CN112853782A - 高强度高延伸预应力钢绞线及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于预应力混凝土用钢绞线生产工艺领域，涉及矿用钢绞线的生产技术，尤其是高强度高延伸预应力钢绞线及其制造方法。包括一根中心丝和六根外层丝，所述中心丝的公称直径范围为7.45‑7.55mm，外层丝的公称直径范围为7.25‑7.35mm，捻制后钢绞线公称直径为21.60mm，允许偏差范围在21.40～22.20mm之间。其制造方法，包括步骤如下，盘条选取→检、试验→酸洗、磷化→拉拔→检、试验→捻制→稳定化处理→层绕→检、试验→包装→入库，采用Φ14.0mm盘条作为中心丝和外层丝的原料，其初始强度不小于1300MPa、断面收缩率不小于30％。

Description

高强度高延伸预应力钢绞线及其制造方法

技术领域

本发明属于预应力混凝土用钢绞线生产工艺领域，涉及矿用钢绞线的生产技术，尤其是高强度高延伸预应力钢绞线及其制造方法。

背景技术

1×7结构预应力钢绞线在煤矿支护领域中已经获得了较为普遍的应用，近年来，随着煤矿开采技术的不断进步，煤矿对锚索性能的要求也不断提高，破断负荷高、延伸性能好的1×7结构大规格预应力钢绞线受到了煤矿用户的欢迎。

在现行国家标准GB/T5224-2014《预应力混凝土用钢绞线》中，1×7结构钢绞线的最大规格为Φ21.6mm，其抗拉强度分为1770MPa、1860MPa级别，最大力总伸长率指标为不小于3.5％。目前预应力行业市场中供货产品的抗拉强度基本为1770MPa级别，1860MPa级别很难达到，产品的延伸率基本在5.0％左右。

我公司长期关注煤矿行业市场，获悉某些煤矿对1×7结构高强度、高延伸的大规格预应力钢绞线存在需求，对产品的性能要求是抗拉强度从1770MPa级别升级到1860MPa，延伸率要求达到6.0％以上。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种高强度高延伸预应力钢绞线及其制造方法。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

高强度高延伸预应力钢绞线，包括一根中心丝和六根外层丝，其特征在于：所述中心丝的公称直径范围为7.45-7.55mm，外层丝的公称直径范围为7.25-7.35mm，捻制后钢绞线公称直径为21.60mm，允许偏差范围在21.40～22.20mm之间。

而且，所述钢绞线的工艺参数中抗拉强度≥1860MPa，延伸率≥6.0％。

针对高强度高延伸预应力钢绞线的制造方法，包括步骤如下，盘条选取→检、试验→酸洗、磷化→拉拔→检、试验→捻制→稳定化处理→层绕→检、试验→包装→入库，其特征在于：采用Φ14.0mm盘条作为中心丝和外层丝的原料，其初始强度不小于1300MPa、断面收缩率不小于30％。

进一步的，所述盘条选取工序中，Φ14.0mm盘条为专门研制，其质量组分为C％：0.85～0.90；Si％：0.20～0.40；Mn％：0.60～0.90；P％：≤0.025；S％：≤0.025；Cr％：≤0.35；Ni％：≤0.20；Cu％：≤0.20；V％≤0.10。

进一步的，所述拉拔工序中，采用Φ14.0mm盘条和设计的Φ7.50mm中心丝和Φ7.30mm外层丝，分别确定了总压缩率为71.30％、72.81％，设计七道次拉拔成型工艺，平均部分压缩率分别为16.98％、16.33％，实际拉拔速度控制在5m/s以内。

进一步的，所述拉拔工序中，采用直进式拉丝机，最大进线直径为Φ16㎜，最小出线直径为Φ3㎜，最高拉拔速度为14m/s，拉丝机卷筒采用水冷加风冷两种冷却方式，对拉拔过程中的出模温度进行监测，控制在100℃以下。

进一步的，所述捻制工序中，设定捻距为290-310mm，捻制速度≤50/m/min。

进一步的，所述稳定化处理工序中，设置张力范围为210-230kN，回火温度为385～390℃。

本发明的优点和积极效果是：

本发明中的矿用钢绞线采用1×7结构，规格为21.6mm，抗拉强度≥1860MPa，延伸率≥6.0％。

本发明的钢绞线的制造工艺中，对于配丝设计，盘条选取，拉拔工序，捻制工序和稳定化处理工序都进行了重新设计。其中，为了实现1860MPa高强度级别，在制定研制目标时应考虑适当加大钢绞线的直径，对于外层丝，中心丝和钢绞线的规格均进行了设计。

