薛思毅

(武鋼研究院 湖北 武漢:430080)

我國冷軋帶肋鋼筋生產(chǎn)與應(yīng)用起步于上世紀(jì)八十年代末期。之前,預(yù)應(yīng)力混凝土和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件通常采用低碳冷拔絲和Q235線材。相比之下,冷軋帶肋鋼筋塑性顯著好于冷拔絲,等強(qiáng)代換Q235線材或熱軋 I級園鋼可節(jié)省鋼材15～30%,加之有效解決了光園鋼筋與混凝土錨固型能差的問題,故被當(dāng)時建設(shè)部確定為以上兩類傳統(tǒng)鋼筋的更新?lián)Q代產(chǎn)品,加以全面推廣普及。

目前,冷軋帶肋鋼筋已成為房屋建筑,路橋工程,水泥制管,預(yù)應(yīng)力電桿及水泥井蓋等下游行業(yè)中的成熟產(chǎn)品。特別是CRB550鋼筋更是在現(xiàn)澆板類構(gòu)件和箍、架、構(gòu)造用筋方面成為設(shè)計之首選?？梢哉f,世界經(jīng)濟(jì)危機(jī)的緩慢復(fù)蘇,國家節(jié)能減排工作的持續(xù)推進(jìn),都將有利于冷軋帶肋鋼筋迎來新一輪需求高潮。

1 產(chǎn)品與原料

冷軋帶肋鋼筋是以普線、優(yōu)線或低合金鋼線材為原料,在室溫狀態(tài)下,經(jīng)2～6道次拔軋減徑(終軋道次減徑十刻痕),在表面形成具有三面月牙橫肋的小直徑高強(qiáng)度螺紋鋼筋。鋼筋標(biāo)準(zhǔn)代號以CRB開頭,后接表示抗拉強(qiáng)度級別的阿拉伯?dāng)?shù)字?，F(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB13788-2000,行業(yè)技術(shù)規(guī)范J GJ95-95。

冷軋帶肋鋼筋按用途分為非預(yù)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力兩種類別。其中,550級為非預(yù)應(yīng)力鋼筋,公稱直徑范圍Φ5～Φ11.5mm(成品直徑按0.5mm進(jìn)級)。預(yù)應(yīng)力鋼筋包括650、800、970和1170級四種牌號,規(guī)格均為Φ5mm。鋼筋力學(xué)、工藝性能及表面與截面形狀見表1和圖1。

表1 冷軋帶肋鋼筋力學(xué)和工藝性能

圖1 冷軋帶肋鋼筋表面與截面形狀

表2列出了標(biāo)準(zhǔn)推薦不同級別冷軋帶肋鋼筋用線材牌號和化學(xué)成份的對應(yīng)關(guān)系,但實際生產(chǎn)中CRB550級鋼筋也可用Q235和Q195線材生產(chǎn),CRB800和CRB970級用武鋼45和50號高線生產(chǎn),質(zhì)量更好,成本更低。

一般來說,奇數(shù)規(guī)格550級產(chǎn)品用偶數(shù)規(guī)格Q235線材生產(chǎn),偶數(shù)規(guī)格550級產(chǎn)品用偶數(shù)系列Q215和Q195線材生產(chǎn)。例如,用 Q235Φ8軋 CRB550Φ7,用Q195Φ8軋CRB550Φ6等。否則,產(chǎn)品抗拉強(qiáng)度和延伸率很難同時達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。但這種原料與成品對應(yīng)關(guān)系不能一概而定,如用正公差上限Q235Φ8線材生產(chǎn)負(fù)公差上限CRB550Φ7產(chǎn)品會因減徑量偏大,導(dǎo)致延伸率不合格。反之,若線材負(fù)差尺寸偏大,使總減徑量<0.7mm臨界尺寸,則成品肋高不夠。

值得說明的是,用Q235Φ8線材也能軋出試驗室質(zhì)檢合格的CRB800Φ5預(yù)應(yīng)力鋼筋,但實際拉張后, 10h應(yīng)力松弛指標(biāo)不合格(鋼筋中預(yù)應(yīng)力損失過大),造成當(dāng)塊或整批預(yù)制構(gòu)件報廢。同理,用低合金鋼或號鋼線材生產(chǎn)CRB550級產(chǎn)品,會因強(qiáng)度過高,導(dǎo)致延伸率不合格,且鋼筋也難以被調(diào)直。

總之,冷軋帶肋鋼筋成品與原料對應(yīng)關(guān)系較為復(fù)雜,如何優(yōu)選,取決于原料入庫成本,原料采購難易,生產(chǎn)線設(shè)備、工藝特點(diǎn)及客戶要求等諸多因素。

