CN104006283B - 一种填芯钢管/填芯钢筋及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种填芯钢管/填芯钢筋及其制备方法，属于金属轧制产品开发领域。该填芯钢管/填芯钢筋由外层金属材料和内层填芯料复合而成，外层金属材料为普通的钢管或钢筋成分，内层填芯料为砂石、铁渣粉、矿渣粉或木质粉末的一种，填芯料粒度为100～3000微米。其制备方法为钢带逐步卷曲成圆，与此同时填芯料进入到正在卷曲成圆的钢带中制得毛管，毛管经焊接后，再通过粗轧机组轧制使芯部的填芯料得到紧实，通过精轧机组轧制获得符合尺寸要求的成品。本发明制得的填芯金属钢管或填芯钢筋质量更轻，性能更好，制备过程能源消耗更少，能生产出满足市场需求的填芯钢管/填芯钢筋，用于护栏钢筋和建筑结构用的箍筋，建筑用的脚手架和立柱管等使用领域。

Description

一种填芯钢管/填芯钢筋及其制备方法

技术领域

本发明属于金属轧制产品开发领域，特别涉及一种填芯钢管/填芯钢筋及其制备方法。

背景技术

钢管广泛应用于各类结构、输送流体和粉状固体、交换热能、制造机械零件和容器，是一种经济钢材。用钢管制造建筑结构网架、支柱和机械支架，可以减轻重量，节省金属，而且可实现工厂化、机械化施工。钢管按横断面形状可分为：圆钢管和异形钢管，按制管材质(即钢种)可分为：碳素管和合金管、不锈钢管等，按生产工艺可分为焊接管(按焊缝的形式又分为直缝焊管和螺旋焊管)和无缝管。

钢筋广泛应用于各种建筑结构，主要包括光圆钢筋、带肋钢筋、扭转钢筋等。按在结构中的作用可分为受压钢筋、受拉钢筋、架立钢筋、分布钢筋、箍筋等。其中，配置在钢筋混凝土结构中的钢筋，按其作用可分为受力筋、箍筋、架力筋、分布筋和其它构造筋。按照生产工艺的不同，钢筋又可分为热轧钢筋、冷轧钢筋、冷拉钢筋，还有经热处理而成的热处理钢筋。

在节能减排、行业转型升级的背景下，建筑、汽车、家电、集装箱、工程机械等用钢行业都提出了节约使用钢材、提高钢的使用价值，用最少的碳排放，实现价值最大化的目标，对钢材提出了高强度、耐腐蚀、轻量化、长寿命、可回收的要求。

根据钢管在不同使用场合对其性能要求的差异，在有些场合如建筑脚手架用管，如果能将中空钢管替换为带非金属芯的钢管，即由内外两层不同材料组成，外层是钢，内层是非金属、轻质充填物构成的填芯钢管，在满足重量相同的条件下，因采用实芯钢管代替中空钢管，既能使钢管壁厚减薄，节约金属的使用量，又可提高其抗弯曲和抗压扁能力。

根据钢筋在不同使用场合对其性能要求的差异，在有些场合如建筑用箍筋，如果能将实心金属钢筋替换为非金属芯钢筋，即由内外两层不同材料组成，外层是钢，内层是非金属充填物构成的填芯钢筋，在同样满足弯曲和反弯曲等使用性能要求的条件下，因采用低成本材料来部分代替金属可使钢筋轻量化，节约金属的使用、减轻重量。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种填芯钢管/填芯钢筋，该填芯钢管/填芯钢筋由外层金属材料和内层填芯料复合而成，外层金属材料为普通的钢管或钢筋成分，内层填芯料为沙石、铁渣粉、矿渣粉或木质粉末的一种，填芯料粒度为100～3000微米。

本发明的一种填芯钢管/填芯钢筋内外两层的作用和设计依据如下：

金属外层：外层金属通过其良好的塑性变形能力，获得填芯钢管和填芯钢筋在使用过程中需具备的弯曲和反弯曲等能力；

填芯料内层：内层填芯料主要是提高空心管材的刚度，获得良好的抗压扁性能和抗弯曲性能。

综合性能：通过金属外层和填芯料内层占断面面积百分比的不同而进行调节，使其性能高于相同单位重量的传统实心钢筋，也高于空心管材。

本发明的填芯钢管/填芯钢筋的制备方法为：钢带逐步卷曲成圆，与此同时填芯料进入到正在卷曲成圆的钢带中制得毛管，毛管经焊接后，再通过粗轧机组轧制使芯部的填芯料得到紧实，通过精轧机组轧制获得符合尺寸要求的成品。

