1 890 MPa三面刻痕預(yù)應(yīng)力鋼絞線的研制

藺秀艷（天津冶金集團(tuán)中興盛達(dá)鋼業(yè)有限公司，天津301616）

1 890 MPa三面刻痕預(yù)應(yīng)力鋼絞線的研制

藺秀艷
（天津冶金集團(tuán)中興盛達(dá)鋼業(yè)有限公司，天津301616）

為滿足市場需求，在1×19結(jié)構(gòu)系列大規(guī)格高強(qiáng)度光圓預(yù)應(yīng)力鋼絞線的基礎(chǔ)上，研制出一種高握裹力、高強(qiáng)度、低松弛1×19S—21.8多層絲三面刻痕預(yù)應(yīng)力鋼絞線。成品性能超出用戶要求的1 890 MPa級預(yù)定指標(biāo)，具有高強(qiáng)度、高延伸率、低松弛的特點，已實現(xiàn)批量化、規(guī)?；a(chǎn)。

三面刻痕；預(yù)應(yīng)力鋼絞線；拉拔；捻制；穩(wěn)定化處理

1 引言

低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線是高效、節(jié)能、環(huán)保的綠色鋼材產(chǎn)品，廣泛用于鐵路、公路橋梁，邊坡錨固、煤礦巷道支護(hù)及水力發(fā)電工程等眾多工程領(lǐng)域［1-2］，特別是治理自然災(zāi)害的河堤大壩的邊坡錨固，更是突顯了優(yōu)勢。天津冶金集團(tuán)中興盛達(dá)鋼業(yè)有限公司（簡稱中興盛達(dá)）在開發(fā)了1×19結(jié)構(gòu)系列大規(guī)格高強(qiáng)度光圓預(yù)應(yīng)力鋼絞線的基礎(chǔ)上，為滿足國內(nèi)外市場的需求，開發(fā)研制了高握裹力、高強(qiáng)度、低松弛1×19S—21.8多層絲三面刻痕預(yù)應(yīng)力鋼絞線。

2 研制過程

2.1 產(chǎn)品設(shè)計

在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中，鋼絞線和混凝土之間的握裹力是提高構(gòu)件強(qiáng)度、剛度和提升承載力的關(guān)鍵。預(yù)應(yīng)力鋼絞線的表面狀態(tài)直接影響兩者之間的握裹力。為了增加預(yù)應(yīng)力鋼絞線與混凝土之間的握裹力，滿足客戶大規(guī)格21.8 mm、高強(qiáng)度1 890 MPa的要求，1×19結(jié)構(gòu)21.8 mm鋼絞線外層絲設(shè)計為三面刻痕鋼絲。為使各層鋼絲在捻制和使用狀態(tài)受力均勻不產(chǎn)生滑動，中心絲和內(nèi)層絲設(shè)計為光圓鋼絲，在實現(xiàn)預(yù)應(yīng)力鋼絞線與混凝土高握裹力的同時，提高其綜合力學(xué)性能［3］。

2.2 刻痕裝置的研制

目前國內(nèi)三面刻痕預(yù)應(yīng)力鋼絲的成型均在穩(wěn)定化處理前完成，鋼絲拉拔后實現(xiàn)。要實現(xiàn)鋼絞線的三面刻痕，必須在捻制合股前的半成品鋼絲完成。為了實現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)，鋼絲刻痕裝置設(shè)計在L120D-9直進(jìn)式拉絲機(jī)上。中興盛達(dá)于2009年與意大利弗瑞吉奧（M.F）公司共同研制了三維一體式成型裝備，該裝置安裝在拉絲機(jī)的第九罐體后，拉拔與刻痕同步完成。3個支撐架分別安裝3個刻痕輥，且成120°均勻分布，鋼絲從3個輥片之間穿過，刻痕輥片與鋼絲相接觸并包裹鋼絲成360°，刻痕輥片凸槽方向與鋼絲拉拔方向一致，三個方向刻制出的痕均勻一致?？讨七^程中不會因受力不均而產(chǎn)生影響鋼絲表面質(zhì)量的問題。三個刻痕輥片與鋼絲的接觸，通過機(jī)械傳動裝置，定量控制刻痕輥的壓下量，來達(dá)到鋼絲痕深度尺寸的控制。

