冷軋帶肋鋼筋生產技術

薛思毅

(武鋼研究院 湖北 武漢:430080)

我國冷軋帶肋鋼筋生產與應用起步于上世紀八十年代末期。之前,預應力混凝土和鋼筋混凝土結構構件通常采用低碳冷拔絲和Q235線材。相比之下,冷軋帶肋鋼筋塑性顯著好于冷拔絲,等強代換Q235線材或熱軋 I級園鋼可節(jié)省鋼材15～30%,加之有效解決了光園鋼筋與混凝土錨固型能差的問題,故被當時建設部確定為以上兩類傳統(tǒng)鋼筋的更新換代產品,加以全面推廣普及。

目前,冷軋帶肋鋼筋已成為房屋建筑,路橋工程,水泥制管,預應力電桿及水泥井蓋等下游行業(yè)中的成熟產品。特別是CRB550鋼筋更是在現澆板類構件和箍、架、構造用筋方面成為設計之首選?？梢哉f,世界經濟危機的緩慢復蘇,國家節(jié)能減排工作的持續(xù)推進,都將有利于冷軋帶肋鋼筋迎來新一輪需求高潮。

1 產品與原料

冷軋帶肋鋼筋是以普線、優(yōu)線或低合金鋼線材為原料,在室溫狀態(tài)下,經2～6道次拔軋減徑(終軋道次減徑十刻痕),在表面形成具有三面月牙橫肋的小直徑高強度螺紋鋼筋。鋼筋標準代號以CRB開頭,后接表示抗拉強度級別的阿拉伯數字?，F行標準GB13788-2000,行業(yè)技術規(guī)范J GJ95-95。

冷軋帶肋鋼筋按用途分為非預應力和預應力兩種類別。其中,550級為非預應力鋼筋,公稱直徑范圍Φ5～Φ11.5mm(成品直徑按0.5mm進級)。預應力鋼筋包括650、800、970和1170級四種牌號,規(guī)格均為Φ5mm。鋼筋力學、工藝性能及表面與截面形狀見表1和圖1。

表1 冷軋帶肋鋼筋力學和工藝性能

圖1 冷軋帶肋鋼筋表面與截面形狀

表2列出了標準推薦不同級別冷軋帶肋鋼筋用線材牌號和化學成份的對應關系,但實際生產中CRB550級鋼筋也可用Q235和Q195線材生產,CRB800和CRB970級用武鋼45和50號高線生產,質量更好,成本更低。

一般來說,奇數規(guī)格550級產品用偶數規(guī)格Q235線材生產,偶數規(guī)格550級產品用偶數系列Q215和Q195線材生產。例如,用 Q235Φ8軋 CRB550Φ7,用Q195Φ8軋CRB550Φ6等。否則,產品抗拉強度和延伸率很難同時達到標準要求。但這種原料與成品對應關系不能一概而定,如用正公差上限Q235Φ8線材生產負公差上限CRB550Φ7產品會因減徑量偏大,導致延伸率不合格。反之,若線材負差尺寸偏大,使總減徑量<0.7mm臨界尺寸,則成品肋高不夠。

值得說明的是,用Q235Φ8線材也能軋出試驗室質檢合格的CRB800Φ5預應力鋼筋,但實際拉張后, 10h應力松弛指標不合格(鋼筋中預應力損失過大),造成當塊或整批預制構件報廢。同理,用低合金鋼或號鋼線材生產CRB550級產品,會因強度過高,導致延伸率不合格,且鋼筋也難以被調直。

總之,冷軋帶肋鋼筋成品與原料對應關系較為復雜,如何優(yōu)選,取決于原料入庫成本,原料采購難易,生產線設備、工藝特點及客戶要求等諸多因素。

表2 冷軋帶肋鋼筋用線材牌號和化學成份

2 設備型式、特點與工藝流程

用于生產冷軋帶肋鋼筋的軋制設備為三輥 Y型軋機。成套生產線設備按軋機工作輥是否與傳動裝置相連接分為主動式和被動式兩種類型。

2.1 主動式生產線

主動式生產線常規(guī)選型為 Y200四機架冷連軋機,四個機架呈縱列式固定在同一軋機底座上,每架軋一道次,四道次之間實行連扎。

軋機傳動設計形式為:主電機(DC、200kW)經聯軸節(jié)、減速機、速度分配箱,聯接軸將動力同時傳遞給各機架上或下軋輥,并通過傘齒輪機構,使三片軋輥同步旋轉。

