预应力混凝土用螺纹钢筋(精轧螺纹钢)是20世纪70年代原联邦德国开发,并获专利权的产品,后被美、日、英等国家引进.我国2006年发布了GB/T 20065―2006《预应力混凝土用螺纹钢筋》标准,按屈服强度分为PSB785、PSB830、PSB930和PSB1080等4个级别,按公称直径分为18、25、32、40和50 mm等5个规格^[1].

高强度精轧螺纹钢筋是在整根钢筋上轧有外螺纹的大直径、高强度和高尺寸精度的直条钢筋.该钢筋要求在任意截面都能拧上带有内螺纹的连接器或锚具进行连接或锚固^[2].它广泛应用于大型水利工程、工业和民用建筑中的连续梁和大型框架结构,公路、铁路大中跨桥梁,核电站及地锚等工程.具有连接、锚固简便,黏着力强、张拉锚固安全可靠以及施工方便等优点,而且节约钢筋,减少构件面积和重量^[3].当前国家正全力推行“一带一路”新经济区建设,大型港口、高铁、高速公路等基础设施建设使高强度精轧螺纹钢筋的使用前景看好.

但由于高强度精轧螺纹钢筋的市场份额并不大,因此国内生产企业较少,其工艺装备不同,生产质量和制造成本差异较大.制造精度与性能稳定程度成为衡量产品好坏之关键.

某钢厂根据市场需求,开发φ32 mm规格的PSB830精轧螺纹钢筋,在开发过程中,经过一系列改进,并创新应用缓冷坑工艺,成功解决了上述难题.

国标GBT 20065―2006中,对精轧螺纹钢筋的化学成分除S、P质量分数控制≤0.035%外,其他元素未作明确规定.参照同行经验,自主研发设计C、Mn、Si、V等主要有强化作用的元素含量,具体成分的质量分数见表 1.

表 1(Table 1)

表 1 PSB830精轧螺纹钢筋的化学成分 Tab. 1 Chemical composition of PSB830 finishing rolled rebars % 元素 C Si Mn P S V 质量分数 0.38～0.45 1.50～1.70 0.80～1.00 ≤0.035 ≤0.035 0.120～0.140

表 1 PSB830精轧螺纹钢筋的化学成分 Tab. 1 Chemical composition of PSB830 finishing rolled rebars

PSB830精轧螺纹钢筋的力学性能要求参考国标GB/T 20065―2006,并制定自己的内控标准,加严把关产品内部质量,具体力学性能要求见表 2.

表 2(Table 2)

表 2 PSB830精轧螺纹钢筋的力学性能 Tab. 2 Mechanical properties of PSB830 finishing rolled rebars 项目 屈服强度/MPa 抗拉强度/MPa 伸长率/% 最大力总伸长率/% 应力松弛性能 初始应力 1 000 h后应力松弛率/% 标准 830 1 030 6 3.5 0.8下屈服强度 ≤3 内控 840 1 040 6 3.5 0.8下屈服强度 ≤3

表 2 PSB830精轧螺纹钢筋的力学性能 Tab. 2 Mechanical properties of PSB830 finishing rolled rebars

精轧螺纹钢筋外形与普通螺纹钢筋相比差异较大,无纵肋且钢筋两侧螺纹严格要求在同一螺旋线上.检查外形时除测量尺寸外,还需要用连接器或锚具进行检验,同时要保证在任意截面处均可旋入带有相匹配形状的内螺纹的连接器或锚具,这就需要生产时对精轧螺纹钢筋外形尺寸进行精确控制,同时要求通条尺寸波动小.本文涉及的φ32 mm规格产品外形尺寸设计主要参照GB/T 20065―2006及用户技术协议要求,具体外形设计值见表 3,外形见图 1.

表 3(Table 3)

表 3 PSB830精轧螺纹钢筋外形尺寸 Tab. 3 Size requirements for PSB830 finishing rolled rebars 公称直径ds /mm 螺纹根直径 螺纹肋 高dh/ mm 宽dy/ mm 高a/mm 宽b/mm 间距c/mm 倾斜角/(°) 螺纹肋方向r 32 32.0±0.5 30.8～32.4 2.0±0.4 7.0±0.5 16.0±0.3 80.4 右旋

表 3 PSB830精轧螺纹钢筋外形尺寸 Tab. 3 Size requirements for PSB830 finishing rolled rebars

图 1

图 1 精轧螺纹钢筋外形示意图 Fig. 1 Schematic diagram of finishing rolled rebars

圆棒生产线采用160 mm×160 mm方坯,φ32 mm规格PSB830精轧螺纹横截面积为804.2 mm².根据螺纹钢筋生产经验,道次伸长率选择1.28左右为宜,经过式(1)计算,选用14道次出成品,成品机架为立式短应力轧机.

式中:F₀为坯料横截面积;F为成品横截面积;δ为道次伸长率;n为道次.