表2 冷軋帶肋鋼筋用線材牌號和化學(xué)成份

2 設(shè)備型式、特點(diǎn)與工藝流程

用于生產(chǎn)冷軋帶肋鋼筋的軋制設(shè)備為三輥 Y型軋機(jī)。成套生產(chǎn)線設(shè)備按軋機(jī)工作輥是否與傳動裝置相連接分為主動式和被動式兩種類型。

2.1 主動式生產(chǎn)線

主動式生產(chǎn)線常規(guī)選型為 Y200四機(jī)架冷連軋機(jī),四個機(jī)架呈縱列式固定在同一軋機(jī)底座上,每架軋一道次,四道次之間實行連扎。

軋機(jī)傳動設(shè)計形式為:主電機(jī)(DC、200kW)經(jīng)聯(lián)軸節(jié)、減速機(jī)、速度分配箱,聯(lián)接軸將動力同時傳遞給各機(jī)架上或下軋輥,并通過傘齒輪機(jī)構(gòu),使三片軋輥同步旋轉(zhuǎn)。

軋機(jī)各機(jī)架孔型按正、倒弧三角輪廓交替設(shè)計。為防止軋制過程中鋼筋扭轉(zhuǎn)或跑偏,各機(jī)架入口端裝有導(dǎo)衛(wèi)裝置,軋輥徑向壓下(斜楔式)和軸向調(diào)整均采用螺桿、螺母結(jié)構(gòu),手動操作。

由于速度分配箱中各機(jī)架速比關(guān)系已確定,為保證機(jī)架間連軋關(guān)系,當(dāng)采用二或三連軋工藝時,所用機(jī)架必須依序組合,如2#-3#或2#-3#-4#等,生產(chǎn)線設(shè)備、工藝流程如下:

雙位放線機(jī)(兩臂各上一卷線材)→機(jī)械除鱗機(jī)(5彎輥)→Y200四連軋機(jī)(DC、200kW)→機(jī)械消應(yīng)機(jī)(26輥)→Φ800工字輪收線機(jī)(21ONm力矩電機(jī))。

從理論上講,主動式設(shè)備較被動式具有以下三個突出優(yōu)點(diǎn):

(1)被動式設(shè)備采用冷拔軋生產(chǎn)方式,軋件所受應(yīng)力狀態(tài)為二壓一拉,而用主動式軋機(jī)軋制,可使軋件始終處于三向壓應(yīng)力狀態(tài),從而能有效改善鋼材塑性,提高軋后產(chǎn)品延伸率。

(2)由于軋機(jī)主傳動大型化(200kW)和直流化有助于實現(xiàn)高速穩(wěn)定化生產(chǎn),因而使軋機(jī)產(chǎn)量能得以顯著提高,產(chǎn)成品入庫成本得以充分?jǐn)偙　?/p>

(3)能實現(xiàn)逐根直條鋼筋生產(chǎn),如用熱軋Φ12Ⅰ級園鋼軋550級Φ11冷軋帶肋鋼筋(園鋼較線材便宜),或?qū)Τ罟鈭@鋼筋實行改、補(bǔ)軋,以降低原料購進(jìn)成本。

然而,實際生產(chǎn)中,收線機(jī)力矩電機(jī)的工作特點(diǎn)是:

隨著收線卷重的逐步增加,使卷取前張力作用不斷增大,直至軋件所受應(yīng)力狀態(tài)自調(diào)成二壓一拉。換言之,因?qū)嶋H變形機(jī)理與冷拔軋生產(chǎn)方式幾近相同,故軋后產(chǎn)品延伸率得不到相對提高(見圖2主應(yīng)力應(yīng)變圖示)。

圖2 主應(yīng)力應(yīng)變示意圖

其次,由于換輥、調(diào)孔型、調(diào)導(dǎo)衛(wèi)、穿線等軋前準(zhǔn)備工作復(fù)雜,耗時長,特別是各機(jī)架速比一定,而不同廠家線材材質(zhì),直徑差異較大(正負(fù)公差緣故),不同客戶對成品直徑要求又不盡相同,使軋制過程中很難保持嚴(yán)格的連軋關(guān)系。而一旦發(fā)生堆鋼或斷線,重新穿線,調(diào)孔型勢必大大縮短純軋時間。所以,盡管主動式軋機(jī)軋制速度高于被動式設(shè)備,但就軋機(jī)有效作業(yè)率而言,反而低于后者。