軋機各機架孔型按正、倒弧三角輪廓交替設計。為防止軋制過程中鋼筋扭轉或跑偏,各機架入口端裝有導衛(wèi)裝置,軋輥徑向壓下(斜楔式)和軸向調整均采用螺桿、螺母結構,手動操作。

由于速度分配箱中各機架速比關系已確定,為保證機架間連軋關系,當采用二或三連軋工藝時,所用機架必須依序組合,如2#-3#或2#-3#-4#等,生產線設備、工藝流程如下:

雙位放線機(兩臂各上一卷線材)→機械除鱗機(5彎輥)→Y200四連軋機(DC、200kW)→機械消應機(26輥)→Φ800工字輪收線機(21ONm力矩電機)。

從理論上講,主動式設備較被動式具有以下三個突出優(yōu)點:

(1)被動式設備采用冷拔軋生產方式,軋件所受應力狀態(tài)為二壓一拉,而用主動式軋機軋制,可使軋件始終處于三向壓應力狀態(tài),從而能有效改善鋼材塑性,提高軋后產品延伸率。

(2)由于軋機主傳動大型化(200kW)和直流化有助于實現高速穩(wěn)定化生產,因而使軋機產量能得以顯著提高,產成品入庫成本得以充分攤薄。

(3)能實現逐根直條鋼筋生產,如用熱軋Φ12Ⅰ級園鋼軋550級Φ11冷軋帶肋鋼筋(園鋼較線材便宜),或對超公差光園鋼筋實行改、補軋,以降低原料購進成本。

然而,實際生產中,收線機力矩電機的工作特點是:

隨著收線卷重的逐步增加,使卷取前張力作用不斷增大,直至軋件所受應力狀態(tài)自調成二壓一拉。換言之,因實際變形機理與冷拔軋生產方式幾近相同,故軋后產品延伸率得不到相對提高(見圖2主應力應變圖示)。

圖2 主應力應變示意圖

其次,由于換輥、調孔型、調導衛(wèi)、穿線等軋前準備工作復雜,耗時長,特別是各機架速比一定,而不同廠家線材材質,直徑差異較大(正負公差緣故),不同客戶對成品直徑要求又不盡相同,使軋制過程中很難保持嚴格的連軋關系。而一旦發(fā)生堆鋼或斷線,重新穿線,調孔型勢必大大縮短純軋時間。所以,盡管主動式軋機軋制速度高于被動式設備,但就軋機有效作業(yè)率而言,反而低于后者。

第三,實踐表明,用二連軋方式軋直條鋼筋穿線過于復雜。用一架軋,斷面弧三角化太明顯,且出肋太淺。此外,軋出鋼筋并非直狀,若用調直機逐根調直效率太低,且人工、電,易損、易耗件成本太高,經濟上不合理。

第四,由于相鄰機架間距僅15-20cm,而穿線又必須在開機狀態(tài)下手動完成,存在極大安全隱患。

綜上諸點顯見,主動式設備設計尚不成熟,但投資卻達被動式設備的三倍之多(70-90萬/套)。因此,2003年以后新建廠一般不采用此類設備。

2.2 被動式生產線

被動式生產線包括滑輪式和直進式,而后者又細分為“一拖二”和“二拖二”兩種類型。

2.2.1 滑輪式生產線

滑輪式生產線主機列由三架 Y150軋機和三臺Φ650拉絲機組成,每架軋機頭內裝2組(六片)軋輥,共軋6道次。

Y150軋機本身無動力,軋制過程藉助拉絲機實現。三臺拉絲機均采用交流異步電機,經皮帶輪驅動。各臺拉絲機皮帶輪直徑按Φ6.5→Φ4連軋常數依序確定。生產過程中,相鄰拉絲機速度誤差可借助置于拉絲機上方的滑輪補充調諧。

滑輪式生產線設備、工藝流程如下:

雙位放線機→5輥機械除鱗機→干粉潤滑箱→Y150軋機→Φ650拉絲機→干粉潤滑箱→Y150軋機→Φ650拉絲機→干粉潤滑箱→Y150軋機→Φ650拉絲機→26輥機械消應機→Φ650工字輪收線機→卷狀成品。