1^#至K3道次采用螺纹钢筋通用椭圆-圆孔型系统.由于精轧螺纹钢筋的横截面形状为没有纵肋梯形牙横肋,故K1、K2道次的设计采用专用孔型,其中K1按国标要求设计,K2采用椭圆变态孔设计方式来控制横肋充饱度和消除纵肋,具体孔型如图 2所示.

图 2

图 2 精轧螺纹钢筋K1、K2孔型图 Fig. 2 K1、K2 pass diagram of finishing rolled rebars

(1) 螺距设计.精轧螺纹钢筋要求任一位置截开均可拧上带有内螺纹的连接器,螺距设计是否合理直接决定精轧螺纹钢筋成品是否能够用检验螺母顺利旋合,其螺距大小主要取决于轧辊上原始横肋间距的车铣精度和前滑值的确定^[4].因此,轧槽加工需严格控制螺纹升角、螺距等关键尺寸.成品温度热轧,螺距设计必须考虑热胀冷缩系数(μ)和轧件前滑系数(k)的影响,螺距L=L₀×μ/(1+k),前滑系数可以通过式(2)Fink公式^[5]进行初步计算,并在试验中进行修正.

式中:α为中性角;D为轧辊直径;h为轧件轧后高度.

(2) 辊径选择.螺距确定后,可根据整数倍关系确定轧辊直径,通过公式(3)计算.

式中:N为螺纹槽数;L为螺距;D为基圆直径;S为辊缝值.

(1) 相位调节装置设计.相位调节器是调整相位的主要装置,其保证钢筋两面螺纹严格对正,“相位”一致^[6].本相位调节器设计思路是在K1外辊支万向接轴增设无级变速相位调节器来实现,需要对牙调节时脱开接轴锁紧螺杆,通过内六角转动无级变速调节器使外辊沿轧制方向转动一定角度,此时反映到轧辊表面线差为L.

(2) 对牙调整方式.小样从K2轧出后,通过游标卡尺测量内外辊错牙间距,测量出小样错牙间距S后,根据|S-L|≤0.2 mm的要求进行调整,此方法调整精度好、效率高. 1.2.5 轧制工艺控制

(1) 钢坯加热.加热温度越高,钢的变形抗力越小,当变形温度低于1 020 ℃时,随着变形温度的提高,晶粒粗化趋势不明显,这时的晶粒较细(晶粒度7.5～9级).当变形温度为1 050 ℃时,晶粒明显粗化,当变形温度达到1 080 ℃时,晶粒尺寸达到65 μm(相当于5级晶粒度).晶粒尺寸细小,意味着珠光体球团小,钢的塑性好.为了得到较细的组织,变形温度应控制在1 020 ℃以下^[7].结合PSB830钢种特性和车间加热炉的实际情况,加热炉加热段温度控制在1 040～1 100 ℃,均热段温度控制在1 060～1 160 ℃,钢坯出炉温度控制在1 020～1 030 ℃,通过控制轧制节奏保证钢坯断面加热均匀,通条温差≤30 ℃,从而充分发挥V等微合金元素的弥散沉淀强化作用.

(2) 轧后控冷.PSB830精轧螺纹钢筋强度要求高,仅采用微合金化不能满足要求,生产精轧螺纹钢筋普遍采用微合金化和轧后余热处理工艺来提高强度级别,轧后余热处理工艺可以极大地提高钢筋强度^[8].本产品研发采用轧后超快速冷却淬火方式提高强度.表层超快冷工艺下高强精轧螺纹钢筋具有典型组织特征:边部回火索氏体,芯部铁素体＋珠光体,通过弥散析出、相间析出和铁素体基体中位错线上析出等多种析出强化方式,弥补部分芯部软相和边部过冷强化相的强度差异,保证了轧材的性能稳定^[9].同时严格控制冷床上测温点处的自回火温度区间,为(700±30) ℃,避免出现异常组织.自回火温度低于650 ℃时,钢筋的心部易于出现混合组织.在生产试制时,通过测定钢筋在冷床上的自回火温度来调节水量和冷却段长度,使自回火温度接近目标值^[10]. 2 试制结果分析 2.1 外形尺寸

经检测,钢筋各项外形尺寸均符合标准要求,而且能够实现在任意截面顺利旋入配套的检验螺母和连接器,钢筋外形尺寸见表 4.

表 4(Table 4)

表 4 精轧螺纹钢筋外形尺寸测量数值 Tab. 4 Dimensional measured value of finishing rolled rebars mm 公称直径 螺纹根 螺纹肋 ds 高dh 宽dy 高 宽 间距 32 32.0 31.6 1.9 7.0 16.1

表 4 精轧螺纹钢筋外形尺寸测量数值 Tab. 4 Dimensional measured value of finishing rolled rebars

从图 3可看出,φ32 mm PSB830精轧螺纹钢7 d时效后,屈服强度、抗拉强度、伸长率和最大力总伸长率4项主要力学性能基本没有达到内控标准要求.从图 4可看出,在时效21 d后,屈服强度、抗拉强度、伸长率和最大力总伸长率4项主要力学性能均达到国标GB/T 20065—2006要求,但出现部分屈服强度未达到内控要求,同时抗拉强度余量不足.

