PSB830精軋螺紋鋼筋生產實踐

PSB830精軋螺紋鋼筋生產實踐

潘建洲

(福建三鋼集團閩光股份有限公司 棒材廠, 福建 三明365000)

摘要：高強度精軋螺紋鋼筋國內生產企業較少,該產品生產數量占整個鋼筋市場份額很小,且各生產線工藝不盡相同,質量和成本方面參差不齊.介紹了某棒材廠生產開發的規格為φ32 mm的PSB830精軋螺紋鋼筋的工藝要點,主要針對包括化學成分、孔型設計、相位調節、金相分析和產品力學性能等生產實踐過程中發現的問題,提出了解決之道.通過工藝試驗,解決了性能不穩定、外形控制精度低的難題,同時,獨特地應用無級相位調節器與緩冷坑工藝,創造性地消除了時效性能對后續使用帶來的影響,使該產品的生產實現了質量最優、成本最低和效率最高的目標.

關鍵詞：PSB830精軋螺紋鋼筋; 金相分析; 力學性能

收稿日期：2015-05-13

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

中圖分類號：TG 335.64

文獻標志碼：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

預應力混凝土用螺紋鋼筋(精軋螺紋鋼)是20世紀70年代原聯邦德國開發,并獲專利權的產品,后被美、日、英等國家引進.我國2006年發布了GB/T 20065―2006《預應力混凝土用螺紋鋼筋》標準,按屈服強度分為PSB785、PSB830、PSB930和PSB1080等4個級別,按公稱直徑分為18、25、32、40和50 mm等5個規格[1].

高強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螺紋的連接器或錨具進行連接或錨固[2].它廣泛應用于大型水利工程、工業和民用建筑中的連續梁和大型框架結構,公路、鐵路大中跨橋梁,核電站及地錨等工程.具有連接、錨固簡便,黏著力強、張拉錨固安全可靠以及施工方便等優點,而且節約鋼筋,減少構件面積和重量[3].當前國家正全力推行“一帶一路”新經濟區建設,大型港口、高鐵、高速公路等基礎設施建設使高強度精軋螺紋鋼筋的使用前景看好.

但由于高強度精軋螺紋鋼筋的市場份額并不大,因此國內生產企業較少,其工藝裝備不同,生產質量和制造成本差異較大.制造精度與性能穩定程度成為衡量產品好壞之關鍵.

某鋼廠根據市場需求,開發φ32 mm規格的PSB830精軋螺紋鋼筋,在開發過程中,經過一系列改進,并創新應用緩冷坑工藝,成功解決了上述難題.

1鋼筋的研制

1.1　技術要求

1.1.1　化學成分設計

國標GBT 20065―2006中,對精軋螺紋鋼筋的化學成分除S、P質量分數控制≤0.035%外,其他元素未作明確規定.參照同行經驗,自主研發設計C、Mn、Si、V等主要有強化作用的元素含量,具體成分的質量分數見表1.

表1　PSB830精軋螺紋鋼筋的化學成分

1.1.2　力學性能要求

PSB830精軋螺紋鋼筋的力學性能要求參考國標GB/T 20065―2006,并制定自己的內控標準,加嚴把關產品內部質量,具體力學性能要求見表2.

表2　PSB830精軋螺紋鋼筋的力學性能

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,無縱肋且鋼筋兩側螺紋嚴格要求在同一螺旋線上.檢查外形時除測量尺寸外,還需要用連接器或錨具進行檢驗,同時要保證在任意截面處均可旋入帶有相匹配形狀的內螺紋的連接器或錨具,這就需要生產時對精軋螺紋鋼筋外形尺寸進行精確控制,同時要求通條尺寸波動小.本文涉及的φ32 mm規格產品外形尺寸設計主要參照GB/T 20065―2006及用戶技術協議要求,具體外形設計值見表3,外形見圖1.

表3　PSB830精軋螺紋鋼筋外形尺寸

1.2　方案設計

1.2.1　軋制工藝設計

圓棒生產線采用160 mm×160 mm方坯,φ32 mm規格PSB830精軋螺紋橫截面積為804.2 mm2.根據螺紋鋼筋生產經驗,道次伸長率選擇1.28左右為宜,經過式(1)計算,選用14道次出成品,成品機架為立式短應力軋機.

F0/F=δn

(1)

式中:F0為坯料橫截面積;F為成品橫截面積;δ為道次伸長率;n為道次.

1.2.2　孔型設計

1#至K3道次采用螺紋鋼筋通用橢圓-圓孔型系統.由于精軋螺紋鋼筋的橫截面形狀為沒有縱肋梯形牙橫肋,故K1、K2道次的設計采用專用孔型,其中K1按國標要求設計,K2采用橢圓變態孔設計方式來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) 螺距設計.精軋螺紋鋼筋要求任一位置截開均可擰上帶有內螺紋的連接器,螺距設計是否合理直接決定精軋螺紋鋼筋成品是否能夠用檢驗螺母順利旋合,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,軋槽加工需嚴格控制螺紋升角、螺距等關鍵尺寸.成品溫度熱軋,螺距設計必須考慮熱脹冷縮系數(μ)和軋件前滑系數(k)的影響,螺距L=L0×μ/(1+k),前滑系數可以通過式(2)Fink公式[5]進行初步計算,并在試驗中進行修正.

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,可根據整數倍關系確定軋輥直徑,通過公式(3)計算.

D=N×L/π+d-S

(3)

式中:N為螺紋槽數;L為螺距;D為基圓直徑;S為輥縫值.

1.2.4　對牙調整

(1) 相位調節裝置設計.相位調節器是調整相位的主要裝置,其保證鋼筋兩面螺紋嚴格對正,“相位”一致[6].本相位調節器設計思路是在K1外輥支萬向接軸增設無級變速相位調節器來實現,需要對牙調節時脫開接軸鎖緊螺桿,通過內六角轉動無級變速調節器使外輥沿軋制方向轉動一定角度,此時反映到軋輥表面線差為L.