本发明的填芯钢管/填芯钢筋的制备方法，具体包括如下步骤：

步骤一：选取原料钢带和填芯料

选取原料钢带，选取填芯料；

步骤二：带材冷弯成型过程中加入填芯料

原料钢带经过纵剪达到所需要的宽度，纵剪后钢带经过辊弯成π到5/3π之间的某一弧度时开始加入所选取的填芯料，填芯料通过填料仓、注入通道和流量控制阀等进入到正在辊弯过程的毛管中；在钢带继续卷曲成圆的过程中，填芯料逐渐将其充满，通过振动填实，填充过程合格的判断标准是在钢带完全成圆后填芯料刚好溢出，直至获得直径10～200mm填芯管材毛管；

步骤三：对填芯毛管缝隙处进行焊接，成为带有填芯料的荒管；

步骤四：焊接好的荒管在粗轧机组中进行常温冷轧，各机架轧制时管材的延伸系数为1.1～1.5；各机架的轧制速度范围为0.5～15m/s，获得粗轧后的毛管；

步骤五：对粗轧后的毛管进行中间退火处理，退火温度为700～900℃，消除加工硬化，为毛管进入精轧机组轧制做准备；

步骤六：中间退火后的毛管在精轧机组中进行减径、定径轧制，轧制温度为100～300℃，各机架轧制时管材的延伸系数为1.1～1.5，轧制速度为2～11m/s，直到获得满足最终尺寸的成品；

步骤七：进行成品退火，退火温度为700～900℃，消除加工硬化；

步骤八：将退火后满足使用要求的成品分为二种情况处理：

(1)直径大于等于11mm的产品称为填芯钢管，退火后切断，包装、入库；

(2)直径小于11mm的产品称为填芯钢筋，退火后收集成卷，入库。

上述的粗轧机组的电机功率20～120kW，精轧机组的电机功率20～200kW。粗轧机组或精轧机组为如下两种机型的一种：

(a)紧凑式平立交替二辊轧机，孔型为传统的椭圆-圆交替布置；

(b)三辊Y型Kocks轧机，孔型为由三个互成120°的轧辊组合成的圆，相邻机架间角度相差180°。

本发明的填芯钢管/填芯钢筋的制备方法有三个技术关键点：

(1)加入填芯料：对填芯料的流量控制要求严格，目标是填充物适度充满，减少溢出；

(2)粗轧机组轧制：粗轧的作用是压实充填物，在粗轧过程中，由于外部金属和内部填充物的塑性变形能力差异，填芯管材的体积发生变化时，不再遵循传统的秒流量相等的原则，需要建立新的连轧关系，速度匹配关系以及张力控制；

(3)精轧机组轧制：精轧机组轧制的目标是得到满足尺寸要求、产品精度、性能和表面质量的成品，此过程轧制的难点是控制连轧的堆拉关系。

本发明的填芯钢管/填芯钢筋，采用非金属、轻质、低成本的材料填充芯部，可降低传统钢管或实心钢筋中金属的用量、减轻其重量、降低生产成本，来源广泛、既经济又可回收。

本发明制备的填芯钢筋可用于护栏钢筋和建筑结构用的箍筋，其中箍筋是用来满足斜截面抗剪强度，并联结受拉主钢筋和受压区混凝土使其共同工作，是用来固定主钢筋的位置而使梁内各种钢筋构成钢筋骨架，是梁和柱抵抗剪力配置的环形(包括圆形和矩形)钢筋，将上部和下部的钢筋固定起来，同时抵抗剪力。与相等钢材面积的实心圆形断面钢筋相比，本发明的填芯钢筋的断面承载模量大幅度提高；在承载模量相同的条件下，可以大幅度节省钢材。

本发明制备的填芯钢管可用作建筑用的脚手架等领域。脚手架是施工现场为工人操作并解决垂直和水平运输而搭设的各种支架，常用在建筑外墙、内部装修或层高较高无法直接施工的地方，便于施工人员上下干活或外围安全网维护及高空安装构件等。现在广泛使用的脚手架为空心脚手架，填芯钢管则可以在相同金属壁厚条件下通过内部的砂石芯，来提高钢管的抗压扁能力和抗弯曲能力，或者是在相同的抗压扁能力和抗弯曲能力的基础上减薄金属壁厚，节约金属。本发明的填芯钢管还可用于立柱管等使用场合。