其中,放線、除鱗、消除應力、收線等單體設備與前述主動式設備大致相同,只是前者采用乳化液濕式冷潤,后者采用潤滑粉干式冷潤。

滑輪式設備主要適用于生產650級Φ4～Φ6冷軋帶肋鋼筋。由于2000年國家對城區(qū)建筑禁止使用圓孔板政策法規(guī)的出臺,滑輪式設備因無法生產Φ7以上規(guī)格550級非預應力鋼筋,正逐步趨于淘汰。

但值得說明的是,由于采用6道次軋制生產方式,用滑輪式設備軋Φ3.8～Φ5mm小規(guī)格產品的外觀和力學、工藝性能明顯好于其他設備出品質量。

因此,對新建廠來說,采用直進式為主,滑輪式為輔的產線布局形式或許更為合理。

2.2.2 被動式“一拖二”生產線

所謂“一拖二”就是指用一臺雙卷筒拉絲機同時帶動二架Y150軋機實現四道次軋制。拉絲機通常用一臺55kW交流變頻調速電機驅動。

兩個拉絲卷筒的動作順序是先下后上,即先由下卷筒將穿入前機架的鋼筋進行邊拔軋邊卷取,達到一定圈數后停機卸線,再將頭部鋼筋穿入后機架,經導向輥纏掛在上卷筒上,爾后兩卷筒聯動拔軋(采用單機架軋制,只用下卷筒)。

“一拖二”設備的另一特點是,應力消除機采用主動式(帶電機),收線裝置采用被動式(收線盤由鋼筋帶動旋轉)。由于成套生產線設備中少一臺拉絲機和一臺工字輪收線機,故“一拖二”設計的最大優(yōu)點是投資省,設備緊湊,占地少。

盡管“一拖二”設備基本也能實現全規(guī)格,全級別冷軋帶肋鋼筋的生產,但受拉絲機主電機功率的限制,生產Φ6～Φ10偶數規(guī)格550級產品只能達到正公差交貨條件,這不僅大大降低產品盈利能力,而且也往往不為客戶所允許。

由于目前尚無奇數規(guī)格線材,所以“一拖二”設備只適合承接550級奇數規(guī)格(俗稱5、7、9)供筋合同,除此之外,該設備還存有以下三個缺點:

(1)因采用被動式收線,盤重一般不超過200kg,對9m定尺合同,每盤至少丟一根鋼筋,成材率受影響。

(2)拔軋過程中,一旦出現壓線情況,必須上、下卷筒同時排(洄)線,操作用時較長。特別是這種情況若發(fā)生在生產800及以上級別預應力鋼筋時,由于鋼筋太硬,反彈極易造成工傷事故。

(3)成品機架出線后,必須邊軋邊卡尺,直至校準尺寸,這一部分走線加上經導向輥纏掛在上卷筒這一段未刻痕走線,累計丟長較多(調直時必須剪掉),形成一定的生產損耗。

2.2.3 “二拖二”直進式生產線

“二拖二”是指生產線主機列由二架軋機和二臺拉絲機組成,系目前用于冷軋帶肋鋼筋生產的主力機型。其設備、工藝特點包括:

(1)主傳動交流化,即二臺拉絲機均采用交流變頻調速電機驅動,與傳統(tǒng)直進生產方式略有不同的是,二臺拉絲機之間設有一活套調諧裝置,以保證生產過程中鋼筋始終處于微堆軋制狀態(tài)。

(2)為保證最大吃坯Φ12.5mm線材和實現負差最大化軋制,1架Y150軋機后跟Φ750臥式拉絲機(75kw),2架Y150軋機后跟45或55kwΦ800立式拉絲機。

(3)采用Φ200大直徑7輥應力消除機(消應原理類似輥式矯直機),以增大應力消除效果,提高產品延伸率。同時,為克服由此增大的阻力作用, Φ800工字輪收線機采用23kgm力矩電機。

(4)Y150軋機前增設干粉潤滑箱,以適應用碳化鎢軋輥軋800及以上級別預應力鋼筋(軋CRB550和 CRB650用乳化液冷潤)。

(5)由于550級冷軋帶肋鋼筋系直條狀交貨,理論計重。為實現產品利潤最大化,必須在保證質檢合格前提下,力求負差最大化。然而,負差愈大,壓下量愈大,加工硬化亦愈大,使軋后產品抗拉過高,延伸不足。