第三,實踐表明,用二連軋方式軋直條鋼筋穿線過于復(fù)雜。用一架軋,斷面弧三角化太明顯,且出肋太淺。此外,軋出鋼筋并非直狀,若用調(diào)直機(jī)逐根調(diào)直效率太低,且人工、電,易損、易耗件成本太高,經(jīng)濟(jì)上不合理。

第四,由于相鄰機(jī)架間距僅15-20cm,而穿線又必須在開機(jī)狀態(tài)下手動完成,存在極大安全隱患。

綜上諸點(diǎn)顯見,主動式設(shè)備設(shè)計尚不成熟,但投資卻達(dá)被動式設(shè)備的三倍之多(70-90萬/套)。因此,2003年以后新建廠一般不采用此類設(shè)備。

2.2 被動式生產(chǎn)線

被動式生產(chǎn)線包括滑輪式和直進(jìn)式,而后者又細(xì)分為“一拖二”和“二拖二”兩種類型。

2.2.1 滑輪式生產(chǎn)線

滑輪式生產(chǎn)線主機(jī)列由三架 Y150軋機(jī)和三臺Φ650拉絲機(jī)組成,每架軋機(jī)頭內(nèi)裝2組(六片)軋輥,共軋6道次。

Y150軋機(jī)本身無動力,軋制過程藉助拉絲機(jī)實現(xiàn)。三臺拉絲機(jī)均采用交流異步電機(jī),經(jīng)皮帶輪驅(qū)動。各臺拉絲機(jī)皮帶輪直徑按Φ6.5→Φ4連軋常數(shù)依序確定。生產(chǎn)過程中,相鄰拉絲機(jī)速度誤差可借助置于拉絲機(jī)上方的滑輪補(bǔ)充調(diào)諧。

滑輪式生產(chǎn)線設(shè)備、工藝流程如下:

雙位放線機(jī)→5輥機(jī)械除鱗機(jī)→干粉潤滑箱→Y150軋機(jī)→Φ650拉絲機(jī)→干粉潤滑箱→Y150軋機(jī)→Φ650拉絲機(jī)→干粉潤滑箱→Y150軋機(jī)→Φ650拉絲機(jī)→26輥機(jī)械消應(yīng)機(jī)→Φ650工字輪收線機(jī)→卷狀成品。

其中,放線、除鱗、消除應(yīng)力、收線等單體設(shè)備與前述主動式設(shè)備大致相同,只是前者采用乳化液濕式冷潤,后者采用潤滑粉干式冷潤。

滑輪式設(shè)備主要適用于生產(chǎn)650級Φ4～Φ6冷軋帶肋鋼筋。由于2000年國家對城區(qū)建筑禁止使用圓孔板政策法規(guī)的出臺,滑輪式設(shè)備因無法生產(chǎn)Φ7以上規(guī)格550級非預(yù)應(yīng)力鋼筋,正逐步趨于淘汰。

但值得說明的是,由于采用6道次軋制生產(chǎn)方式,用滑輪式設(shè)備軋Φ3.8～Φ5mm小規(guī)格產(chǎn)品的外觀和力學(xué)、工藝性能明顯好于其他設(shè)備出品質(zhì)量。

因此,對新建廠來說,采用直進(jìn)式為主,滑輪式為輔的產(chǎn)線布局形式或許更為合理。

2.2.2 被動式“一拖二”生產(chǎn)線

所謂“一拖二”就是指用一臺雙卷筒拉絲機(jī)同時帶動二架Y150軋機(jī)實現(xiàn)四道次軋制。拉絲機(jī)通常用一臺55kW交流變頻調(diào)速電機(jī)驅(qū)動。

兩個拉絲卷筒的動作順序是先下后上,即先由下卷筒將穿入前機(jī)架的鋼筋進(jìn)行邊拔軋邊卷取,達(dá)到一定圈數(shù)后停機(jī)卸線,再將頭部鋼筋穿入后機(jī)架,經(jīng)導(dǎo)向輥纏掛在上卷筒上,爾后兩卷筒聯(lián)動拔軋(采用單機(jī)架軋制,只用下卷筒)。

“一拖二”設(shè)備的另一特點(diǎn)是,應(yīng)力消除機(jī)采用主動式(帶電機(jī)),收線裝置采用被動式(收線盤由鋼筋帶動旋轉(zhuǎn))。由于成套生產(chǎn)線設(shè)備中少一臺拉絲機(jī)和一臺工字輪收線機(jī),故“一拖二”設(shè)計的最大優(yōu)點(diǎn)是投資省,設(shè)備緊湊,占地少。