依照本发明填芯钢管/填芯钢筋的制备方法，已经成功制备出了不同规格的填芯钢管/填芯钢筋成品，说明此种制备方法的可行性很强，其有如下优点：

(1)沙石、铁渣粉、矿渣粉、木质粉末都可以作为填芯料，其价格低廉；

(2)钢管卷圆与填芯同时进行，简化了生产工艺，提供了一种制备复合材料的高效途径；

(3)生产设备简单，工艺流程短，生产成本低，产品用途广；

(4)本发明制备方法制备的填芯管材，可以在满足产品性能要求的前提下明显减少钢材的用量，从而节约了能源，减少了二氧化碳的排放，提高了钢材的利用率，属于环境友好型的新产品。

附图说明

图1本发明实施例1的填芯钢管制备过程横断面变化示意图；

图2本发明实施例填芯钢筋生产装置示意图；

其中，1：焊管机组；2：填料仓；3：填充量控制装置；4：粗轧机组；5：中间退火装置；6：精轧机组；7：成品退火装置；8：卷取机；9：剪切装置；10：运送链；11：集卷工位；12：捆扎工位；

图3本发明实施例填芯钢管生产装置示意图；

其中，1：焊管机组；2：填料仓；3：填充量控制装置；4：粗轧机组；5：中间退火装置；6：精轧机组；7：成品退火装置；8：飞锯；9：成品；10：收集台架。

具体实施例

实施例1

目标成品外径40mm，填芯料直径38mm的细干沙填芯钢管，由外层金属材料和内层填芯料复合而成。外层金属材料：钢种为低碳钢，化学成分按重量百分比为0.072％C，0.267％Si，0.313％Mn，0.068％P，0.007％S，0.004％A1，余量为Fe，该钢屈服强度346MPa，抗拉强度436MPa，延伸率38％；填芯料为细干沙，主要成分为二氧化硅，粒度为100～3000微米。

采用图3所示装置，本实施例填芯钢管的制备方法，具体步骤为：

步骤一：选取原料带钢和填芯料

选取原料钢带，钢种为低碳钢，化学成分按重量百分比为0.072％C，0.267％Si，0.313％Mn，0.068％P，0.007％S，0.004％Al，余量为Fe；

选取填芯料：填芯料为细干沙，主要成分为二氧化硅，粒度为100～3000微米；

步骤二：带材冷弯成型过程中加入填芯料

原料钢带经过纵剪成宽434mm，厚1.5mm的钢带，纵剪后钢带经过辊弯成π弧度时开始加入所选取的细干沙，细干沙通过填料仓、注入通道和流量控制阀等进入到正在辊弯过程的毛管中；在钢带继续卷曲成圆的过程中，细干沙逐渐充满钢管，通过振动填实，填充过程合格的判断标准是在钢带完全成圆后细干沙刚好溢出，直至获得外径138mm，壁厚1.5mm的填芯毛管；

步骤三：对填芯毛管缝隙处进行焊接，成为带有填芯料的荒管；

步骤四：焊接好的荒管在粗轧机组中进行常温冷轧，粗轧机组每架轧机的电机功率为3×50kW，粗轧机组为4机架，采用三辊Y型Kocks轧机，孔型为由三个互成120°的轧辊组合成的圆，相邻机架间角度相差180°，细干沙的堆积密度为1280kg/m³，轧制后的芯部填芯料的密度为2600kg/m³，总的体积压缩率为48％，结合质量守恒定律可得总延伸系数为6.2。各机架轧制时毛管延伸系数为1.3、1.3、1.3、1.3；各机架的轧制速度为0.8m/s(道次体积压缩率24％)、1.04m/s(道次体积压缩率20％)、1.35m/s(道次体积压缩率15％)、1.76m/s。轧制过程中带有前后微张力，使细干沙在压应力作用下，体积变小，密度加大，获得粗轧后的毛管；

步骤五：对粗轧后的毛管进行中间退火处理，退火温度为800℃，消除加工硬化，为进入精轧机组做准备；

步骤六：中间退火后的毛管在精轧机组中进行减径、定径轧制，精轧机组的电机功率为3×50kW，考虑退火余温和变形热引起的温升，轧制温度为300℃，精轧机组为4机架，采用三辊Y型Kocks轧机，孔型为由三个互成120°的轧辊组合成的圆，相邻机架间角度相差180°，各机架轧制时毛管延伸系数为1.16、1.2、1.2、1.3，4机架中各机架的轧制速度为2.29m/s、2.65m/s、3.19m/s、3.83m/s，填芯钢管出最后一架轧机的速度为4.96m/s；轧制过程带有前后微张力，直到获得外径40mm，填芯料直径38mm的填芯钢管；