為此,“二拖二”生產線的離線特點是在放線架與調直剪斷機之間設有一臺用于二次消應的3輥除鱗機和一臺37kwΦ650立式拉絲機。拉絲機采用交流變頻調速電機,通過無級調速與調直機速度相適應。

(6)“二拖二”成套生產線設備組成與工藝流程如下:

雙位放線機→5輥機械除鱗機→干粉潤滑箱(550、650級不用)→Y150軋機→Φ750臥式拉絲機(AC,75kW)→活套調諧裝置→干粉潤滑箱→Y150軋機→Φ800立式拉絲機(AC,45或55kW)→7輥機械消應機(輥徑Φ200mm)→Φ800工字輪收線機(23ONm力矩電機)→卷狀產品→成卷帶肋鋼筋→調直放線架→3輥除鱗機(二次消除應力)→Φ650立式拉絲機(AC,37kW)→自動調直剪斷機→直條定尺產品(CRB550)。

表3 “二拖二”設備生產全規(guī)格全級別冷軋帶肋鋼筋實例軋制圖表

3 工藝原則與壓下規(guī)程

冷軋帶肋鋼筋供、產、銷具有六大特點:

(1)原料特點:同牌號材質軟態(tài)好于硬態(tài),正公差好于負公差;

(2)生產特點:原料至成品一次冷軋成材,中間無退火程序;

(3)工藝特點:加工硬化導致產品強度過剩,延伸率較低;

(4)銷售特點:預應力鋼筋卷狀交貨,過磅計重,非預應力鋼筋直條供貨,理論計重;

(5)盈利特點:加工收益+負差收益+資金成本收益;

(6)驗收條件:質檢合格。

以上六大特點決定了制定冷軋帶肋鋼筋生產工藝制度需貫徹以下四點原則:

1)對800及以上級別預應力鋼筋,為確保延伸、反彎兩項關鍵指標質檢合格,應盡可能按正公差軋制,并采用卸線→開卷→消應→重卷工藝。

2)對550級非預應力鋼筋,應在保證質檢合格前提下,力求負差最大化。

3)對550奇數規(guī)格產品,用Q235線材軋四道次,并接二次消應工藝較拉絲材在單機架上軋二道次工藝,負差更大,同時質量也更穩(wěn)定。

4)由于標準定義冷軋帶肋鋼筋公稱直徑系一基園點到一肋中點高之間距離(見圖1),故孔型設計和后步調整應使成品基園直徑較標準公稱直徑小0.3～0.5mm。

基于以上諸點原則,表3列舉了用“二拖二”設備生產全規(guī)格、全級別冷軋帶肋鋼筋軋制圖表。

4 存在問題

目前,冷軋帶肋鋼筋存在的主要問題是:一方面,GB13788-2000標準中對CRB550鋼筋延伸率標準(σ10≥8%),定的相對偏高,例如,冷軋扭和HRB400僅分別為σ10≥4.5%和σ5≥15%;另一方面,近年來,不少廠家在無二次消應設備或不愿意走這塊成本情況下,仍盲目采取加大負差,降低銷價的產銷策略,以致產品因延伸率質檢不合格,被退、換貨現象常有發(fā)生,在一定程度上引發(fā)了業(yè)內對冷軋帶肋鋼筋質量穩(wěn)定性的質疑,且受此負面影響,其產、銷兩旺的勢頭正有所減退。

由于目前已出現甲方(甲供料),或施工方直接要求負差交貨的趨勢,故延伸率問題系當前冷軋帶肋鋼筋生產技術中,有待進一步突破的首要問題。

5 結論

(1)與近年來悄然興起的熱軋 Ⅲ級盤螺(HRB400)相比,CRB550鋼筋因具有配送方便,負差可控,配筋靈活等優(yōu)勢,故近、中期內其市場主導地位難以被動搖。

(2)實踐證明,在尚未研發(fā)出冷軋帶肋鋼筋專用線材之前,為確保CRB550鋼筋在負差軋制條件下延伸率達標,增加“二次機械消應”工序是最經濟、可行的方法之一。

[1] 龔仕杰.混凝土施工新技術[M].北京:中國環(huán)境科學出版社, 1995.

[2] 劉新運,王永杰.建筑用鋼標準手冊[M].北京:中國標準出版社,2008.