冷拔絲生產(chǎn)工藝的改進(jìn)與應(yīng)用

劉冰冰

（國能神東煤炭集團(tuán)設(shè)備維修中心，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017208）

0 引言

目前鋼筋焊接網(wǎng)已經(jīng)成為煤礦井下巷道支護(hù)最為常見的安全防護(hù)產(chǎn)品之一，其主要原材料為低碳鋼熱軋圓盤條，經(jīng)過冷拔后形成冷拔鋼筋，后續(xù)進(jìn)行電阻焊接而成的鋼筋類焊接網(wǎng)。冷拔鋼筋材料的優(yōu)劣，將會直接影響鋼筋焊接網(wǎng)的整體質(zhì)量。以國能神東煤炭集團(tuán)設(shè)備維修中心為例（以下簡稱“維修中心”），對相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行研究。之前的拔絲生產(chǎn)工藝所需原材料盤條為市面上少見的規(guī)格型號，原材料盤條無法及時供應(yīng)，制約著生產(chǎn)，難以切實滿足當(dāng)前生產(chǎn)規(guī)模的實際需要，因此需要對現(xiàn)有生產(chǎn)工藝進(jìn)行改進(jìn)，并改良生產(chǎn)設(shè)備，以提高冷拔絲產(chǎn)品的安全可靠性，減小工作人員的勞動強(qiáng)度。

1 現(xiàn)有生產(chǎn)工藝和存在問題

現(xiàn)有的直線拉絲設(shè)備為三級立式拔絲機(jī)，配合臥式收線機(jī)完成收卷。設(shè)備是2013 年開始正式投入生產(chǎn)使用。其工序是將材料Q195、Φ5.5 mm 的低碳鋼熱軋圓盤條通過立式放線的方式，分別經(jīng)過Φ4.95 mm、Φ4.45 mm、Φ4.00 mm 三道拔絲工序完成拔絲過程，通過臥式工字輪收線機(jī)完成收卷。

由于維修中心駐地較為偏遠(yuǎn)，2020 年底國內(nèi)鋼材價格大幅上漲，而新型冠狀病毒肺炎疫情又影響到鋼材供應(yīng)。作為國內(nèi)市面上不常用的規(guī)格，Φ5.5 mm 盤條需鋼廠定制生產(chǎn)且排產(chǎn)時間較長，訂貨起訂量較大，如果堅持使用這一型號盤條，鋼筋焊接網(wǎng)的生產(chǎn)供應(yīng)或受到影響。

2 改進(jìn)內(nèi)容

2.1 優(yōu)化選材

維修中心現(xiàn)用的Φ4.0 mm 冷拔絲鋼筋焊接網(wǎng)原材料為Φ5.5 mm 盤條，Φ6.5 mm 鋼筋焊接網(wǎng)原材料為Φ6.5 mm 盤條。根據(jù)市場調(diào)查，Φ6.5 mm 盤條為國內(nèi)市面常用鋼材，鋼廠排產(chǎn)較多，各大供應(yīng)商也保有一定量的庫存且起訂量較小。根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備情況，如果通過生產(chǎn)工藝的改進(jìn)以及設(shè)備的改良，實現(xiàn)Φ6.5 mm 盤條冷拔至Φ4.0 mm，即可解決原材料供應(yīng)問題。

2.2 改良加工工藝

冷拔是材料的一種加工工藝，對于金屬材料，冷拔指的是為了達(dá)到一定的形狀和一定的力學(xué)性能，而在材料處于常溫的條件下進(jìn)行拉拔。較熱成型產(chǎn)品，冷拔產(chǎn)品有尺寸精度高和表面光潔度好的優(yōu)點。鋼筋的冷拔是指在材料的一端施加拉力，使材料通過模具拔出，從而將鋼筋原直徑d0減小至d 的過程。

拉絲模具主要分6 個區(qū)域，即入口區(qū)、潤滑區(qū)、壓縮區(qū)、定徑區(qū)、減壓區(qū)、出口區(qū)。為保證冷拔過程的可靠及耐用性，拉絲模具的材料一般選用人造金剛石聚晶，其具有硬度高、耐磨性好的特點。拉絲模具最關(guān)鍵區(qū)域為壓縮區(qū)、定徑區(qū)以及減壓區(qū)，其表面粗糙度Ra 小于0.05 μm。潤滑區(qū)的主要作用是使鋼筋冷拔過程前使其表面能夠充分附著拔絲粉。為了保證冷拔過程順暢、迅速，延長拉絲模具的使用壽命，冷拔過程需使用拔絲粉。拔絲粉主要包括脂肪酸鈣以及抗粘性比較強(qiáng)的結(jié)劑，一般適合應(yīng)用在不銹鋼、氣保焊絲以及彈簧鋼絲和預(yù)應(yīng)力較強(qiáng)的鋼絲上。拔絲粉為中等粉粒的粉末，脂肪酸含量較高、一般在40%～45%，其軟化點較高，在180～260 ℃時會出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，在390～440 ℃會出現(xiàn)分解反應(yīng)。