步骤七：进行成品退火，退火温度为700℃，消除加工硬化，改善使用性能；

步骤八：退火后经过飞锯切断，对成品进行包装，通过收集台架运入仓库。

本发明的填芯钢管制备过程横断面变化示意图，见图1，由(a)至(e)为原料钢带到成品填芯钢管的制备过程的横断面变化过程；本实施例制备的1m细干沙填芯钢管重量为3.894kg，其中钢的质量为0.956kg，芯部细干沙的重量为2.938kg，填芯料细干沙的体积为1.13×10^-3m³，则填芯料细干沙的密度为2600kg/m³，此密度与石英砂岩密度相当，故本实施例填芯钢管芯部细干沙的弹性模量取为石英砂岩的弹性模量，为55GPa；本实施例钢的弹性模量E＝206GPa。

外径为40mm，填充料直径为38mm的细干沙填芯钢管，其惯性矩为1.16×10⁵mm⁴，而外径为40mm，壁厚为2.5mm的普通脚手架钢管的惯性矩为4.32×10⁴mm⁴。本实施例1m填芯钢管中用钢为0.956kg，1m普通脚手架用钢为2.327kg，节材率为58.9％。

实施例2

目标成品外径35mm，填芯料直径33mm的有色金属矿渣粉填芯钢管，由外层金属材料和内层填芯料复合而成。外层金属材料：钢种为低碳钢，化学成分按重量百分比为0.15％C，0.13％Si，0.313％Mn，0.032％P，0.007％S，0.004％Al，余量为Fe，该钢屈服强度236MPa，抗拉强度376MPa，延伸率36％；填芯料为有色金属矿渣粉，成分为：二氧化硅、氧化亚铁、氧化钙和氧化镁等，该矿渣粉的粒度为100～3000微米。

采用图3所示装置，本实施例填芯钢管的制备方法，具体步骤为：

步骤一：选取原料带钢和填芯料

选取原料钢带，钢种为低碳钢，化学成分按重量百分比为0.15％C，0.13％Si，0.313％Mn，0.032％P，0.007％S，0.004％Al，余量为Fe；

选取填芯料：填芯料为有色金属矿渣粉，成分为：二氧化硅、氧化亚铁、氧化钙和氧化镁等，该矿渣粉的粒度为100～3000微米；

步骤二：带材冷弯成型过程中加入填芯料

原料钢带经过纵剪成宽376mm，厚1.8mm的钢带，纵剪后钢带经过辊弯成4/3π弧度时开始加入所选取的有色金属矿渣粉，有色金属矿渣粉通过填料仓、注入通道和流量控制阀等进入到正在辊弯过程的毛管中；在钢带继续卷曲成圆的过程中，有色金属矿渣粉逐渐充满钢管，通过振动填实，填充过程合格的判断标准是在钢带完全成圆后有色金属矿渣粉刚好溢出，直至获得外径119.6mm，壁厚1.8mm的填芯毛管；

步骤三：对填芯毛管缝隙处进行焊接，成为带有填芯料的荒管；

步骤四：焊接好的荒管在粗轧机组中进行常温冷轧，粗轧机组的电机功率100kW，粗轧机组为4机架，采用紧凑式平立交替二辊轧机，孔型为传统的椭圆-圆交替布置，有色金属矿渣粉的堆积密度为1430kg/m³，轧制后的芯部填芯料的密度为2800kg/m³，总的体积压缩率为46％，结合质量守恒定律可得总延伸系数为6.3。各机架轧制时毛管延伸系数为1.3、1.3、1.3、1.3；各机架的轧制速度为1m/s(道次体积压缩率15％)、1.3m/s(道次体积压缩率20％)、1.69m/s(道次体积压缩率20％)、2.2m/s。轧制过程中带有前后微张力，使矿渣粉在压应力作用下，体积变小，密度加大，获得粗轧后的毛管；

