預應力混凝土用螺紋鋼筋的研制開發(fā)

劉寶超 劉桂華 蘇玲 （天津鋼鐵集團有限公司棒材廠，天津 300301)

預應力混凝土用螺紋鋼筋的研制開發(fā)

劉寶超 劉桂華 蘇玲 （天津鋼鐵集團有限公司棒材廠，天津 300301)

介紹了PSB785預應力混凝土用螺紋鋼筋中化學成分設計、孔型設計、控制冷卻工藝等研制開發(fā)過程。試制結果表明，鋼筋的外形尺寸、表面質量和力學性能均滿足標準要求。在總結試制結果的基礎上，通過進一步對化學成分調整和控制冷卻工藝的優(yōu)化，可以生產出PSB830級別的鋼材。

精軋 螺紋鋼筋 孔型 化學成分 力學性能 控制冷卻 研制

1 前言

預應力混凝土用螺紋鋼筋又名精軋螺紋鋼筋，執(zhí)行GB/T20065-2006標準，主要用于制造高強度、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 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行連結，或旋上螺紋帽進行錨固。具有連接、錨固簡便、張拉錨固安全可靠、粘著力強等特點，又因省掉焊接工藝避免了由于焊接而造成的內應力及組織不穩(wěn)定等引起的斷裂。天津鋼鐵集團有限公司根據市場需求，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 產品主要技術指標

2.1 產品特點

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螺紋的連接器或錨具進行連接或錨固。

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不大于規(guī)定的理論重量的±4%。

2.3 性能要求

鋼筋的力學性能要求見表2。

表2 PSB835力學性能

精軋螺紋鋼筋筋與國標螺紋鋼筋相比，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) 各參數尺寸無論是內徑、間距還是橫肋高尺寸范圍都小，要求嚴格;

（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整，加大各道次及成品架的調整難度;

（4) 性能要求高，主要體現在屈服、抗拉強度高，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) 調整難度大，生產效率低。

3 工藝設計

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 化學成分

精軋螺紋鋼筋，國家標準中未給定化學成分，結合我廠棒材生產線工藝裝備的能力，設計化學成分。采用微合金化技術，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晶粒化和沉淀強化的作用[1]，提高鋼的屈服強度、抗拉強度，使鋼獲得良好的性能。采用的鋼種為40Si2Mn，設計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 孔型設計[2]

（1) 成品孔型基圓設計

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，可以認為這部分是由于內徑造成的，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。

由于標準中對無縱肋要求嚴格，為避免在軋制過程中的鋼溫及張力影響使得尺寸超差，成品孔設計成帶30°擴張角的圓弧連接。設計輥縫值為3 mm。

式中：ρ——側角;

Bk——軋槽寬度;

R——基圓半徑;

θ——擴張角;

S——輥縫值。

將數據帶入（1)式中，求得側角ρ為20.91°，此值小于30°擴張角，按（2)式確定擴張半徑值R1。

將數據帶入（2)式中，求得擴張圓弧半徑為22 mm。

（2) 成品橫肋及橫肋間距設計

橫肋為等高肋，考慮到負公差、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。底寬根據標準選擇6.7 mm，橫肋斜角根據標準強制選擇45°，螺紋根弧根據標準取2 mm（減小應力集中)。

橫肋間距參數：精軋螺紋鋼筋偏差（±0.3 mm)比國標螺紋鋼筋偏差（±1 mm)標準要求更加嚴格，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。根據國標螺紋鋼筋的生產經驗，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;

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準，取L為16.26 mm)。

當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。根據深為14.5 mm，求得軋槽底部內間距為14.996 mm，與經驗值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) 成品前孔的設計

由于精軋螺紋鋼筋的成品孔面積比國標螺紋鋼筋的成品孔大42.3 mm2，故應該對精軋螺紋鋼筋的成品前架孔型（17#)進行調整，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。孔型見圖3。

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)，軋機采用平-立交替布置，使軋制過程實現無扭軋制。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 現場成品架次的調整

精軋螺紋鋼筋軋制的最大難點是對成品架次調整，因為既要保證所軋出的成品的外形符合國標要求，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，通過軋機的軸向調整螺絲來向上或向下調整。

錯牙則通過調整成品軋機外側的連接軸實現。外側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，根據此距離，順時針或逆時針調整外側軸位置，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：一是憑借調整工經驗，在調整軸時看里外軋輥的橫肋牙位置來調整;二是借助工具，測量左右牙錯動的距離根據以下公式推算出外軸所需要調整的尺寸。

式中：L——軸旋轉的距離;

D——軋輥直徑;

d——軸刻度處直徑;

X——成品小樣左右錯動距離。

注意調整外軸的順序是先松開液壓鎖緊螺絲卸壓，然后對外軸進行調整，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動，不能相互竄動，否則要從新調整。調整時未必一次就調好，有時需要反復去調整。

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

3.3.3 控冷工藝調整

為了提高精軋螺紋鋼筋的鋼筋的強度，改善鋼的塑性和韌性，得到良好的綜合力學性能，達到國家標準要求，除調整化學成分之外，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)下通過進入水箱穿水，進行表面淬火，表層淬成馬氏體，在隨后的冷卻過程中由心部傳出余熱，使表面進行回火，形成回火馬氏體，而心部轉變?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℃，水箱參數為：入口壓力：1.2～1.4 MPa，水量：900-1 100 m3/h。

4 軋制結果

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，成品尺寸均在國標控制范圍內;對于dv，成品尺寸的中部和尾部均在國標控制范圍內，由于張力的影響，成品頭部稍小，超出國標。對于橫肋高度，成品尺寸均滿足國標。對于肋間距，成品尺寸均符合國標。

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

4.2 鋼筋力學性能

見表4。

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

（1) 一次檢驗中抗拉強度稍高于下限980 MPa，富裕量不大;

表4 鋼筋力學性能

（2) 一次檢驗中伸長率指標低于或等于PSB785的下限7%;

（3) 一次檢驗中屈服強度和總伸長指標均合格。

由于精軋螺紋鋼筋的鋼種屬于中碳鋼，性能需經過時效后逐步趨于穩(wěn)定，經過10天的時效后，屈服強度、抗拉強度、伸長率、總伸長各指標均達到國標PSB785的標準要求。

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 結束語

采用微合金化和軋后余熱控制冷卻工藝相結合的生產方式生產?32 mm精軋螺紋鋼筋，性能達到PSB785級別要求。?32 mm精軋螺紋鋼筋的外形尺寸也達到標準要求。通過進一步對化學成分的調整（適當增加C、Si、Mn的含量)和控制冷卻工藝參數的優(yōu)化（通過對水壓、水量的調節(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 500N鋼筋的試制[J].軋鋼，2010，27（6):71.

[2]白光潤.孔型設計[M].沈陽：東北工學院出版社，1991:94-95.

[3]沈茂盛.型鋼生產知識問答[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 責編 趙實鳴)

劉寶超，男，工程師，2004年畢業(yè)于鞍山科技大學，現在在天津鋼鐵集團有限公司棒材廠生產技術科從事技術工作。