現(xiàn)有生產(chǎn)工藝為三道拔絲工序，先將Φ5.5 mm 盤條經(jīng)3 道拔絲后尺寸至Φ4.0 mm 成品，3 道工序所需的拉絲模具尺寸分為Φ4.95 mm、Φ4.45 mm、Φ4.00 mm。為保證產(chǎn)品的正常供應(yīng)，之前維修中心儲備了一定量的拉絲模具，將原材料由Φ5.5 mm盤條更換為Φ6.5 mm 盤條后，工藝的改良應(yīng)盡量運(yùn)用現(xiàn)有拉絲模具。在現(xiàn)有模具消耗完之后，再進(jìn)行工藝的更新。

拔絲工藝中最關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)是面縮率β，指冷拔低碳鋼絲拉拔后的截面積縮減量與原始截面積的比率。

其中，r0和r 分別為拉伸前、后的鋼筋半徑，d0和d 分別為拉伸前、后的鋼筋直徑。

根據(jù)JGJ 19—2010《冷拔低碳鋼絲應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》要求，冷拔加工時，每次拉拔的面縮率β 不宜大于25%。由于維修中心現(xiàn)有設(shè)備為三級立式拔絲機(jī)，其機(jī)構(gòu)上只具備一次生產(chǎn)3 道拔絲能力，要保證面縮率要求，需對每道拉拔的平均面縮率β 進(jìn)行計算。計算過程如下：

當(dāng)n=4 時，拉拔的平均面縮率βˉ為21.55%，符合不大于25%的要求。

為保證每道拔絲過程的均勻性，當(dāng)由式（6）所求的ˉβ=21.55%時，A=88.57%，即為每道拔絲的理想變徑比。通過計算得出拔絲工藝參數(shù)的理想值（表1 中的理想值）?？紤]到拉絲模具采購的便利性，對四道拔絲直徑進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整為d1=5.75 mm、d2=5.10 mm、d3=4.50 mm、d4=4.00 mm，分別對應(yīng)面縮率為β1=21.75%、β2=21.33%、β3=22.15%、β4=20.99%（優(yōu)化1）。由于現(xiàn)有采用三道拉拔工藝，維修中心存有一定庫存的Φ4.95 mm、Φ4.45 mm拉絲模具，為減少浪費制定方案（優(yōu)化2）：使用現(xiàn)有規(guī)格拉絲模具，即每道拔絲工藝參數(shù)為d1=5.65 mm、d2=4.95 mm、d3=4.45 mm、d4=4.00 mm，β1=24.44%、β2=23.24%、β3=19.18%、β4=19.20%，面縮率均未超標(biāo)準(zhǔn)的25%。當(dāng)現(xiàn)有拉絲模具用盡后，再執(zhí)行優(yōu)化1方案。

2.3 改良生產(chǎn)設(shè)備

由上述分析可知，最少4 道拉拔才能滿足工藝要求，在現(xiàn)有三級立式拔絲機(jī)設(shè)備不變的前提下，只能在原材料三道拉拔后、二次進(jìn)行一道拉拔?，F(xiàn)有直線拉絲機(jī)的工作方式為盤條立式上料，盤條置于地坑內(nèi)，通過上料架、剝殼機(jī)構(gòu)、矯直機(jī)構(gòu)后進(jìn)入三道拔絲卷筒，最后通過臥式收卷機(jī)將拔絲后的鋼筋進(jìn)行工字輪收卷。二次拉拔需要將工字輪鋼筋料卷作為原料再次進(jìn)行一道拔絲，與前三道拔絲組成4 道拔絲工序。需要針對二次拉拔的工字輪鋼筋料卷設(shè)計制作工字輪上料架，用于二次拉拔過程的原料上料。

根據(jù)工字輪鋼筋料卷的尺寸Φ850×800 mm，預(yù)留工字輪放料時的運(yùn)動空間，空間為工字輪尺寸的1.2 倍。根據(jù)滿料的工字輪重量900 kg，設(shè)計工字輪上料架架體及托輪結(jié)構(gòu)，架體采用120 mm 方形鋼管滿焊而成，在架體頂部兩側(cè)中部設(shè)置工字輪芯軸托輪，用于承托工字輪。