步骤五：对粗轧后的毛管进行中间退火处理，退火温度为820℃，消除加工硬化，为进入精轧机组做准备；

步骤六：中间退火后的毛管在精轧机组中进行减径、定径轧制，考虑退火余温和变形热引起的温升，轧制温度为280℃，精轧机组的电机功率150kW，精轧机组为4机架，采用紧凑式平立交替二辊轧机，孔型为传统的椭圆-圆交替布置，各机架轧制时毛管延伸系数为1.18、1.2、1.2、1.3，4机架中各机架的轧制速度为2.86m/s、3.37m/s、4.05m/s、4.86m/s，填芯钢管出最后一架轧机的速度为6.31m/s；轧制过程带有前后微张力，直到获得外径35mm，填芯料直径33mm的填芯钢管；

步骤七：进行成品退火，退火温度为720℃，消除加工硬化，改善使用性能；

步骤八：退火后经过飞锯切断，对成品进行包装，通过收集台架运入仓库。

本实施例制备的1m填芯钢管重量为3.228kg，其中钢的质量为0.833kg，芯部有色金属矿渣粉的重量为2.395kg，填芯料有色金属矿渣粉的体积为8.55×10^-4m³，则填芯料有色金属矿渣粉的密度为2800kg/m³，此密度与斜长花岗岩密度相当，故本实施例填芯钢管芯部有色金属矿渣粉的弹性模量取为斜长花岗岩的弹性模量，为72GPa；本实施例钢的弹性模量E＝203GPa。

外径为35mm，填充料直径为33mm的有色金属矿渣粉填芯钢管，其惯性矩为6.86×10⁴mm⁴，而外径为35mm，壁厚为2mm的普通钢管的惯性矩为8.42×10³mm⁴。本实施例1m填芯钢管中用钢为0.833kg，1m上述普通钢管用钢为1.617kg，节材率为48.5％。

实施例3

目标成品外径6mm，填芯料直径4.4mm的细干沙填芯钢筋，由外层金属材料和内层填芯料复合而成。外层金属材料：钢种为低碳钢，化学成分按重量百分比为0.076％C，0.257％Si，0.326％Mn，0.057％P，0.007％S，0.004％Al，余量为Fe，该钢屈服强度276MPa，抗拉强度380MPa，延伸率35％；内层填芯料为细干沙，主要成分为二氧化硅，粒度为100～3000微米。

采用图2所示装置，本实施例填芯钢筋的制备方法，具体步骤为：

步骤一：选取原料带钢和填芯料

选取原料钢带，钢种为低碳钢，化学成分按重量百分比为0.076％C，0.257％Si，0.326％Mn，0.057％P，0.007％S，0.004％Al，余量为Fe；

选取填芯料：填芯料为细干沙，主要成分为二氧化硅，粒度为100～3000微米；

步骤二：带材冷弯成型过程中加入填芯料

原料钢带经过纵剪成宽63mm，厚1.5mm的钢带，纵剪后钢带经过辊弯成5/3π弧度时开始加入所选取的细干沙，细干沙通过填料仓、注入通道和流量控制阀等进入到正在辊弯过程的毛管中；在钢带继续卷曲成圆的过程中，细干沙逐渐充满钢管，通过振动填实，填充过程合格的判断标准是在钢带完全成圆后细干沙刚好溢出，直至获得外径20mm，壁厚1.5mm的填芯毛管；

步骤三：对填芯毛管缝隙处进行焊接，成为带有填芯料的荒管；

步骤四：焊接好的荒管在粗轧机组中进行常温冷轧，粗轧机组的电机功率3×20kW，粗轧机组为4机架，采用三辊Y型Kocks轧机，孔型为由三个互成120°的轧辊组合成的圆，相邻机架间角度相差180°，细干沙的堆积密度为1280kg/m³，轧制后的芯部填芯料的密度为2600kg/m³，总的体积压缩率为34％，结合质量守恒定律可得总延伸系数为7.35。各机架轧制时毛管延伸系数为1.3、1.3、1.4、1.4；各机架的轧制速度为1.5m/s(道次体积压缩率15％)、1.95m/s(道次体积压缩率14％)、2.54m/s(道次体积压缩率10％)、3.55m/s。轧制过程中带有前后微张力，使细干沙在压应力作用下，体积变小，密度加大，获得粗轧后的毛管；

