以及軋槽的使用壽命等問題，選橫肋高度尺寸為2.4 mm。與國標(biāo)螺紋鋼筋不同，精軋螺紋鋼筋給出底寬的要求，對頂寬無要求，原則上底寬太大容易造成橫肋充不滿，太小造成橫肋瘦不能保證與連接器連接后的錨固力。底寬根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)選擇6.7 mm，橫肋斜角根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制選擇45°，螺紋根弧根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)取2 mm（減小應(yīng)力集中)。

橫肋間距參數(shù)：精軋螺紋鋼筋偏差（±0.3 mm)比國標(biāo)螺紋鋼筋偏差（±1 mm)標(biāo)準(zhǔn)要求更加嚴(yán)格，因為精軋螺紋鋼筋要旋入錨具或連接器，且于之配合間隙均勻。國標(biāo)螺紋鋼筋橫肋間距范圍大，可大可小，精軋螺紋鋼筋橫肋間距范圍小。根據(jù)國標(biāo)螺紋鋼筋的生產(chǎn)經(jīng)驗，以及對前滑的考慮，按前滑率為6.25%計算間距為15 mm。

或者按以下公式計算：

式中：N——橫肋個數(shù);

D——軋輥外徑;

L——軋輥外圓間距（既考慮前滑又考慮橫肋間距不能超標(biāo)準(zhǔn)，取L為16.26 mm)。

當(dāng)D最大為380 mm時，求得N等于73.42個;將N取整為72時，求得軋輥外徑D為372.65 mm。根據(jù)深為14.5 mm，求得軋槽底部內(nèi)間距為14.996 mm，與經(jīng)驗值15 mm相吻合。

故將橫肋均勻分布在軋輥上。分布在軋輥上得出初次使用的軋輥直徑為372.65 mm，共72條橫肋，銑肋間距為15 mm。

（3) 成品前孔的設(shè)計

由于精軋螺紋鋼筋的成品孔面積比國標(biāo)螺紋鋼筋的成品孔大42.3 mm2，故應(yīng)該對精軋螺紋鋼筋的成品前架孔型（17#)進(jìn)行調(diào)整，以保證精軋螺紋鋼筋的成品架次有足夠的壓下量及充滿度，但還不能出縱肋。所以，仍然采用雙橢孔型，但是面積要加大。主要變化如下：將原來的槽口寬度加大5.23 mm，孔型高度縮小0.3 mm。最終使得紅坯面積比國標(biāo)螺紋紅坯面積大23 mm2，對16#與18#架次紅坯尺寸起到銜接過度的作用?？仔鸵妶D3。

圖3 ?32 mm精軋螺紋成品前孔型示意圖

（4) 延伸孔型的選擇

延伸孔型基本上與國標(biāo)螺紋共用，第1～4架選擇箱形孔型系統(tǒng)，第5～16架采用橢圓-圓孔型系統(tǒng)，軋機(jī)采用平-立交替布置，使軋制過程實現(xiàn)無扭軋制。1～6架采用微張力軋制，10～18架采用活套無張力軋制。

3.3.2 現(xiàn)場成品架次的調(diào)整

精軋螺紋鋼筋軋制的最大難點是對成品架次調(diào)整，因為既要保證所軋出的成品的外形符合國標(biāo)要求，又要使成品能順利旋入錨具和連接器，這就要求鋼筋兩面既不能“錯輥”，又不能“錯牙”。

錯輥可以和調(diào)整圓鋼一樣，通過測量小樣或成品的左右雙肩尺寸，通過軋機(jī)的軸向調(diào)整螺絲來向上或向下調(diào)整。

錯牙則通過調(diào)整成品軋機(jī)外側(cè)的連接軸實現(xiàn)。外側(cè)的連接軸采用無級變速液壓鎖緊軸，成品過小樣后，測量成品小樣左右牙相互錯動的距離，根據(jù)此距離，順時針或逆時針調(diào)整外側(cè)軸位置，使左右牙首尾相連，以便使所軋成品能順利旋入連接器或錨具。具體有兩種方法：一是憑借調(diào)整工經(jīng)驗，在調(diào)整軸時看里外軋輥的橫肋牙位置來調(diào)整;二是借助工具，測量左右牙錯動的距離根據(jù)以下公式推算出外軸所需要調(diào)整的尺寸。

式中：L——軸旋轉(zhuǎn)的距離;

D——軋輥直徑;

d——軸刻度處直徑;

X——成品小樣左右錯動距離。

注意調(diào)整外軸的順序是先松開液壓鎖緊螺絲卸壓，然后對外軸進(jìn)行調(diào)整，最后打壓鎖緊螺絲。一定要使外軸的上部分與下部分同時轉(zhuǎn)動，不能相互竄動，否則要從新調(diào)整。調(diào)整時未必一次就調(diào)好，有時需要反復(fù)去調(diào)整。

