CN112853783A - 矿用超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，涉及矿用超高延伸预应力钢绞线及其制造方法。包括一根中心丝，九根内层丝和九根外层丝，所述中心丝，内层丝和外层丝采用西鲁式结构，同层，以及层与层之间的钢丝逐根密切相贴，以线状方式互相接触，其特征在于：所述中心丝的公称直径为6.1‑6.3mm，内层丝的公称直径为3.10‑3.15mm，外层丝的公称直径为5.5‑5.6mm，捻制后的公称直径为21.8mm。所述钢绞线的工艺参数中抗拉强度≥1860MPa，延伸率≥7.0％。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。

Description

矿用超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，尤其是矿用超高延伸预应力钢绞线及其制造方法。

背景技术

随着国家对煤炭需求量的不断增加，我国有更多的煤矿进入到深度开采。矿井深度增加，增大了围岩的失稳性和支护难度，并且矿压显现强烈，巷道变形量明显增大，给矿山的安全生产运行带来了隐患。因此，为加强支护，目前矿用锚索多采用了19丝结构的大规格预应力钢绞线。

本项目开发研制的19丝结构超高延伸钢绞线品种用于煤矿井下支护，由于目前国家和行业标准中均无煤矿钢绞线的标准，因此本项目以山西某煤矿单位的技术协议和国家标准GB/5224-2014《预应力混凝土用钢绞线》作为产品的开发研制依据。

从技术协议提供的性能参数看，煤矿对1×19S-Φ21.80mm钢绞线的公称抗拉强度只要求达到1720级别，低于国家标准GB/T5224-2014标准中该产品的最低公称抗拉强度1770MPa级别，其公称抗拉强度级别的最大值允许值范围小于国家标准规定的200MPa，延伸率指标高于国家标准要求，捻距范围小于国家标准的规定范围。

将国家标准1770MPa的抗拉强度作为基线，以抗拉强度不低于1860MPa并同时实现超高延伸性能为研制目标。与此同时，还应基于市场要求满足小捻距以及伸直性等其他要求和内控标准。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种矿用超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：

矿用超高延伸预应力钢绞线，包括一根中心丝，九根内层丝和九根外层丝，所述中心丝，内层丝和外层丝采用西鲁式结构，同层，以及层与层之间的钢丝逐根密切相贴，以线状方式互相接触，其特征在于：所述中心丝的公称直径为6.1-6.3mm，内层丝的公称直径为3.10-3.15mm，外层丝的公称直径为5.5-5.6mm，捻制后的公称直径为21.8mm。

而且，所述钢绞线的工艺参数中抗拉强度≥1860MPa，延伸率≥7.0％。

矿用超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：所述的盘条选取工序中，分别采用SWRH 82Bφ13.0mm、SWRH 82Bφ8.0mm优质控冷热轧盘条作为中心丝、外层丝和内层丝的原料。

进一步的，所述拉拔工序中，采用SWRH 82Bφ13.0mm作为中心丝和外层丝的原料进行拉拔，采用SWRH 82Bφ8.0mm作为内层丝的原料进行拉拔；其中对于中心丝的总压缩率为77.25％，对于内层丝的总压缩率为84.69％，对于外层丝的总压缩率为81.77％，在拉拔过程中采用八至九道次成型，降低拉拔过程的平均压缩率。

进一步的，所述拉拔工序中，中心丝、内层丝和外层丝的拉拔速度均低于常规产品的拉拔速度，并在最后一道次拉拔后至收线前采用调直轮对钢丝进行调直。

进一步的，所述捻制工序中，采用小捻距设计，将捻距参数的范围确定为240-250mm。

进一步的，所述稳定化处理工序中，张力≤200kN，回火温度≥400℃，车速≤30m/min，冷却水温度≥20℃。

本发明的优点和积极效果是：

本发明中的矿用钢绞线采用19丝结构，其公称直径为21.8mm，抗拉强度≥1860MPa，延伸率≥7.0％。

本发明中，钢绞线为西鲁式结构，西鲁式为线接触结构，同一层及层与层之间的钢丝逐根密切相贴，可使得钢绞线结构紧密，避免发生滑动缩丝的现象。基于上述结构对于各层进行配丝设计，该配丝设计即要满足工艺要求，又要确保钢绞线结构的紧密性。多次模拟实验后，本发明中公开的中心丝，内层丝和外层丝的公称直径既避免了捻制后同层钢丝之间缝隙过大，也没有出现钢丝过于紧密而造成的将钢丝挤出的情况。各层钢丝达到了均衡的受力状态，钢绞线结构紧密，各层钢丝之间的包裹力强，钢绞线不松散。