图 3

图 3 PSB830精轧螺纹钢7 d时效后的力学性能 Fig. 3 Mechanical properties of PSB830 finishing rolled rebars after seven days’ aging

图 4

图 4 PSB830精轧螺纹钢21 d时效后的力学性能 Fig. 4 Mechanical properties PSB830 finishing rolled rebars after twenty-one days’ aging

从表 5和图 5可以看出通过余热淬火,钢筋表面的组织为回火索氏体,深度为1.2 mm;表面与芯部之间的组织为细珠光体+铁素体,深度为4.0 mm;芯部组织为正常的珠光体+铁素体,1/4处铁素体晶粒度≥7级.

表 5(Table 5)

表 5 金相组织分析结果 Tab. 5 Analysis results of metallographic structure 规格/mm 组织 铁素体晶粒度1/4处 表面 1/4处 芯部 32 回火索氏体(深约1.2 mm)细的珠光体+铁素体(深约4.0 mm) 珠光体(75%)+网状铁素体 轻微偏析珠光体+铁素体 7

表 5 金相组织分析结果 Tab. 5 Analysis results of metallographic structure

图 5

图 5 φ32 mm规格PSB830精轧螺纹金相组织 Fig. 5 Metallographic structure of φ32mm PSB830 finishing rolled rebars

(1) 由于此钢种微合金元素含量高、生产节奏慢,当出钢温度控制处于下限时,轧件表面受轧辊冷却水淬火、回火作用硬度升高,对K1轧槽冲击大,容易产生破槽现象.破槽造成的凸块影响连接器螺入,造成产品质量缺陷.

(2) 因轧后控冷能力受限,成品回温后上冷床温度较高,晶粒度等级不足,导致屈服强度大部分低于内控要求、抗拉强度余量偏低等现象.

(3) 由于PSB830精轧螺纹钢筋合金成分高，且经过余热淬火,残余应力释放周期长,其屈服强度、抗拉强度、伸长率和最大力总伸长率等主要性能指标需要时效20 d以上才能够逐渐趋于稳定,导致供货周期较长.

(1) 控制出钢温度为中上限,进行出钢温度窄区间控制,同时降低粗轧轧辊冷却水冷却强度,缓解轧件冲击造成K1破槽现象.

(2) 增设一台高压水泵,水压升高到2.0 MPa,同时对轧后控冷设备进行改造,增设一组控冷设备并采用多组分段冷却模式进行控冷,避免表面出现不良组织.

(3) 成品快速收集,并进缓冷坑进行缓冷2 d,通过缓冷工艺后将力学性能检测缩短至3 d.

通过改进后,2014年9月,批量生产φ32 mm规格PSB830精轧螺纹钢筋共600 t,合格率100%,成材率98.70%.生产过程中相位调节器达到一次对牙调整后不再跑位的效果.生产过程未再出现破槽现象.轧后控冷强度显著增大.

2 d后检测结果如图 6所示.屈服强度、抗拉强度、伸长率和最大力总伸长率4项主要力学性能均达内控要求,余量充足,通条力学性能稳定性也得到进一步提高.同时,本批次产品委托专业机构进行了10 h的松弛试验,初始应力为682 MPa,松弛率为1.0%,应力松弛性能满足国标GB/T 20065―2006要求.

图 6

图 6 PSB830精轧螺纹钢2 d缓冷工艺后力学性能 Fig. 6 Mechanical properties of PSB830 finishing rolled rebars after two days’ slow cooling

金相检测结果见表 6.工艺优化后钢筋表面组织、过度层组织、心部组织形态没有变化,但表面回火层厚度加深0.6 mm、珠光体含量提高5%,晶粒度提高0.5级,钢筋屈服强度和抗拉强度得以大幅提高.

表 6(Table 6)

表 6 金相组织分析结果 Tab. 6 Results of metallographic structure 规格/mm 组织 铁素体晶粒度1/4处 表面 1/4处 芯部 32 回火索氏体(深约1.8 mm)细的珠光体+铁素体(深约2.5 mm) 珠光体(81%)+网状铁素体 轻微偏析珠光体+铁素体 8

表 6 金相组织分析结果 Tab. 6 Results of metallographic structure

(1) 通过无级相位调节装置,可实现快速对牙调整,提高生产作业效率,同时保证了PSB830精轧螺纹钢筋外形尺寸精度高、通条稳定性好的要求.

(2) 通过窄区间控制并提高出钢温度,同时降低粗轧轧辊冷却水冷却强度,缓解轧件冲击造成K1破槽现象.

(3) 通过设备改造后,优化轧后控冷余热淬火工艺,并采取成品快速收集后2 d缓冷工艺,提高并稳定了PSB830精轧螺纹钢筋的各项性能指标,使得各项检测指标均达到内控要求,综合性能良好.

(4) PSB830精轧螺纹钢筋的生产开发,为公司建材产品的结构调整拓宽思路,也为PSB930、PSB1030等更高等级精轧螺纹系列建筑用钢筋的进一步开发奠定基础.