步骤五：对粗轧后的毛管进行中间退火处理，退火温度为900℃，消除加工硬化，为进入精轧机组做准备；

步骤六：中间退火后的毛管在精轧机组中进行减径、定径轧制，考虑退火余温和变形热引起的温升，轧制温度为300℃，轧制过程带有前后微张力。精轧机组的电机功率3×20kW，精轧机组为4机架，采用三辊Y型Kocks轧机，孔型为由三个互成120°的轧辊组合成的圆，相邻机架间角度相差180°，各机架轧制时毛管延伸系数为1.18、1.2、1.3、1.2；各机架的轧制速度为4.97m/s、5.86m/s、7.03m/s、9.14m/s，填芯钢筋出最后一架轧机的速度为10.98m/s；直到获得外径6mm，填芯料直径4.4mm的细干沙填芯钢筋；

步骤七：进行成品退火，退火温度为710℃，消除加工硬化，改善使用性能；

步骤八：通过卷取机卷取填芯钢筋，当达到长度要求时，用手动剪将其剪断，成品卷通过运输链到达集卷工位，在捆扎工位上对成品包装成卷运入仓库。

本实施例制备的1m填芯钢筋重量为0.141kg，其中钢的质量为0.102kg，芯部细干沙的重量为0.039kg，填芯料细干沙的体积为1.50×10^-5m³，则填芯料的密度为2600kg/m³。此密度与石英砂岩密度相当，故本实施例填芯钢筋芯部细干沙的弹性模量取为石英砂岩的弹性模量，为55GPa；本实施例钢的弹性模量E＝204GPa；

外径为6mm，填芯料直径为4.4mm的细干沙填芯钢筋，其惯性矩为46.09mm⁴，而外径为5.5mm的普通实心金属钢筋的惯性矩为44.91mm⁴。本实施例1m填芯钢筋中用钢为0.102kg，1m实心金属钢筋用钢为0.185kg，节材率为44.9％。

实施例4

目标成品外径8mm，填芯料直径6mm的炉渣粉填芯钢筋，由外层金属材料和内层填芯料复合而成。外层金属材料：钢种为低碳钢，化学成分按重量百分比为0.085％C，0.275％Si，0.363％Mn，0.078％P，0.007％S，0.006％Al，余量为Fe，该钢屈服强度358MPa，抗拉强度420MPa，延伸率39％；内层填芯料为高炉炼铁炉渣粉，成分主要为硅酸钙和铝酸钙，粒度为150～1500微米。

采用图2所示装置，本实施例的填芯钢筋的制备方法，具体步骤为：

步骤一：选取原料带钢和填芯料

选取原料钢带，钢种为低碳钢，化学成分按重量百分比为0.085％C，0.275％Si，0.363％Mn，0.078％P，0.007％S，0.006％Al，余量为Fe；

选取填芯料：填芯料为高炉炼铁炉渣粉，成分主要为硅酸钙和铝酸钙，粒度为150～1500微米；

步骤二：带材冷弯成型过程中加入填芯料

原料钢带经过纵剪成宽78.5mm，厚1.5mm的钢带，纵剪后钢带经过辊弯成4/3π弧度时开始加入所选取的高炉炼铁炉渣粉，高炉炼铁炉渣粉通过填料仓、注入通道和流量控制阀等进入到正在辊弯过程的毛管中；在钢带继续卷曲成圆的过程中，高炉炼铁炉渣粉逐渐充满钢管，通过振动填实，填充过程合格的判断标准是在钢带完全成圆后高炉炼铁炉渣粉刚好溢出，直至获得外径25mm，壁厚1.5mm的填芯毛管；

步骤三：对填芯毛管缝隙处进行焊接，成为带有填芯料的荒管；

步骤四：焊接好的荒管在粗轧机组中进行冷轧，粗轧机组的电机功率3×25kW，粗轧机组为4机架，采用三辊Y型Kocks轧机，孔型为由三个互成120°的轧辊组合成的圆，相邻机架间角度相差180°，高炉炼铁炉渣粉的堆积密度为1560kg/m³，轧制后的芯部填芯料的密度为2900kg/m³，总的体积压缩率为25％，结合质量守恒定律可得总延伸系数为7.3。各机架轧制时毛管延伸系数为1.3、1.3、1.3、1.4；各机架的轧制速度为1.5m/s(道次体积压缩率7％)、1.95m/s(道次体积压缩率10％)、2.54m/s(道次体积压缩率10％)、3.3m/s。轧制过程中带有前后微张力，使填芯料在压应力作用下，体积变小，密度加大，获得粗轧后的毛管；