盡管“一拖二”設(shè)備基本也能實現(xiàn)全規(guī)格,全級別冷軋帶肋鋼筋的生產(chǎn),但受拉絲機(jī)主電機(jī)功率的限制,生產(chǎn)Φ6～Φ10偶數(shù)規(guī)格550級產(chǎn)品只能達(dá)到正公差交貨條件,這不僅大大降低產(chǎn)品盈利能力,而且也往往不為客戶所允許。

由于目前尚無奇數(shù)規(guī)格線材,所以“一拖二”設(shè)備只適合承接550級奇數(shù)規(guī)格(俗稱5、7、9)供筋合同,除此之外,該設(shè)備還存有以下三個缺點(diǎn):

(1)因采用被動式收線,盤重一般不超過200kg,對9m定尺合同,每盤至少丟一根鋼筋,成材率受影響。

(2)拔軋過程中,一旦出現(xiàn)壓線情況,必須上、下卷筒同時排(洄)線,操作用時較長。特別是這種情況若發(fā)生在生產(chǎn)800及以上級別預(yù)應(yīng)力鋼筋時,由于鋼筋太硬,反彈極易造成工傷事故。

(3)成品機(jī)架出線后,必須邊軋邊卡尺,直至校準(zhǔn)尺寸,這一部分走線加上經(jīng)導(dǎo)向輥纏掛在上卷筒這一段未刻痕走線,累計丟長較多(調(diào)直時必須剪掉),形成一定的生產(chǎn)損耗。

2.2.3 “二拖二”直進(jìn)式生產(chǎn)線

“二拖二”是指生產(chǎn)線主機(jī)列由二架軋機(jī)和二臺拉絲機(jī)組成,系目前用于冷軋帶肋鋼筋生產(chǎn)的主力機(jī)型。其設(shè)備、工藝特點(diǎn)包括:

(1)主傳動交流化,即二臺拉絲機(jī)均采用交流變頻調(diào)速電機(jī)驅(qū)動,與傳統(tǒng)直進(jìn)生產(chǎn)方式略有不同的是,二臺拉絲機(jī)之間設(shè)有一活套調(diào)諧裝置,以保證生產(chǎn)過程中鋼筋始終處于微堆軋制狀態(tài)。

(2)為保證最大吃坯Φ12.5mm線材和實現(xiàn)負(fù)差最大化軋制,1架Y150軋機(jī)后跟Φ750臥式拉絲機(jī)(75kw),2架Y150軋機(jī)后跟45或55kwΦ800立式拉絲機(jī)。

(3)采用Φ200大直徑7輥應(yīng)力消除機(jī)(消應(yīng)原理類似輥式矯直機(jī)),以增大應(yīng)力消除效果,提高產(chǎn)品延伸率。同時,為克服由此增大的阻力作用, Φ800工字輪收線機(jī)采用23kgm力矩電機(jī)。

(4)Y150軋機(jī)前增設(shè)干粉潤滑箱,以適應(yīng)用碳化鎢軋輥軋800及以上級別預(yù)應(yīng)力鋼筋(軋CRB550和 CRB650用乳化液冷潤)。

(5)由于550級冷軋帶肋鋼筋系直條狀交貨,理論計重。為實現(xiàn)產(chǎn)品利潤最大化,必須在保證質(zhì)檢合格前提下,力求負(fù)差最大化。然而,負(fù)差愈大,壓下量愈大,加工硬化亦愈大,使軋后產(chǎn)品抗拉過高,延伸不足。

為此,“二拖二”生產(chǎn)線的離線特點(diǎn)是在放線架與調(diào)直剪斷機(jī)之間設(shè)有一臺用于二次消應(yīng)的3輥除鱗機(jī)和一臺37kwΦ650立式拉絲機(jī)。拉絲機(jī)采用交流變頻調(diào)速電機(jī),通過無級調(diào)速與調(diào)直機(jī)速度相適應(yīng)。

(6)“二拖二”成套生產(chǎn)線設(shè)備組成與工藝流程如下:

雙位放線機(jī)→5輥機(jī)械除鱗機(jī)→干粉潤滑箱(550、650級不用)→Y150軋機(jī)→Φ750臥式拉絲機(jī)(AC,75kW)→活套調(diào)諧裝置→干粉潤滑箱→Y150軋機(jī)→Φ800立式拉絲機(jī)(AC,45或55kW)→7輥機(jī)械消應(yīng)機(jī)(輥徑Φ200mm)→Φ800工字輪收線機(jī)(23ONm力矩電機(jī))→卷狀產(chǎn)品→成卷帶肋鋼筋→調(diào)直放線架→3輥除鱗機(jī)(二次消除應(yīng)力)→Φ650立式拉絲機(jī)(AC,37kW)→自動調(diào)直剪斷機(jī)→直條定尺產(chǎn)品(CRB550)。

