感应加热快速处理全螺纹钢筋研制与力学性能分析123.docx

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感应加热快速处理全螺纹钢筋研制与力学性能分析123

金属材料热处理论文

题目：

感应加热快速热处理全

螺纹钢筋研制与力学性能

企业名称：

青海金阳光特种钢材股份有限公司

姓名：

吴建财

指导老师：

张明义技术总顾问与宋瑞雪技术总工程师

完成时间：

2013年9月13日

感应加热快速处理全螺纹钢筋

研制与力学性能分析

青海金阳光特种钢材股份有限公司根据市场特殊需求，结合企业生产工艺优势，研制开发出新型滚压螺纹钢棒材。

新型螺纹钢棒材采用全螺纹设计，冷滚压加工成型。

选材为优质碳素结构钢、高强度低合金钢、合金结构钢或其他特殊性能合金钢。

经感应加热快速处理技术调质，适用于制作高强度钢锚杆、钢拉杆、预应力混凝土螺纹钢筋、螺栓等工程建设用的高强度紧固件。

1.新型滚压螺纹钢棒材的原料取材为特殊优质纯净合金钢，确保工程结构件内在质量优良，提高了工件的可靠性与稳定性。

特殊优质纯净合金钢中杂质含量少、有害元素和非合金元素含量

低，钢的纯净度高、品质优良。

钢中合金元素选用和定量比例标准遵循合金化理论基础，具有设定的化学性能、物理性能和力学性能，适用于各种特殊环境、特定受力条件和不同的工况要求。

工程结构件用钢一般选用优质碳素结构钢、低合金高强度结构钢、合金结构钢，同时可以根据特殊要求选用相应钢种。

钢的技术条件执行GB/T699、GB/T1591、GB/T3077和相关标准。

青海金阳光特种钢材股份有限公司生产的新型滚压螺纹钢棒材用钢可以根据用户要求或使用环境选用耐蚀钢、耐候钢和不锈钢等，生产力学性能指标与环境适应性相结合的实用新型结构件。

按照风电塔基基础预应力混凝土用螺纹钢棒的力学性能指标和实际使用条件，青海金阳光特种钢材股份有限公司选用低合金优质27SiMn和30CrMnSiA钢种，在节约资源、适应环境条件下，达到PSB930和PSB1080的力学性能级别。

新型滚压螺纹钢棒材原料为特殊钢企业生产，产品生产的工艺路线采用电炉冶炼、炉外精炼、连续铸锭、连续轧制、精整处理而成形。

钢中氧含量小于10ppm、氮含量小于12ppm、氢含量小于2ppm，磷、硫含量一般小于0.020%。

在钢的合金化方面，工程结构件用钢由单一的碳钢、含锰系列延伸到硅锰、铬镍及微合金化系列。

钢的组织由传统的铁素体、珠光体系列延伸到铁素体、贝氏体和低碳马氏体系列。

新型滚压螺纹钢棒材用钢的纯净化、低合金化、微合金化从源头保证了工程结构件对环境的适应性和材料的强韧性。

2.新型滚压螺纹钢棒材为冷滚压成型，冷加工成形工艺过程极

大地提高工程结构件的结构致密性和外形精度。

冷滚压成型的全螺纹钢棒（筋）与热加工精轧螺纹和车削加工的螺纹相比较有显著的成形优势。

热加工精轧螺纹生产率最高，螺纹形状为非连续螺纹。

钢棒两侧为平面和过渡带，过渡区螺纹高度逐步降低、横截面逐渐变小，直至与平面相接。

断续螺纹的精度低、公差带较宽。

车削加工成形的螺纹精度较高，对车削机床的精度和操作者技能要求更高。

生产过程车削量大、生产率低。

青海金阳光特种钢材股份有限公司生产的冷滚压成型全螺纹钢棒（筋），按照产品规格目前分别在ZA28-63型或ZA28-125型滚丝机上室温滚压成型，生产效率介于热加工和车削加工之间。