使用時將工字輪上料架設(shè)置在直線拉絲機(jī)生產(chǎn)方向前部，將一次拉拔后收卷的工字輪鋼筋料卷放置在工字輪上料架，進(jìn)行二次拉拔生產(chǎn)作業(yè)。經(jīng)過試用，設(shè)計制作的工字輪上料架可以滿足二次拉拔過程的原料上料需求。

3 使用情況

通過對優(yōu)化選材、改良加工工藝以及改良生產(chǎn)設(shè)備，滿足了用Φ6.5 mm 低碳鋼熱軋圓盤條替代Φ5.5 mm 盤條生產(chǎn)Φ4.0 mm冷拔絲鋼筋的生產(chǎn)條件。通過購置表1 中優(yōu)化1 及優(yōu)化2 兩個方案中Φ5.75 mm、Φ5.10 mm、Φ4.50 mm、Φ5.65 mm 的4 種拉絲模具，配合維修中心現(xiàn)有Φ4.95 mm、Φ4.45 mm、Φ4.00 mm拉絲模具，進(jìn)行試生產(chǎn)Φ4.0 mm 冷拔絲鋼筋。所產(chǎn)出的鋼筋表面光滑、緊實，按照J(rèn)GJ 19—2010 的判定標(biāo)準(zhǔn)，GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第一部分：室溫試驗方法》、GB/T 238—2013《金屬材料 線材 反復(fù)彎曲試驗方法》的檢驗方法，對原方案以及兩種新方案所生產(chǎn)的Φ4.0 mm 冷拔絲鋼筋進(jìn)行取樣并檢驗。試驗結(jié)果見表2，均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，判定為合格。其中，拉伸試驗采用的標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第一部分：室溫試驗方法》10.1、10.2、10.4、20.1、22；反復(fù)彎曲試驗采用的標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 238—2013。

表1 各方案拔絲工藝參數(shù)

表2 各方案拔絲成品檢驗結(jié)果

目前已投入使用，使用過程未發(fā)生斷絲現(xiàn)象，同時直線拉絲機(jī)最大出線速度、工字輪收線機(jī)最大收線速度未降低。

4 后續(xù)設(shè)備升級方向

4.1 直線拉絲機(jī)

現(xiàn)有三級立式拔絲機(jī)最大出線速度為6 m/s、總面縮率為62%。采用優(yōu)化1、優(yōu)化2 方案，二次4 道拉拔用時為3 m/s，每班（8 h）最大產(chǎn)量為86 400 m、約24.7（tΦ4.0 mm）冷拔絲鋼筋。后續(xù)直線拉絲機(jī)可升級為四級立式拔絲機(jī)，在最大出線速度不低于6 m/s 的前提下，總面縮率即總面縮率高于62.13%，即可滿足一次4 道拉拔的需求，同時最大生產(chǎn)效率為現(xiàn)有設(shè)備的2 倍。

4.2 工字輪收線機(jī)

現(xiàn)有臥式工字輪收線機(jī)最大收線速度為6 m/s、最大進(jìn)線直徑為850 mm，生產(chǎn)速率與直線拉絲機(jī)相匹配，每班（8 h）最大產(chǎn)量為86 400 m，每班可收滿卷工字輪約12 個（工字輪可收線約7000 m）?，F(xiàn)有Φ850 mm 工字輪鋼筋料卷可纏繞約880 kg冷拔絲鋼筋（工字輪內(nèi)徑400 mm）。在現(xiàn)有場地、起重設(shè)備以及經(jīng)濟(jì)性方面考慮，在最大收線速度不低于6 m/s 前提下，如將最大進(jìn)線直徑即工字輪外徑增加至Φ1000 mm，新工字輪鋼筋料卷可纏繞約1470 kg 冷拔絲鋼筋（工字輪內(nèi)徑400 mm），每班收滿卷新工字輪約7 個即可相當(dāng)于原收線機(jī)生產(chǎn)效率（新工字輪可收線約11 695 m）?？晒?jié)省5 個工字輪的更換時間，減少員工勞動強(qiáng)度，同時節(jié)省后續(xù)更換工字輪的時間。

5 結(jié)論

綜上所述，通過對選材、加工工藝以及生產(chǎn)設(shè)備3 個方面的改良，解決了原有規(guī)格盤條無法及時供應(yīng)、制約生產(chǎn)的問題，一方面減小工作人員的勞動強(qiáng)度，另一方面提高冷拔絲產(chǎn)品的安全可靠性，為后續(xù)直線拉絲機(jī)及工字輪收線機(jī)的升級換代提供理論依據(jù)。