步骤五：对粗轧后的毛管进行中间退火处理，退火温度为850℃，消除加工硬化，为进入精轧机组做准备；

步骤六：中间退火后的毛管在精轧机组中进行减径、定径轧制，考虑退火余温和变形热引起的温升，轧制温度为270°，精轧机组电机功率3×25kW，精轧机组为4机架，采用三辊Y型Kocks轧机，孔型为由三个互成120°的轧辊组合成的圆，相邻机架间角度相差180°，各机架轧制时毛管延伸系数为1.17、1.2、1.3、1.3；各机架的轧制速度为4.6m/s、5.38m/s、6.46m/s、8.4m/s，填芯钢筋出最后一架轧机的速度为10.91m/s；直到获得外径8mm，填芯料直径6mm的炉渣填芯钢筋；

步骤七：进行成品退火，退火温度为750℃，消除加工硬化，改善使用性能；

步骤八：通过卷取机卷取填芯钢管，当达到长度要求时，用手动剪将其剪断，成品卷通过运输链到达集卷工位，在捆扎工位上对成品包装成卷运入仓库。

本实施例制备的1m高炉炼铁炉渣粉填芯钢筋重量为0.2kg，其中钢的质量为0.172kg，芯部高炉炼铁炉渣粉的重量为0.028kg，填芯料高炉炼铁炉渣粉的体积为5.03×10^-5m³，则填芯料高炉炼铁炉渣粉的密度为2900kg/m³，此密度与细粒花岗岩密度相当，故本实施例填芯钢筋芯部高炉炼铁炉渣粉的弹性模量取为细粒花岗岩的弹性模量，为81GPa；本实施例钢的弹性模量E＝202GPa。

外径为8mm，填芯料直径为6mm的高炉炼铁炉渣粉填芯钢筋，其惯性矩为160.91mm⁴，而外径为7.5mm的实心金属钢筋的惯性矩为155.31mm⁴。本实施例1m填芯钢筋中用钢为0.171kg，1m实心金属钢筋用钢为0.345kg，节材率为50.4％。

实施例5

目标成品外径10mm，填芯料直径8mm的细干沙填芯钢筋，由外层金属材料和内层填芯料复合而成。外层金属材料：钢种为低碳钢，化学成分按重量百分比为0.086％C，0.357％Si，0.346％Mn，0.058％P，0.006％S，0.007％Al，余量为Fe，该钢屈服强度296MPa，抗拉强度390MPa，延伸率36％；内层填芯料为细干沙，主要成分为二氧化硅，粒度为100～3000微米。

采用图2所示装置，本实施例填芯钢筋的制备方法，具体步骤为：

步骤一：选取原料带钢和填芯料

选取原料钢带，钢种为低碳钢，化学成分按重量百分比为0.086％C，0.357％Si，0.346％Mn，0.058％P，0.006％S，0.007％Al，余量为Fe；

选取填芯料：填芯料为为细干沙，主要成分为二氧化硅，粒度为100～3000微米；

步骤二：带材冷弯成型过程中加入填芯料

原料钢带经过纵剪成宽104mm，厚2mm的钢带，纵剪后钢带经过辊弯成4/3π弧度时开始加入所选取的细干沙，细干沙通过填料仓、注入通道和流量控制阀等进入到正在辊弯过程的毛管中；在钢带继续卷曲成圆的过程中，细干沙逐渐充满钢管，通过振动填实，填充过程合格的判断标准是在钢带完全成圆后细干沙刚好溢出，直至获得外径33mm，壁厚2mm的填芯毛管；

步骤三：对填芯毛管缝隙处进行焊接，成为带有填芯料的荒管；

步骤四：焊接好的荒管在粗轧机组中进行常温冷轧，粗轧机组的电机功率3×30kW，粗轧机组为4机架，采用三辊Y型Kocks轧机，孔型为由三个互成120°的轧辊组合成的圆，相邻机架间角度相差180°，细干沙的堆积密度为1280kg/m³，轧制后的芯部填芯料的密度为2600kg/m³，总的体积压缩率为40％，结合质量守恒定律可得总延伸系数为6.5。各机架轧制时毛管延伸系数为1.3、1.3、1.3、1.3；各机架的轧制速度为1.5m/s(道次体积压缩率12％)、1.95m/s(道次体积压缩率15％)、2.54m/s(道次体积压缩率20％)、3.3m/s。轧制过程中带有前后微张力，使填芯料在压应力作用下，体积变小，密度加大，获得粗轧后的毛管；