产品外观结构与内部组织具有显著的特点和优势。

冷滚压螺纹的螺纹间距、高度、宽度、夹角、过渡弧等几何形状的技术指标和数值完全相同、整体与局部相一致，制造过程造成的设计与实物的尺寸偏差极小，一般不超过0.01%，具有较高的外形精度，有利于同螺母的配合，减少和降低构件的间隙与松动。

冷滚压成型全螺纹钢棒（筋）采用30CrMnSiA和27SiMn材料在总变形量为14.1%的条件下，加工硬化指数平均值分别达到48.65%和31.88%，同时钢材密度相应提高。

冷滚压成型全螺纹钢棒（筋）致密的内部结构和精良的外形为工程结构件的实际使用提供了优良的力学性能基础。

冷滚压加工成型过程是在材料塑性范围内强制变形的工艺过程，必然造成大量的位错。

钢材位错密度增加和位错堆积也为快速热处理提供了动力学条件，有利于晶粒细化，同时降低了恢复再结晶和奥氏体化温度，节约能源。

3.冷滚压加工成型与感应加热快速热处理技术相结合，生产优

质低合金钢全螺纹钢棒，使工程结构件具有纯净钢和细晶粒钢的共同优势。

感应加热快速热处理技术与装备在青海金阳光特种钢材股份有限公司已经投入使用。

该工艺技术依托中国钢研科技集团的技术力量，建成了《国家高强度钢筋科技支撑项目示范产品生产基地》。

感应加热快速处理技术可以显著地改善钢材的力学性能，提高钢材的表面质量，缩短钢材热处理周期，节约能源，改善劳动条件，减少环境污染，实现了热处理过程的机械化、自动化。

青海金阳光特种钢材股份有限公司的生产线采用感应加热快速处理技术，新型冷滚压全螺纹钢棒是在连续加热、淬火、回火的全自动热处理生产线上完成调质处理。

感应加热快速处理技术采用调整逆变电路频率、在感应线圈周围形成交变磁场，导电体在磁场中切割磁力线产生涡流而发热。

导电体的热源来自内部，依靠电路频率高低、磁场强度、磁力线密度、导电体对磁场的切割能力、截面比和辐射散热系数而确定。

在自动控制条件下，改变线路频率、提高功率因数、调整工艺相关因子，从而获得较高的热效率和升温速度。

钢材的加热速度可以达到100℃/s以上，加热系数达到5s/mm以上。

公司在正常生产过程中，加热速度一般控制在450℃/min左右，加热系数为1.5s/mm。

生产过程的热工参数控制，保证感应加热的快速升温，使钢中的合金元素不可能发生远程扩散，弥散相也无法脱溶，由铁素体和珠光体短程位移、迅速转变成奥氏体晶粒。

快速加热到奥氏体化温度以上，形成的奥氏体晶粒细小而均匀。

高强度低合金钢的感应加热、淬火温度控制为920±10℃，钢的奥氏体晶粒在快速加热和快速强制冷却条件下，晶粒边界由于弥散相的“钉扎”和分子运动热能的迅速降低，导致晶界原子失去了迁移、扩散的动力学条件，原子均保持在低能量的稳定状态或亚稳定状态。