本发明中的钢绞线即要求大规格高强度，又有高延伸性的要求，而目前市面可采购到的φ13mm以上的大规格原料盘条，技术不够成熟，性能波动性大，因此需对原料盘条进行重新研发。本发明所用的盘条中，通过微合金化手段提高了钢材的抗拉强度和韧性。在化学成分中，适当提高了C、Si元素的含量，同时适量增加Ni、V微量元素，提高强度的同时起到细化晶粒的作用。考虑了大规格盘条在高速拉拔过程中，变形抗力增大，为避免发生脆断，又对钢中S、P、Cu等有害元素的含量提出了严格的要求，提高原料的纯净度，以便拉拔过程顺利完成。在其原料组分进行控制的基础上，结合拉拔工艺的条件和拉丝设备的强化系数k，按照经验公式R_n＝kR₀(d₀/d_n)1/2进行计算，最终确定了盘条的初始强度不小于1300MPa、断面收缩率不小于30％的参数要求。

本发明中，在拉拔工序中，基于所用盘条和各层丝的公称直径，预设各层的总压缩率、平均压缩率和拉拔道次。并在试制过程中控制拉拔车速，监测各道次出模的工艺温度，通过对拉拔润滑、拉拔冷却等各个环节实施过程管控，确保了末道次钢丝出模的工艺温度控制在100℃以下时，使其获得的钢丝表面质量良好、并达到了高强度和高韧性指标。在拉拔之后的半成品检验试验中，半成品的抗拉强度均值达到1940MPa，伸长率达到5.0％，为成品钢绞线实现高强度和高延伸性能指标创造了条件。

本发明中，在捻制工序中，依据国标规定1×7结构预应力钢绞线的捻距应为钢绞线公称直径的12～16倍，综合设计要求和性能参数进行考虑，设定捻距为300mm(为公称直径的13.88倍，采取偏小捻距设计)，将捻距参数的范围确定为290～310mm。

本发明中，在稳定化处理工序中，为保证大规格钢绞线回火充分，内部组织得以良好的定型，设定工艺温度取上线，适当降低了车速，按此原则，进行了工艺试制，通过工艺交叉试验，使稳定化处理的工艺温度与张力合理匹配，优化后获得了最佳的工艺参数。

本发明中，基于上述设计和各工序配合实现了工艺优化，其试制的钢绞线的延伸率≥6.5％，钢绞线的抗拉强度可达到1900MPa。实现了钢绞线的大规格，高强度，高延伸性能的设计要求，超过国内外标准的指标要求，具有国际先进水平。

附图说明：

图1为本发明中钢绞线的截面示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

高强度高延伸预应力钢绞线，包括一根中心丝和六根外层丝，其特征在于：所述中心丝的公称直径(d₀)范围为7.45-7.55mm，外层丝的公称直径(d)范围为7.25-7.35mm，捻制后钢绞线公称直径(Dn)为21.60mm，允许偏差范围在21.40～22.20mm之间。

本实施例中，所述钢绞线的工艺参数中抗拉强度≥1860MPa，延伸率≥6.0％。

针对高强度高延伸预应力钢绞线的制造方法，包括步骤如下，盘条选取→检、试验→酸洗、磷化→拉拔→检、试验→捻制→稳定化处理→层绕→检、试验→包装→入库，其特征在于：采用Φ14.0mm盘条作为中心丝和外层丝的原料，其初始强度不小于1300MPa、断面收缩率不小于30％。

本实施例中，所述盘条选取工序中，Φ14.0mm盘条为专门研制，其质量组分为C％：0.85～0.90；Si％：0.20～0.40；Mn％：0.60～0.90；P％：≤0.025；S％：≤0.025；Cr％：≤0.35；Ni％：≤0.20；Cu％：≤0.20；V％≤0.10。其质量组分中适当提高C、Si元素的含量，适量增加Ni、V微量元素，对于S、P、Cu和其他有害元素进行严格限制，提高原料的纯净度。

由于采用了大规格高强度原料盘条，在加工过程中，现有拉丝机的功率和受拉拔道次的限制，会造成拉拔力不足、钢丝的塑韧性指标差、拉拔出现断裂等多种后续拉拔不利的因素影响。为此，需对高强度微合金化盘条的控冷进行特殊要求。高速线材控轧控冷工艺流程如下：