步骤五：对粗轧后的毛管进行中间退火处理，退火温度为800℃，消除加工硬化，为进入精轧机组做准备；

步骤六：中间退火后的毛管在精轧机组中进行减径、定径轧制，考虑退火余温和变形热引起的温升，轧制温度为270°，精轧机组的电机功率3×30kW，精轧机组为4机架，采用三辊Y型Kocks轧机，孔型为由三个互成120°的轧辊组合成的圆，相邻机架间角度相差180°，各机架轧制时毛管延伸系数为1.2、1.2、1.2、1.3；各机架的轧制速度为4.29m/s、5.15m/s、6.18m/s、7.41m/s，填芯钢筋出最后一架轧机的速度为9.63m/s；直到获得外径10mm，填芯料直径8mm的细干沙填芯钢筋；

步骤七：进行成品退火，退火温度为800℃，消除加工硬化，改善使用性能；

步骤八：通过卷取机卷取填芯钢管，当达到长度要求时，用手动剪将其剪断，成品卷通过运输链到达集卷工位，在捆扎工位上对成品包装成卷运入仓库。

本实施例制备的1m细干沙填芯钢筋重量为0.352kg，其中钢的质量为0.221kg，芯部细干沙的重量为0.131kg，填芯料细干沙的体积为5.03×10^-5m³，则填芯料的密度为2600kg/m³。此密度与石英砂岩密度相当，故本实施例填芯钢筋芯部细干沙的弹性模量取为石英砂岩的弹性模量，为55GPa；本实施例钢的弹性模量E＝201GPa。

外径为10mm，填芯料直径为8mm的细干沙填芯钢筋，其惯性矩为371.62mm⁴，而外径为9mm的普通实心金属钢筋的惯性矩为322.06mm⁴。本实施例1m填芯钢筋中用钢为0.221kg，1m实心金属钢筋用钢为0.496kg，节材率为55.4％。

Claims (4)

1.一种填芯钢管/填芯钢筋的制备方法，其特征在于，所述的填芯钢管/填芯钢筋由外层金属材料和内层填芯料复合而成，内层填芯料为沙石、铁渣粉、矿渣粉或木质粉末的一种，填芯料粒度为100～3000微米；

包括如下步骤：

步骤一：选取原料钢带和填芯料

选取原料钢带，选取填芯料；

步骤二：带材冷弯成型过程中加入填芯料

原料钢带经过纵剪达到所需要的宽度，纵剪后钢带经过辊弯成π到5/3π之间的某一弧度时开始加入所选取的填芯料，填芯料通过填料仓、注入通道和流量控制阀进入到正在辊弯过程的毛管中；在钢带继续卷曲成圆的过程中，填芯料逐渐将其充满，通过振动填实，填充过程合格的判断标准是在钢带完全成圆后填芯料刚好溢出，直至获得直径10～200mm填芯管材毛管；

步骤三：对填芯毛管缝隙处进行焊接，成为带有填芯料的荒管；

步骤四：焊接好的荒管在粗轧机组中进行常温冷轧，各机架轧制时管材的延伸系数为1.1～1.5；各机架的轧制速度范围为0.5～15m/s，获得粗轧后的毛管；

步骤五：对粗轧后的毛管进行中间退火处理，退火温度为700～900℃，消除加工硬化，为毛管进入精轧机组轧制做准备；

步骤六：中间退火后的毛管在精轧机组中进行减径、定径轧制，轧制温度为100～300℃，各机架轧制时管材的延伸系数为1.1～1.5，轧制速度为2～11m/s，直到获得满足最终尺寸的成品；

步骤七：进行成品退火，退火温度为700～900℃，消除加工硬化；

步骤八：将退火后满足使用要求的成品分为二种情况处理：

(1)直径大于等于11mm的产品称为填芯钢管，退火后切断，包装、入库；

(2)直径小于11mm的产品称为填芯钢筋，退火后收集成卷，入库。

2.如权利要求1所述的填芯钢管/填芯钢筋的制备方法，其特征在于，所述的粗轧机组或精轧机组为如下两种机型的一种：

(a)紧凑式平立交替二辊轧机；孔型为传统的椭圆-圆交替布置；

(b)三辊Y型轧机，孔型为由三个互成120°的轧辊组合成的圆，相邻机架间角度相差180°。

3.如权利要求1所述的填芯钢管/填芯钢筋的制备方法，其特征在于，所述的粗轧机组为4机架，所述的精轧机组为4机架。

4.如权利要求1所述的填芯钢管/填芯钢筋的制备方法，其特征在于，所述的粗轧机组的电机功率20～120kW，所述的精轧机组的电机功率20～200kW。