2.3 刻痕鋼絲外形及尺寸的設(shè)計

刻痕鋼絲的外形和尺寸對鋼絲的力學(xué)性能有著重要的影響。GB/T5223-2014《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲》標(biāo)準(zhǔn)，刻痕鋼絲有兩種外形，第一種外形如圖1所示［4］，痕的四側(cè)邊與光圓鋼絲的連接均形成大小不等的角度，左下角呈30°銳角狀，在刻痕變形的過程中，鋼絲很容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，增加鋼絲斷裂的傾向。第二種外形如圖2所示，兩短邊與鋼絲軸向相同、兩長邊向外延伸呈弧形，痕的四個側(cè)邊與光圓鋼絲的連接處均為弧形過渡，鋼絲刻痕變形的過程中應(yīng)力集中減小，避免了鋼絞線在加工時的斷裂傾向。鋼絲變形程度較小，且無棱角連接，提高了鋼絲的破斷力和抗裂性能。我們選擇了圖2所示的外形進(jìn)行痕的尺寸設(shè)計，痕的尺寸要求見表1。

圖1 三面刻痕鋼絲外形示意圖

圖2 三面刻痕鋼絲外形示意圖

表1 刻痕鋼絲尺寸及允許偏差 /mm

2.4 工藝流程設(shè)計

原料（盤條）→檢、試驗→酸洗、磷化→拉拔+刻痕→檢、試驗→捻制→穩(wěn)定化處理→層繞→檢、試驗→包裝→入庫。

2.5 原料（盤條）的研究

普通光圓1×19結(jié)構(gòu)21.8 mm 1 860 MPa級鋼絞線原料選擇，外層鋼絲使用YL 82B Φ13.0 mm盤條生產(chǎn)，內(nèi)層鋼絲使用YL 82B Φ8.0 mm盤條生產(chǎn)，中心絲使用YL 82B Φ14.0 mm盤條生產(chǎn)。三面刻痕鋼絞線用戶要求強(qiáng)度級為1 890 MPa，0.2%屈服力為1 746 MPa，最大力總延伸率不小于5.5%。按照工藝設(shè)計方案，研究制定適合的盤條直徑、盤條抗拉強(qiáng)度和金相顯微組織，及最佳的化學(xué)成分范圍，確保1×19—21.8三面刻痕鋼絞線實現(xiàn)高強(qiáng)度、高延展性、低松弛、高握裹力的研制目標(biāo)。根據(jù)抗拉強(qiáng)度計算的經(jīng)驗公式［5］：式中，Rn為拉拔后鋼絲的抗拉強(qiáng)度，MPa；k為與拉拔條件（潤滑、冷卻）有關(guān)的強(qiáng)化系數(shù)；R0為盤條的原始抗拉強(qiáng)度，MPa；d0為盤條拉拔前的直徑，mm；dn為拉拔后鋼絲的直徑，mm。

半成品鋼絲尺寸已經(jīng)設(shè)計確定，根據(jù)中興盛達(dá)拉絲設(shè)備特點及拉拔強(qiáng)化系數(shù)k（k一般按1.03系數(shù)計算）的具體情況，按公式（1）進(jìn)行理論計算，YL 82B Φ14.0 mm盤條原始抗拉強(qiáng)度大于等于1 220 MPa，才能滿足三面刻痕鋼絞線外層鋼絲原料的要求；YL 82B Φ15.0 mm盤條原始抗拉強(qiáng)度不小于1 240 MPa，作為中心絲的原料；原始抗拉強(qiáng)度不小于1 180 MPa普通的YL 82B Φ8.0 mm作為鋼絞線內(nèi)層絲的原料；盤條斷后伸長率不小于9%，斷面收縮率小于30%。為了保證預(yù)應(yīng)力鋼絲高速冷拔后的高強(qiáng)度、高塑性和高韌性指標(biāo)，對盤條的組織結(jié)構(gòu)提出了要求。為了滿足冷拔變形的條件，要求原料（盤條）具有均勻一致的索氏體組織［6］，其體積分?jǐn)?shù)不小于85%，塑性、脆性非金屬夾雜物等級小于2.5級，盤條一邊的脫碳層深度不大于盤條工程直徑的1.5倍。不允許存在全封閉的網(wǎng)狀滲碳體和馬氏體等高倍顯微組織缺陷［7］。