(2) 對牙調整方式.小樣從K2軋出后,通過游標卡尺測量內外輥錯牙間距,測量出小樣錯牙間距S后,根據|S-L|≤0.2 mm的要求進行調整,此方法調整精度好、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,當變形溫度低于1 020℃時,隨著變形溫度的提高,晶粒粗化趨勢不明顯,這時的晶粒較細(晶粒度7.5～9級).當變形溫度為1 050℃時,晶粒明顯粗化,當變形溫度達到1 080℃時,晶粒尺寸達到65 μm(相當于5級晶粒度).晶粒尺寸細小,意味著珠光體球團小,鋼的塑性好.為了得到較細的組織,變形溫度應控制在1 020℃以下[7].結合PSB830鋼種特性和車間加熱爐的實際情況,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℃,通過控制軋制節奏保證鋼坯斷面加熱均勻,通條溫差≤30℃,從而充分發揮V等微合金元素的彌散沉淀強化作用.

(2) 軋后控冷.PSB830精軋螺紋鋼筋強度要求高,僅采用微合金化不能滿足要求,生產精軋螺紋鋼筋普遍采用微合金化和軋后余熱處理工藝來提高強度級別,軋后余熱處理工藝可以極大地提高鋼筋強度[8].本產品研發采用軋后超快速冷卻淬火方式提高強度.表層超快冷工藝下高強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,通過彌散析出、相間析出和鐵素體基體中位錯線上析出等多種析出強化方式,彌補部分芯部軟相和邊部過冷強化相的強度差異,保證了軋材的性能穩定[9].同時嚴格控制冷床上測溫點處的自回火溫度區間,為(700±30)℃,避免出現異常組織.自回火溫度低于650℃時,鋼筋的心部易于出現混合組織.在生產試制時,通過測定鋼筋在冷床上的自回火溫度來調節水量和冷卻段長度,使自回火溫度接近目標值[10].

2試制結果分析

2.1　外形尺寸

經檢測,鋼筋各項外形尺寸均符合標準要求,而且能夠實現在任意截面順利旋入配套的檢驗螺母和連接器,鋼筋外形尺寸見表4.

表4　精軋螺紋鋼筋外形尺寸測量數值

2.2　力學性能

從圖3可看出,φ32 mm PSB830精軋螺紋鋼7 d時效后,屈服強度、抗拉強度、伸長率和最大力總伸長率4項主要力學性能基本沒有達到內控標準要求.從圖4可看出,在時效21 d后,屈服強度、抗拉強度、伸長率和最大力總伸長率4項主要力學性能均達到國標GB/T 20065—2006要求,但出現部分屈服強度未達到內控要求,同時抗拉強度余量不足.

2.3　金相組織

從表5和圖5可以看出通過余熱淬火,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.

表5金相組織分析結果

Tab.5Analysis results of metallographic structure

3存在問題及改進措施

3.1　存在的問題

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

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

(3) 由于PSB830精軋螺紋鋼筋合金成分高，且經過余熱淬火,殘余應力釋放周期長,其屈服強度、抗拉強度、伸長率和最大力總伸長率等主要性能指標需要時效20 d以上才能夠逐漸趨于穩定,導致供貨周期較長.

3.2　改進措施

(1) 控制出鋼溫度為中上限,進行出鋼溫度窄區間控制,同時降低粗軋軋輥冷卻水冷卻強度,緩解軋件沖擊造成K1破槽現象.

(2) 增設一臺高壓水泵,水壓升高到2.0 MPa,同時對軋后控冷設備進行改造,增設一組控冷設備并采用多組分段冷卻模式進行控冷,避免表面出現不良組織.

(3) 成品快速收集,并進緩冷坑進行緩冷2 d,通過緩冷工藝后將力學性能檢測縮短至3 d.

4生產效果

通過改進后,2014年9月,批量生產φ32 mm規格PSB830精軋螺紋鋼筋共600 t,合格率100%,成材率98.70%.生產過程中相位調節器達到一次對牙調整后不再跑位的效果.生產過程未再出現破槽現象.軋后控冷強度顯著增大.

4.1　力學性能

2 d后檢測結果如圖6所示.屈服強度、抗拉強度、伸長率和最大力總伸長率4項主要力學性能均達內控要求,余量充足,通條力學性能穩定性也得到進一步提高.同時,本批次產品委托專業機構進行了10 h的松弛試驗,初始應力為682 MPa,松弛率為1.0%,應力松弛性能滿足國標GB/T 20065―2006要求.

4.2　金相分析

金相檢測結果見表6.工藝優化后鋼筋表面組織、過度層組織、心部組織形態沒有變化,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,鋼筋屈服強度和抗拉強度得以大幅提高.

表6金相組織分析結果

Tab.6Results of metallographic structure

5結論

(1) 通過無級相位調節裝置,可實現快速對牙調整,提高生產作業效率,同時保證了PSB830精軋螺紋鋼筋外形尺寸精度高、通條穩定性好的要求.

(2) 通過窄區間控制并提高出鋼溫度,同時降低粗軋軋輥冷卻水冷卻強度,緩解軋件沖擊造成K1破槽現象.

(3) 通過設備改造后,優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,提高并穩定了PSB830精軋螺紋鋼筋的各項性能指標,使得各項檢測指標均達到內控要求,綜合性能良好.

(4) PSB830精軋螺紋鋼筋的生產開發,為公司建材產品的結構調整拓寬思路,也為PSB930、PSB1030等更高等級精軋螺紋系列建筑用鋼筋的進一步開發奠定基礎.

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