在实际生产过程中，造成冷滚压成型全螺纹钢棒（筋）具有均匀细小实际晶粒的是由于特殊的工艺技术路线所决定。

实物金相检测表明，冷滚压成型全螺纹钢棒（筋）采用不同会或工艺，其组织可以为回火马氏体、粒状贝氏体、回火索氏体。

无论转变成何种组织结构，其实际晶粒度级别均大于8.5级以上，达到细晶粒钢、超细晶粒钢的微观结构。

高纯净度优质低合金结构钢滚压时，在呈一定角度的两支转动辊轮的间隙中运动，圆形钢材沿纵向以螺旋型运动方式向前运行。

在切向压应力旋转推动下，钢材在两辊之间被挤压成型。

螺纹钢棒的表面精度和直线度得到改善和提升。

新型滚压螺纹钢棒的表面粗糙度达到Ra3.2左右，全螺纹钢棒（筋）的弯曲度也不会不超过千分之二，属于高精度的结构件产品。

在感应加热快速处理过程中，钢的组织结构和力学性能得到改善和提高，同时还基本保持了冷加工钢材的高精度。

青海金阳光特种钢材股份有限公司建设的感应加热快速处理生产线，为自动控制生产过程。

在钢材的加热和淬火过程中，物料的运动状态是螺旋型直线运动形式，可以使钢材保持原有的高精度螺纹表面。

钢材在感应圈内加热，在高温条件下，感应圈内空气稀薄，钢材在低密度空气介质环境中加热。

由于钢制结构件在高于850℃的高温条件下停留时间不超过8秒，因而，钢材表面只能形成轻微的致密氧化层，保持了原有的加工精度。

∮40-50mm螺纹钢生产统计（增重法）表明：

经感应加热快速处理技术生产的钢材表面，其氧化层厚度约为普通电加热钢材氧化层厚度的10-15%。

青海金阳光特种钢材股份有限公司生产的优质低合金钢全螺纹钢棒材是应用双重高新技术加工处理的产品，产品具有优良的品质和较高的技术含量。

4.新型滚压螺纹钢棒材采用特殊的冷加工成型和快速加热处理技术相结合，产品具有优良的工艺和力学性能。

4.1新型滚压螺纹钢棒材原料选用特殊钢企业生产的合金钢，可以保证工程结构件的特殊要求和力学性能。

常规精轧螺纹钢棒一般选用碳素结构钢、低碳硅锰钢生产。

为了实现材料的高强度，生产过程可以采用热机械加工控制工艺技术（TMCP）。

普通钢材的控制轧制技术（controlrollingtechnology）生产的钢材力学性能指标不可能实现PC钢的屈服强度大于930MPa以上，也不可能获得特殊的物理性能。

青海金阳光特种钢材股份有限公司研发的新型滚压螺纹钢棒材以特殊企业生产的合金钢为原料。

钢中合金元素及元素配比奠定了钢材化学性能、物理性能、工艺性能、力学性能基础。

特殊钢的选用，使新型滚压螺纹钢棒材不仅具有高的强韧性，而且可以根据用户要求、环境介质、受力条件等因素选用特殊钢种，如不锈、耐磨、耐候、抗腐蚀、抗疲劳、高弹性、高模量等特殊性能，使新型滚压螺纹钢棒材可以使用于广阔的工程建设领域。

根据风电塔机基础用PSB930和PSB1080的力学性能指标要求，采用27SiMn和30CrMnSi钢在实验室模拟生产条件制成的全螺纹钢筋，实际测定的力学性能测定为：

27SiMn

屈服点Rel（N/mm2）960抗拉强度Rm（N/mm2）1086

伸长率（A%）15.5面缩率（Z%）51冲击功Aku（j）92

30CrMnSi

屈服点Rel（N/mm2）1108抗拉强度Rm（N/mm2）1248

伸长率（A%）15面缩率（Z%）56冲击功Aku（j）62

按照工业新产品研发程序，在企业实际生产线上小批量生产的30CrMnSi全螺纹钢筋，其力学性能优于实验室结果。

实测结果为：

屈服点Rel抗拉强度Rm伸长率A面缩率Z

（N/mm2）（N/mm2）（%）（%）

1组：

1178137512.556

2组:

1146136314.542

3组：

1223143615.555

全螺纹钢棒的在使用条件下的状态力学性能，经国家建筑工程质量监督检验中心检测钢棒整体性能优良。

全螺纹钢棒规格：

φ50mm

钢种：

30CrMnSiA

力学检验数据：

屈服点Rp0.2抗拉强度Rm伸长率A

N/mm2）（N/mm2）（%）

118415069.0

按照GB/T3098.1-2000《紧固件机械性能-螺栓、螺钉和螺柱》技术条件关于性能等级规定，青海金阳光特种钢材股份有限公司生产的新型冷滚压全螺纹钢棒（筋）超过了8.8级高强度紧固件的力学性能指标，全部产品的性能等级均为10.9级以上。