因此在選擇原料時考慮抗拉強(qiáng)度的同時，也充分考慮到鋼絲因刻痕變形而對力學(xué)性能的影響，中興盛達(dá)與某鋼廠共同研制了微合金化的YL 82B-G Φ14.0 mm和YL 82B-GΦ15.0 mm盤條，作為刻痕變形外層鋼絲和中心絲的原料試制。拉拔過程為壓力加工冷變形的范疇，盤條會出現(xiàn)因總壓縮率大、變形程度加大、冷加工硬化現(xiàn)象強(qiáng)烈而出現(xiàn)拉拔斷裂情況發(fā)生，原料中的硫、磷、銅等有害化學(xué)成分元素的含量應(yīng)嚴(yán)格控制。對原料的化學(xué)成分實測情況見表2。

表2 微合金化原料（盤條）化學(xué)成分 w/%

普通的YL 82B Φ14.0 mm和Φ15.0 mm盤條抗拉強(qiáng)度只能達(dá)到1 160～1 190 MPa，很難實現(xiàn)刻痕鋼絞線1 890 MPa的強(qiáng)度級別的要求。為了保證刻痕鋼絲的強(qiáng)度和韌性指標(biāo)，鋼中加入小于0.3%的鉻和小于0.1%的釩，通過控冷盤條抗拉強(qiáng)度達(dá)到1 220～1 300 MPa，滿足刻痕鋼絲對盤條抗拉強(qiáng)度的要求。鉻和釩均具有體心立方點陣，在鋼中縮小γ相區(qū)，能與α-Fe形成無限固溶體，在鋼種起到固溶強(qiáng)化的作用。同時與碳有很強(qiáng)的親和力，是強(qiáng)碳化物形成元素，形成最穩(wěn)定的MC型碳化物。在1 100℃以上大量溶于γ-Fe中，在500～700℃范圍析出時，具有較低的聚集長大速度［8］，因而成為鋼中的強(qiáng)化相，起到了彌散強(qiáng)化的作用。材料的強(qiáng)化主要取決于合金化和生產(chǎn)工藝，合金化能避免因加工工藝造成的缺陷和不足。冷拉拔過程中，增大道次壓縮率，可以提高抗拉強(qiáng)度，同時隨著形變速率的提高，鋼絲的塑性和韌性將急劇降低，脆性增加，容易造成拉拔斷裂的發(fā)生。微合金化盤條提高了鋼絲的原始強(qiáng)度和提高了拉拔的強(qiáng)化系數(shù)，可以通過減小道次壓縮率，來提高冷拉鋼絲的塑性和韌性，達(dá)到高強(qiáng)度、高塑性、高韌性的目的。

2.6 拉拔與刻痕工藝的研制

2.6.1 拉拔工藝的設(shè)計與研制

拉拔和刻痕的成型，采用中興盛達(dá)與意大利弗瑞吉奧（F.M）公司共同研制開發(fā)的L120D-9直進(jìn)式拉絲機(jī)上進(jìn)行。設(shè)備拉拔盤條的能力最大為Φ16 mm，最小Φ3 mm，拉拔速度達(dá)14 m/s。拉絲機(jī)卷筒冷卻系統(tǒng)采用水冷加風(fēng)冷的冷卻方式，冷卻能力優(yōu)良，使鋼絲在拉拔過程中產(chǎn)生的熱量，得到迅速的冷卻。拉拔后的鋼絲既得到了高的抗拉強(qiáng)度，又具有了良好的塑性、韌性指標(biāo)，保證了鋼絲的綜合力學(xué)性能。同時，成品道次均采用旋轉(zhuǎn)模，可有效保證半成品鋼絲的橢圓度。拉絲機(jī)車盤直徑為1 200 mm，有利于減小鋼絲加工中的彎曲應(yīng)力。拉絲機(jī)為9道次，有利于均勻分配各道次的壓縮率，提高鋼絲的強(qiáng)度，同時改善塑性指標(biāo)。