钢坯加热——粗轧——中轧——精轧——吐丝——控制冷却——收线——包装

对钢坯加热，出钢温度在980～1060℃，经过粗轧、中轧、精轧，最后吐丝温度在860～880℃左右，之后在斯太尔摩(stelmor)辊道上控制冷却，盘条成卷散布在辊道上，盘卷在运输过程中由布置在辊道下的风机吹风进行冷却，辊道的速度和风机的风冷量是可调的，根据不同的产品钢号和规格进行调整，用辊道速度和风冷量来控制冷却速度。

另外，提出经过斯太尔摩(stelmor)辊道上控制冷却后，增加盘条离线盐浴索氏体化等温处理，以等温盐浴为淬火介质进行索氏体化处理，可以实现盘条近似等温相变。斯太尔摩线风冷盘条经离线盐浴索氏体化处理后,索氏体化率由89％提高至95％，消除了网状碳化物等不良组织，且显微组织更加均匀；在获得盘条高强度的同时，获得了高索氏体化率盘条，为公司后续拉拔工艺的顺利进行创造了条件。

对于Φ14.0mm盘条进厂检验，其力学性能数据见表1。

大规格原料盘条力学性能试验数据 表1

本实施例中，所述拉拔工序中，采用Φ14.0mm盘条和设计的Φ7.50mm中心丝和Φ7.30mm外层丝，分别确定了总压缩率为71.30％、72.81％，设计七道次拉拔成型工艺，平均部分压缩率分别为16.98％、16.33％，实际拉拔速度控制在5m/s以内。

拉拔工艺见表2。

半成品钢丝的拉拔工艺 表2

本实施例中，所述拉拔工序中，采用直进式拉丝机，最大进线直径为Φ16㎜，最小出线直径为Φ3㎜，最高拉拔速度为14m/s，拉丝机卷筒采用水冷加风冷两种冷却方式，对拉拔过程中的出模温度进行监测，末道次钢丝出模温度控制在100℃以下。对半成品钢丝的力学性能进行了检测，统计数据见表3。

半成品钢丝力学性能试验数据 表3

本实施例中，所述捻制工序中，设定捻距为300mm，将捻距参数的范围确定为290～310mm，捻制速度≤50/m/min。

本实施例中，所述稳定化处理工序中，设置张力范围为210-230kN，回火温度为385～390℃。将15个半成品轴分配成两趟钢绞线试验线，组织了工艺试制，综合考虑了前期采用Φ15.0mm、Φ16.0mm原料盘条，为保证大规格钢绞线回火充分，内部组织得以良好的定型，设定工艺温度取上线，适当降低了车速，按此原则，进行了工艺试制，通过工艺交叉试验，使稳定化处理的工艺温度与张力合理匹配，优化后获得了最佳的工艺参数。钢绞线捻制及稳定化处理工艺参数见表4。

钢绞线捻制及稳定化处理工艺参数 表4

对于应用上述制造方法生产的钢绞线检测中心对两趟试验线取样进行了检测，检验数据全部合格，主要获取的试验结果数据见表5。

钢绞线自检试验数据 表5

从检验结果看，钢绞线在高温度和小捻距的工艺设计下，捻损较普通钢绞线大，但钢绞线的伸长到达了6.5％以上，并且采用了合金化的盘条，钢绞线的抗拉强度达到1900MPa。

本发明中的矿用钢绞线采用1×7结构，规格为21.6mm，抗拉强度≥1860MPa，延伸率≥6.0％。

本发明的钢绞线的制造工艺中，对于配丝设计，盘条选取，拉拔工序，捻制工序和稳定化处理工序都进行了重新设计。其中，为了实现1860MPa高强度级别，在制定研制目标时应考虑适当加大钢绞线的直径，对于外层丝，中心丝和钢绞线的规格均进行了设计。

本发明中的钢绞线即要求大规格高强度，又有高延伸性的要求，而目前市面可采购到的φ13mm以上的大规格原料盘条，技术不够成熟，性能波动性大，因此需对原料盘条进行重新研发。本发明所用的盘条中，通过微合金化手段提高了钢材的抗拉强度和韧性。在化学成分中，适当提高了C、Si元素的含量，同时适量增加Ni、V微量元素，提高强度的同时起到细化晶粒的作用。考虑了大规格盘条在高速拉拔过程中，变形抗力增大，为避免发生脆断，又对钢中S、P、Cu等有害元素的含量提出了严格的要求，提高原料的纯净度，以便拉拔过程顺利完成。在其原料组分进行控制的基础上，结合拉拔工艺的条件和拉丝设备的强化系数k，按照经验公式R_n＝kR₀(d₀/d_n)1/2进行计算，最终确定了盘条的初始强度不小于1300MPa、断面收缩率不小于30％的参数要求。