本发明中，基于上述设计要求对于其制造方法中的工序分步骤进行设计和试制。在拉拔工艺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。基于降低拉拔过程的平均压缩率的考虑，将拉拔道次设计为八至九道次成型。基于高压缩率的考虑，由于拉拔应力会增加，应适当控制变形速度。而变形速度所涉及的因素包括多种，如拉拔应力，拉拔速度，润滑条件，冷却条件等。相较于其他因素，拉拔速度是最为可控的量化指标，因此，对于其拉丝速度进行调整，使其低于常规产品的拉拔速度。与此同时，在最后一道次拉拔后至收线前使用了调直轮，可有效地减小了拉拔过程产生的扭矩。

本发明中，根据国家标准GB/T5224-2014《预应力混凝土用钢绞线》中规定，1×19结构预应力钢绞线的捻距应为钢绞线公称直径的12～18倍。本发明，围绕矿用超高延伸预应力钢绞线的研制目标，进一步提高了钢绞线结构的紧密性，其钢绞线的捻距经计算后优选在钢绞线公称直径的7～14倍，而本发明则在该区间内选取居中的最优值，即11倍左右。

本发明中，由于对于延伸性具有设计要求，因此需对钢绞线的稳定化处理工艺进行设计。在新的设计中，对于稳定化处理工艺中的工艺温度和张力两个重要的工艺参数着重设计。由于1×19S-Φ21.80mm钢绞线截面积达到313mm²，比常规1×7-Φ15.20mm钢绞线面积增加了124％，为确保钢绞线回火充分，本发明在设计时突破了传统的生产工艺，大幅度提升了回火温度的工艺范围，适当降低了车速，并又考虑了矿用钢绞线对松弛性能不作要求，因此提高钢绞线回火温度的同时，适当降低了钢绞线的张力，这样与普通工艺相比，钢绞线捻制后的直径减小量降低，有利确保钢绞线获得高强度。同时提升工艺温度，会有利于钢绞线残余应力的消除，使钢绞线的结构尺寸得到良好的定型，使钢绞线的塑韧性指标得到提高。

附图说明：

图1为本发明中钢绞线的截面示意图；

图2为本发明中的钢绞线与锚具装配的结构示意图。

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。

矿用超高延伸预应力钢绞线，包括一根中心丝，九根内层丝和九根外层丝，所述中心丝，内层丝和外层丝采用西鲁式结构，同层，以及层与层之间的钢丝逐根密切相贴，以线状方式互相接触，本发明的创新在于，所述中心丝的公称直径为6.1-6.3mm，内层丝的公称直径为3.10-3.15mm，外层丝的公称直径为5.5-5.6mm，捻制后的公称直径为21.8mm。所述钢绞线的工艺参数中抗拉强度≥1860MPa，延伸率≥7.0％。优化出的1×19S-Φ21.80mm预应力钢绞线的配丝方案见表1。

表1 1×19S-Φ21.80mm预应力钢绞线半成品配丝方案

	中心丝	内层丝	外层丝
				钢丝直径/mm	6.20	3.13	5.55

基于上述矿用超高延伸预应力钢绞线衍生出相应的制造方法，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：

本制造方法中，所述的盘条选取工序中，分别采用SWRH 82Bφ13.0mm、SWRH 82Bφ8.0mm优质控冷热轧盘条作为中心丝、外层丝和内层丝的原料，对原料做金相组织、化学成分检验、力学性能试验，按照《盘条的采购、验收技术要求》予以判定。

本制造方法中，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，冷却能力优良，确保钢丝实现高强度的同时又能获得良好的塑性、韧性指标。采用SWRH 82Bφ13.0mm作为中心丝和外层丝的原料进行拉拔，采用SWRH 82Bφ8.0mm作为内层丝的原料进行拉拔；其中对于中心丝的总压缩率为77.25％，对于内层丝的总压缩率为84.69％，对于外层丝的总压缩率为81.77％，在拉拔过程中采用八至九道次成型，降低平均压缩率。

本制造方法中，所述拉拔工序中，中心丝、内层丝和外层丝的拉拔速度均低于常规产品的拉拔速度，并在最后一道次拉拔后至收线前采用调直轮对钢丝进行调直。半成品钢丝的拉拔工艺见表2。

表2半成品钢丝的拉拔工艺

本制造方法中，所述捻制工序中，将捻距参数的范围确定为240-250mm，11倍左右。

钢绞线规格(mm)	直径偏差(mm)	捻距(mm)	捻向	强度级别(MPa)
					Φ21.8	0，+0.40	240-250	左捻	1860
张力(kN)	回火温度(℃)	车速(m/min)	冷却水温度(℃)
					≤200	≥400	≤30	≥20