表3 “二拖二”設(shè)備生產(chǎn)全規(guī)格全級別冷軋帶肋鋼筋實例軋制圖表

3 工藝原則與壓下規(guī)程

冷軋帶肋鋼筋供、產(chǎn)、銷具有六大特點(diǎn):

(1)原料特點(diǎn):同牌號材質(zhì)軟態(tài)好于硬態(tài),正公差好于負(fù)公差;

(2)生產(chǎn)特點(diǎn):原料至成品一次冷軋成材,中間無退火程序;

(3)工藝特點(diǎn):加工硬化導(dǎo)致產(chǎn)品強(qiáng)度過剩,延伸率較低;

(4)銷售特點(diǎn):預(yù)應(yīng)力鋼筋卷狀交貨,過磅計重,非預(yù)應(yīng)力鋼筋直條供貨,理論計重;

(5)盈利特點(diǎn):加工收益+負(fù)差收益+資金成本收益;

(6)驗收條件:質(zhì)檢合格。

以上六大特點(diǎn)決定了制定冷軋帶肋鋼筋生產(chǎn)工藝制度需貫徹以下四點(diǎn)原則:

1)對800及以上級別預(yù)應(yīng)力鋼筋,為確保延伸、反彎兩項關(guān)鍵指標(biāo)質(zhì)檢合格,應(yīng)盡可能按正公差軋制,并采用卸線→開卷→消應(yīng)→重卷工藝。

2)對550級非預(yù)應(yīng)力鋼筋,應(yīng)在保證質(zhì)檢合格前提下,力求負(fù)差最大化。

3)對550奇數(shù)規(guī)格產(chǎn)品,用Q235線材軋四道次,并接二次消應(yīng)工藝較拉絲材在單機(jī)架上軋二道次工藝,負(fù)差更大,同時質(zhì)量也更穩(wěn)定。

4)由于標(biāo)準(zhǔn)定義冷軋帶肋鋼筋公稱直徑系一基園點(diǎn)到一肋中點(diǎn)高之間距離(見圖1),故孔型設(shè)計和后步調(diào)整應(yīng)使成品基園直徑較標(biāo)準(zhǔn)公稱直徑小0.3～0.5mm。

基于以上諸點(diǎn)原則,表3列舉了用“二拖二”設(shè)備生產(chǎn)全規(guī)格、全級別冷軋帶肋鋼筋軋制圖表。

4 存在問題

目前,冷軋帶肋鋼筋存在的主要問題是:一方面,GB13788-2000標(biāo)準(zhǔn)中對CRB550鋼筋延伸率標(biāo)準(zhǔn)(σ10≥8%),定的相對偏高,例如,冷軋扭和HRB400僅分別為σ10≥4.5%和σ5≥15%;另一方面,近年來,不少廠家在無二次消應(yīng)設(shè)備或不愿意走這塊成本情況下,仍盲目采取加大負(fù)差,降低銷價的產(chǎn)銷策略,以致產(chǎn)品因延伸率質(zhì)檢不合格,被退、換貨現(xiàn)象常有發(fā)生,在一定程度上引發(fā)了業(yè)內(nèi)對冷軋帶肋鋼筋質(zhì)量穩(wěn)定性的質(zhì)疑,且受此負(fù)面影響,其產(chǎn)、銷兩旺的勢頭正有所減退。

由于目前已出現(xiàn)甲方(甲供料),或施工方直接要求負(fù)差交貨的趨勢,故延伸率問題系當(dāng)前冷軋帶肋鋼筋生產(chǎn)技術(shù)中,有待進(jìn)一步突破的首要問題。

5 結(jié)論

(1)與近年來悄然興起的熱軋 Ⅲ級盤螺(HRB400)相比,CRB550鋼筋因具有配送方便,負(fù)差可控,配筋靈活等優(yōu)勢,故近、中期內(nèi)其市場主導(dǎo)地位難以被動搖。

(2)實踐證明,在尚未研發(fā)出冷軋帶肋鋼筋專用線材之前,為確保CRB550鋼筋在負(fù)差軋制條件下延伸率達(dá)標(biāo),增加“二次機(jī)械消應(yīng)”工序是最經(jīng)濟(jì)、可行的方法之一。

[1] 龔仕杰.混凝土施工新技術(shù)[M].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社, 1995.

[2] 劉新運(yùn),王永杰.建筑用鋼標(biāo)準(zhǔn)手冊[M].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.