本发明中，在拉拔工序中，基于所用盘条和各层丝的公称直径，预设各层的总压缩率、平均压缩率和拉拔道次。并在试制过程中控制拉拔车速，监测各道次出模的工艺温度，通过对拉拔润滑、拉拔冷却等各个环节实施过程管控，确保了末道次钢丝出模的工艺温度控制在100℃以下时，使其获得的钢丝表面质量良好、并达到了高强度和高韧性指标。在拉拔之后的半成品检验试验中，半成品的抗拉强度均值达到1940MPa，伸长率达到5.0％，为成品钢绞线实现高强度和高延伸性能指标创造了条件。

本发明中，在捻制工序中，依据国标规定1×7结构预应力钢绞线的捻距应为钢绞线公称直径的12～16倍，综合设计要求和性能参数进行考虑，设定捻距为300mm(为公称直径的13.88倍，采取偏小捻距设计)，将捻距参数的范围确定为290～310mm。

本发明中，在稳定化处理工序中，为保证大规格钢绞线回火充分，内部组织得以良好的定型，设定工艺温度取上线，适当降低了车速，按此原则，进行了工艺试制，通过工艺交叉试验，使稳定化处理的工艺温度与张力合理匹配，优化后获得了最佳的工艺参数。

本发明中，基于上述设计和各工序配合实现了工艺优化，其试制的钢绞线的延伸率≥6.5％，钢绞线的抗拉强度可达到1900MPa。实现了钢绞线的大规格，高强度，高延伸性能的设计要求，超过国内外标准的指标要求，具有国际先进水平。

Claims (8)

1.高强度高延伸预应力钢绞线，包括一根中心丝和六根外层丝，其特征在于：所述中心丝的公称直径范围为7.45-7.55mm，外层丝的公称直径范围为7.25-7.35mm，捻制后钢绞线公称直径为21.60mm，允许偏差范围在21.40～22.20mm之间。

2.根据权利要求1所述的高强度高延伸预应力钢绞线，其特征在于：所述钢绞线的工艺参数中抗拉强度≥1860MPa，延伸率≥6.0％。

3.根据权利要求1或2所述的高强度高延伸预应力钢绞线的制造方法，包括步骤如下，盘条选取→检、试验→酸洗、磷化→拉拔→检、试验→捻制→稳定化处理→层绕→检、试验→包装→入库，其特征在于：采用Φ14.0mm盘条作为中心丝和外层丝的原料，其初始强度不小于1300MPa、断面收缩率不小于30％。

4.根据权利要求3所述的高强度高延伸预应力钢绞线的制造方法，其特征在于：所述盘条选取工序中，Φ14.0mm盘条为专门研制，其质量组分为C％：0.85～0.90；Si％：0.20～0.40；Mn％：0.60～0.90；P％：≤0.025；S％：≤0.025；Cr％：≤0.35；Ni％：≤0.20；Cu％：≤0.20；V％≤0.10。

5.根据权利要求3所述的高强度高延伸预应力钢绞线的制造方法，其特征在于：所述拉拔工序中，采用Φ14.0mm盘条和设计的Φ7.50mm中心丝和Φ7.30mm外层丝，分别确定了总压缩率为71.30％、72.81％，设计七道次拉拔成型工艺，平均部分压缩率分别为16.98％、16.33％，实际拉拔速度控制在5m/s以内。

6.根据权利要求4所述的高强度高延伸预应力钢绞线的制造方法，其特征在于：所述拉拔工序中，采用直进式拉丝机，最大进线直径为Φ16㎜，最小出线直径为Φ3㎜，最高拉拔速度为14m/s，拉丝机卷筒采用水冷加风冷两种冷却方式，对拉拔过程中的出模温度进行监测，控制在100℃以下。

7.根据权利要求3所述的高强度高延伸预应力钢绞线的制造方法，其特征在于：所述捻制工序中，设定捻距为290-310mm，捻制速度≤50/m/min。

8.根据权利要求3所述的高强度高延伸预应力钢绞线的制造方法，其特征在于：所述稳定化处理工序中，设置张力范围为210-230kN，回火温度为385～390℃。

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