本制造方法中，所述稳定化处理工序中，张力≤200kN，回火温度≥400℃，车速≤30m/min，冷却水温度≥20℃。

表3稳定化处理工艺参数

应用上述制造方法试制相应规格的钢绞线，基于研究结果进行自检和外检。

⑴2020年3月底，以1770MPa级别作为研制目标，组织了“1×19S-φ21.8mm高延伸预应力钢绞线”的产品试制，优化选出3组方案的试样送北京锚杆中心进行外检，有一组钢绞线的试验结果完全满足高延伸指标要求，取得了外检报告。3组外检报告的编号为：202025051、202025052、202025053。

⑵4月初，技术中心结合3月份试制方案的试验结果，对工艺进行了优化，并再次组织了工艺试制。继续选出3组试样送北京锚杆检测中心进行了外检。3组外检报告的编号为：202025083、202025084、202025085。

两次外检的试验结果中均有一组试样的最大力总伸长率全部达到了7.0％以上。与第一次的试验结果相比，第二次试样的最大力总伸长率实测值的均值提高了0.67％；整体数据更加接近7.0％目标值，散差较小，稳定性得到了较大的提升。

⑶5月初，以1860MPa级别作为研制目标，调整了原料，重新制定生产工艺，并组织了工艺试制，第三次将样品送至北京锚杆检验中心进行检测。经检测，产品达到了1860MPa级别，延伸率达到了7.0％以上。本次试制，新产品在达到最高强度级别的同时延伸率达到7.0％以上，产品性能达到了最高指标。外检报告的编号：202025114。

⑷8月底，技术中心以追求质量成本为目标，按照用户的要求，以试制1720MPa级别钢绞线为目标，再次进行工艺试制后，并取一组钢绞线试样在用户单位的试验室通过了现场检测，钢绞线的抗拉强度达到了1720MPa，延伸率均达到了7.0％以上，达到了用户的技术要求。

⑸本项目开发研制的“1×19S-Φ21.80mm高延伸预应力钢绞线”每批次小试后，技术中心均对试样进行了检验，钢绞线获得了良好的塑性断口，自检、委外检验和在用户现场进行检验的试验结果见表4。

表4钢绞线自检、委外检验、用户现场检验试验数据

1×19结构钢绞线目前主要应用在煤矿支护和岩土锚固领域，形成矿用钢绞线产品销售需要取得国家矿用产品安全标志认可资质。

在本发明中，对各批次的钢绞线的按照MT/T942-2005《矿用锚索》标准的要求，开展了矿用锚索静载性能试验的研究。

使用其制成的矿用锚索是由钢绞线1、锚固剂、托盘3、锚具2、卡环4及其它锚固附件组成，可通过机械张拉，对围岩施加主动压力的一种装置，见图2。

Claims (7)

1.矿用超高延伸预应力钢绞线，包括一根中心丝，九根内层丝和九根外层丝，所述中心丝，内层丝和外层丝采用西鲁式结构，同层，以及层与层之间的钢丝逐根密切相贴，以线状方式互相接触，其特征在于：所述中心丝的公称直径为6.1-6.3mm，内层丝的公称直径为3.10-3.15mm，外层丝的公称直径为5.5-5.6mm，捻制后的公称直径为21.8mm。

2.根据权利要求1所述的矿用超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≥7.0％。

3.根据权利要求1或2所述的矿用超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：所述的盘条选取工序中，分别采用SWRH 82Bφ13.0mm、SWRH82Bφ8.0mm优质控冷热轧盘条作为中心丝、外层丝和内层丝的原料。

4.根据权利要求3所述的矿用超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SWRH 82Bφ13.0mm作为中心丝和外层丝的原料进行拉拔，采用SWRH 82Bφ8.0mm作为内层丝的原料进行拉拔；其中对于中心丝的总压缩率为77.25％，对于内层丝的总压缩率为84.69％，对于外层丝的总压缩率为81.77％，在拉拔过程中采用八至九道次成型，降低拉拔过程的平均压缩率。

5.根据权利要求4所述的矿用超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，中心丝、内层丝和外层丝的拉拔速度均低于常规产品的拉拔速度，并在最后一道次拉拔后至收线前采用调直轮对钢丝进行调直。

6.根据权利要求3所述的矿用超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，将捻距参数的范围确定为240-250mm。

7.根据权利要求3所述的矿用超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，张力≤200kN，回火温度≥400℃，车速≤30m/min，冷却水温度≥20℃。

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