根據(jù)設(shè)計的外層鋼絲，內(nèi)層鋼絲，中心鋼絲直徑，拉拔總壓縮率中心絲為83.46%、內(nèi)層絲為84.98%、外層絲為84.28%；平均壓縮率中心絲為18.12%、內(nèi)層絲為18.99%、外層絲為18.58%；道次壓縮率最大控制不超過20%。在L120D-9型拉絲機(jī)上分別進(jìn)行9道次拉拔，控制中心絲拉拔速度不大于5.0 m/s，內(nèi)層鋼絲拉拔速度不大于8.0 m/s，外層表面變形鋼絲拉拔速度為3.0 m/s。外層鋼絲的刻痕是在第九道次拉拔車盤后同步進(jìn)行，合理的拉拔速度是保證拉拔與刻痕同步進(jìn)行的關(guān)鍵，刻痕完全依靠收線裝置的張拉力和拉拔力的送線完成的，刻痕滾與鋼絲產(chǎn)生表面變形是被動進(jìn)行的過程。且鋼絲表面變形形成的痕深受壓下量的控制，壓下量越大，鋼絲痕越深，鋼絲與刻痕輥片之間的摩擦力越大。如果拉拔速度太快，刻痕過程因摩擦力與送線速度不匹配產(chǎn)生九道次罐體鋼絲脫落發(fā)生斷絲的現(xiàn)象，因此合理的控制拉拔速是相當(dāng)重要的。

2.6.2 刻痕工藝的設(shè)計與研制

為了得到最佳的刻痕工藝參數(shù)，研制過程安排了一組試驗，驗證工藝參數(shù)壓下量對刻痕深度和鋼絲力學(xué)性能的影響。壓下量與壓下量數(shù)值呈反比，壓下量也大，壓下量數(shù)值越小反之越大。壓下量數(shù)值代表刻痕輥片離開鋼絲距離大小的量，壓下量數(shù)值越大，刻痕輥片與鋼絲間的距離越大，接觸點越小，痕的深度越淺。反之痕的深度越深。壓下量數(shù)值為79、80和不進(jìn)行刻痕時分別截取半成品鋼絲做力學(xué)性能試驗，試驗結(jié)果見表3；實測痕的尺寸見表4。

3 不同壓下量下半成品鋼絲性能

表4 不同壓下量下鋼絲刻痕尺寸

由上表3、表4可以看出，壓下量越大，鋼絲與刻痕輥片之間的接觸越小，鋼絲刻痕后拉力值損失越小，韌性指標(biāo)越好。鋼絲性能均能滿足鋼絞線的要求，但考慮到80壓下量數(shù)值時鋼絲的痕比較淺，79壓下量數(shù)值時痕的深度剛好在0.1 mm。為了增加預(yù)應(yīng)力鋼絞線與混凝土之間的握裹力，確定最佳的壓下量數(shù)值參數(shù)為79，進(jìn)行生產(chǎn)。

2.7 捻制和穩(wěn)定化處理工藝

捻制在1×19預(yù)應(yīng)力鋼絞線專用生產(chǎn)線上進(jìn)行，19根半成品鋼絲一次捻制完成1×19—21.8三面刻痕鋼絞線的合股過程。在施加40～43%公稱抗拉強(qiáng)度張拉力的狀態(tài)下進(jìn)行穩(wěn)定化處理。設(shè)計的捻制及穩(wěn)定化處理工藝參數(shù)見表5。

表5 鋼絞線捻制及穩(wěn)定化處理工藝參數(shù)

3 產(chǎn)品性能

3.1 鋼絲力學(xué)性能

研制的半成品鋼絲各項性能指標(biāo)如下：

3.1.1 中心鋼絲

平均抗拉強(qiáng)度達(dá)到1 991 MPa；標(biāo)距200 mm的平均斷后伸長率達(dá)到4.50%；平均彎曲次數(shù)達(dá)到9.0次（180°）。