4.2新型滚压螺纹钢棒材改善精轧螺纹钢筋的螺纹形状，使螺纹受力条件更加均匀合理，提高了工程结构件的使用寿命。

精轧螺纹是钢材在热轧状态下沿直线方向无旋转运动，轧制形成的螺旋纹为断续延伸，无法形成全螺纹。

PC钢棒表面必然存在着螺纹的平肋部分，螺纹高度逐渐降低，与平肋之间形成过渡带。

对精轧螺纹∮20-32mm实际测定，能够达到标准高度的螺旋纹长度只占全部螺纹长度的25-60%。

因此，精轧螺纹钢筋在与螺母配合时属于间隙型配合，非完全吻切。

工件紧固时会产生一定的应力集中。

冷滚压全螺纹钢棒材全部采用梯形螺纹，螺纹是在呈一定夹角的双滚压辊之间，旋转纵向运动过程中成形的，造成整支棒料的螺纹呈螺旋型纵向连续延伸，整支棒材由一条螺旋线连续构成。

冷加工成型的螺纹尺寸精度高、表面粗糙度低，在与螺母配合时具有间隙小、连接件的受力均匀的特点。

因此在实际使用中，可以承受较大的载荷或交变应力。

双斜辊之间纵向运动制成的冷滚压全螺纹钢棒，钢材的弯曲度得到改善。

冷加工全螺纹钢棒的检测证明，新型冷滚压全螺纹钢棒的弯曲度不超过千分之二（≤2mm/m）。

5.新型滚压螺纹钢棒材性能与发展方向综合分析。

5.1新型滚压螺纹钢棒材的原料选用优质特殊合金钢，在快速热处理过程中，钢材的淬透性、淬硬性具有可选择性。

因此，新型滚压螺纹钢棒材的强韧性指标和等级可以根据材料的使用条件和环境进行有效的调整。

钢拉杆、锚杆、预应力棒材、连接件等工程结构件的适用范围有较大突破，为工程设计创新提供了新型材料基础。

5.2新型滚压全螺纹螺纹钢棒材的螺纹形状和长度可以根据实际需要加工。

既可以执行国家标准，也可以按照用户的非标准设计制作。

公司根据用户需求设计螺纹的滚丝专用模具，在三维空间进行多元分析，制成相应的滚丝轮。

保证产品的外形完全符合用户设计要求，而且使连接件具有最佳合理的公差配合，提高工件的锁紧力。

把钢材优良的力学性能转化为工程结构件的设计刚度、强度，抗应变、抗疲劳能力。

提高工程构件的可靠性、稳定性，防止连接件的延迟断裂，提高工件使用寿命。

5.3我国幅员辽阔、地质结构复杂；区域性气候多变、环境介质不同，工程结构件要实现普遍适用性是比较困难的。

青海金阳光特种钢材股份有限公司生产的新型冷滚压全螺纹钢棒材虽然具有特殊的结构特点和优异的力学性能，可以衍生出许多与客观环境相适应的工程结构件产品，也不可能达到普遍适用性。

为保证产品的环境适应性，公司同科研单位、高等院校、钢材生产企业、结构件使用企业实现产、学、研、用相结合，共同研制、开发新型产品，实现了一条完整的产业链。

目前，青海金阳光特种钢材股份有限公司与西宁特殊钢股份有限公司、中国钢研科技集团、青海大学建立了战略合作关系，产品不断创新和升级。

生产一代、创新一代、开发一代、研制一代，已经成为企业产品产业链的实施目标。

5.4螺纹钢棒（筋）属于高强紧固件，高强度紧固件的“延迟断裂”是国内外材料界普遍研究的重大课题。

青海金阳光特种钢材股份有限公司按照合作单位的各自研发优势，对高强度及固件所用钢材、表观设计、力学性能、环境介质条件进行综合性全方位地深入分析研究，在产品制造过程中有所发现、有所发明、有所创造、有所进步，不断提高新型高强度螺纹钢紧固件的适应性和力学性能。

感谢宋瑞雪高级工程师和其他同事对本项科研工作的指导和帮助，本论文是在宋瑞雪技术总工程师和张明义技术总顾问的指导帮助下完成。

在此表示衷心的感谢。