在過鋼的過程中，一定要調(diào)整好各架次的堆拉關(guān)系，最大限度地減少成品鋼筋前后通條的尺寸偏差。

3.3.3 控冷工藝調(diào)整

為了提高精軋螺紋鋼筋的鋼筋的強(qiáng)度，改善鋼的塑性和韌性，得到良好的綜合力學(xué)性能，達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求，除調(diào)整化學(xué)成分之外，軋后余熱淬火處理也可以使之提高。其原理為鋼筋出成品架次后，在奧氏體狀態(tài)下通過進(jìn)入水箱穿水，進(jìn)行表面淬火，表層淬成馬氏體，在隨后的冷卻過程中由心部傳出余熱，使表面進(jìn)行回火，形成回火馬氏體，而心部轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體和珠光體[3]。將終軋溫度控制在980-1 040℃，水箱出口溫度控制在520～560℃，水箱參數(shù)為：入口壓力：1.2～1.4 MPa，水量：900-1 100 m3/h。

4 軋制結(jié)果

4.1 表面尺寸

見表3。

表3 表面尺寸 /mm

從測量的表面尺寸可以看出，對于dh，成品尺寸均在國標(biāo)控制范圍內(nèi);對于dv，成品尺寸的中部和尾部均在國標(biāo)控制范圍內(nèi)，由于張力的影響，成品頭部稍小，超出國標(biāo)。對于橫肋高度，成品尺寸均滿足國標(biāo)。對于肋間距，成品尺寸均符合國標(biāo)。

?32 mm精軋螺紋鋼筋的尺寸外形基本滿足國標(biāo)要求，與驗規(guī)連接，均可旋入。

4.2 鋼筋力學(xué)性能

見表4。

從鋼筋力學(xué)性能可以看出，?32 mm精軋螺紋鋼筋的力學(xué)性能指標(biāo)存在如下問題：

（1) 一次檢驗中抗拉強(qiáng)度稍高于下限980 MPa，富裕量不大;

表4 鋼筋力學(xué)性能

（2) 一次檢驗中伸長率指標(biāo)低于或等于PSB785的下限7%;

（3) 一次檢驗中屈服強(qiáng)度和總伸長指標(biāo)均合格。

由于精軋螺紋鋼筋的鋼種屬于中碳鋼，性能需經(jīng)過時效后逐步趨于穩(wěn)定，經(jīng)過10天的時效后，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長率、總伸長各指標(biāo)均達(dá)到國標(biāo)PSB785的標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.3 成品的金相組織

采用高倍顯微鏡對螺紋鋼鋼筋的橫斷面進(jìn)行觀察：邊部組織為回火索氏體+回火馬氏體（少量)，過渡層為珠光體+貝氏體+鐵素體組織，芯部為珠光體和鐵素體組織。

5 結(jié)束語

采用微合金化和軋后余熱控制冷卻工藝相結(jié)合的生產(chǎn)方式生產(chǎn)?32 mm精軋螺紋鋼筋，性能達(dá)到PSB785級別要求。?32 mm精軋螺紋鋼筋的外形尺寸也達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。通過進(jìn)一步對化學(xué)成分的調(diào)整（適當(dāng)增加C、Si、Mn的含量)和控制冷卻工藝參數(shù)的優(yōu)化（通過對水壓、水量的調(diào)節(jié)，降低水箱出口溫度，使水箱出口溫度控制在490-515℃之間)，可以軋出性能合格的鋼材，甚至可以軋制出PSB830級別的鋼材。從2010年5月至2011年4月份，棒材廠軋制5次?32 mm精軋螺紋鋼筋，共生產(chǎn)28爐，其中符合PSB785級別的有9爐，符合PSB830級別的有19爐。

[1]王紹榮.澳標(biāo) 500N鋼筋的試制[J].軋鋼，2010，27（6):71.

[2]白光潤.孔型設(shè)計[M].沈陽：東北工學(xué)院出版社，1991:94-95.

[3]沈茂盛.型鋼生產(chǎn)知識問答[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2003:301-303.

Research and Development of Pre-stressed Concrete Rebar

Liu Baochao,Liu Guihua,Su Ling

The paper introduces the process of research and development of chemical composition design,pass design,controlled cooling process for PSB785 pre-stressed concrete rebar.The trail results showed that the outline dimension,surface quality and mechanical properties of the rebar could all meet the requirement of the standard.On the basis of trail result summarization,PSB830 graded steel can be produced by further chemical composition adjustment and controlled cooling process optimization.

finish rolling,rebar,pass,chemical composition,mechanical property,controlled cooling,research and development

（收稿 2011-07-13 責(zé)編 趙實鳴)

劉寶超，男，工程師，2004年畢業(yè)于鞍山科技大學(xué)，現(xiàn)在在天津鋼鐵集團(tuán)有限公司棒材廠生產(chǎn)技術(shù)科從事技術(shù)工作。