3.1.2 內(nèi)層鋼絲

平均抗拉強(qiáng)度達(dá)到2 002 MPa；標(biāo)距200 mm的平均斷后伸長率4.3%；平均彎曲次數(shù)9.2次（180°）。

3.1.3 外層刻痕鋼絲

平均抗拉強(qiáng)度達(dá)到1 943 MPa；標(biāo)距200 mm的平均斷后伸長率4.4%；平均彎曲次數(shù)9.0次（180°）。

3.2 成品力學(xué)性能

三面刻痕鋼絞線抗拉強(qiáng)度平均為1 987 MPa，規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度均平均為1 824 MPa，最大力總延伸率Agt品均為6.20%。超出了用戶要求的抗拉強(qiáng)度≥1 890 MPa，0.2%屈服強(qiáng)度為1 746 MPa，最大力總延伸率不小于5.5%的指標(biāo)，達(dá)到了三面刻痕預(yù)應(yīng)力鋼絞線設(shè)計目標(biāo)。

1 ×19S-21.8三面刻痕鋼絞線性能檢測見表6。

表6 成品力學(xué)性能檢驗

初始力按實際最大力的70%加載，在1 000 kN松弛試驗機(jī)上進(jìn)行松弛試驗。實測松弛值，1 000 h松弛值1.82%，達(dá)到了低松弛的目標(biāo)。

4 結(jié)論

鋼絞線刻痕形狀和尺寸設(shè)計合理，選型正確，工藝參數(shù)制定準(zhǔn)確，能夠滿足三面刻痕預(yù)應(yīng)力鋼絞線與混凝土高握裹力的要求利用微合金化的專用盤條，成功的研制開發(fā)了1×19結(jié)構(gòu)21.8 mm三面刻痕預(yù)應(yīng)力鋼絞線產(chǎn)品。該產(chǎn)品性能超出用戶要求的1 890 MPa級預(yù)定指標(biāo)，具有高強(qiáng)度、高延伸率、低松弛的特點，并能實現(xiàn)批量化、規(guī)?；a(chǎn)。

［1］翟巧玲，藺秀艷，朱龍.1×7—21.6高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絞線的研究［J］.金屬制品，2007（3）：1-2.

［2］金慶波，藺秀艷.1×19S—21.8多層絲預(yù)應(yīng)力鋼絞線的研制及在煤礦巷道支護(hù)的應(yīng)用［J］.金屬制品，2015（4）：17.

［3］胡曉玲，夏楠，張靜.1 860 MPa級1×19W—28.6鋼絞線結(jié)構(gòu)設(shè)計［J］.金屬制品，2011（1）：30-31.

［4］全國鋼標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.GB/T 5223—2014預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2014.

［5］李志深.鋼絲生產(chǎn)（上冊）［M］.湘潭：湘潭鋼鐵公司職工大學(xué)，1992.

［6］孫金茂.鋼絲生產(chǎn)［M］.北京：冶金工業(yè)部技工學(xué)校教材編審辦公室，1985.

［7］全國鋼標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.GB/T 24238—2009，預(yù)應(yīng)力鋼絲及鋼絞線用熱軋盤條［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2014.

［8］章守華.合金鋼［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1981.

Development of 1 890 MPa Three Side Indented Pre-Stressed Steel Strand

LIN Xiu-yan
（Tianjin Metallurgy Group Zhongxing Shengda Steel Industry Co.，Ltd.，Tianjin 301616，China）

In order to meet the demand by the market，high cohesion high strength low relaxation 1×19S-21.8 multiple-lay three side notched pre-stressed steel strand was developed on basis of 1×19 structure series big sized high strength plain pre-stressed steel strand.The properties of the finish product exceeded the preset index of 1 890 MPa grade required by the customer.Characterized by high strength，high elongation and low relaxation，the batch and scale production of the product has realized.

three side notch；pre-stressed steel strand；drawing；spinning；stabilizing treatment

10.3969/j.issn.1006-110X.2016.02.005

2015-10-13

2015-11-02

藺秀艷（1965—），女，高級工程師，主要從事金屬材料及熱處理專業(yè)方面的研究工作。