楊繼偉，周凱，史國明（天津市天鐵軋二制鋼有限公司，天津300400）

風(fēng)電用Φ40 mm熱軋高強(qiáng)度錨桿螺栓的開發(fā)

楊繼偉，周凱，史國明
（天津市天鐵軋二制鋼有限公司，天津300400）

介紹了風(fēng)電用高強(qiáng)度錨桿螺栓開發(fā)的過程及其產(chǎn)品特點(diǎn)。通過重新設(shè)計(jì)軋制孔型、調(diào)整軋制工藝和后續(xù)熱處理工藝，生產(chǎn)出滿足高尺寸精度要求、高強(qiáng)度和延伸性能優(yōu)良的鋼筋，可替代機(jī)加工方法生產(chǎn)的高強(qiáng)度錨桿螺栓產(chǎn)品，用于風(fēng)電基礎(chǔ)和風(fēng)機(jī)塔架連接。

風(fēng)電高強(qiáng)度錨桿螺栓孔型熱軋熱處理

圖1 高強(qiáng)度錨桿螺栓外形、橫截面圖

1 概述

風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各國的重視，我國風(fēng)能儲(chǔ)量很大、分布面廣，開發(fā)利用潛力巨大，近年來風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快。

2009年國內(nèi)引進(jìn)美國地球系統(tǒng)公司的P&H無張力灌注樁基礎(chǔ)是利用單樁支持風(fēng)機(jī)的一種美國專利基礎(chǔ)。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)采用大直徑精軋螺紋鋼筋材料，由美國地球系統(tǒng)公司與國內(nèi)風(fēng)電企業(yè)合作共同開發(fā)，是全新形式的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

原來該基礎(chǔ)使用的錨桿螺栓為熱軋圓棒材，在兩端經(jīng)過車制成螺紋扣后再進(jìn)行熱處理完成，在國內(nèi)只有極少數(shù)廠家可以加工生產(chǎn)。產(chǎn)品主要由美國進(jìn)口，其價(jià)格每噸高達(dá)人民幣1萬多元。為降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本，保證產(chǎn)品供應(yīng)，占領(lǐng)高端產(chǎn)品市場(chǎng)，滿足風(fēng)電基礎(chǔ)施工的需要，我公司決定開發(fā)符合《美國風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)所需材料規(guī)范》的直接熱軋成型的新外形高強(qiáng)度Φ40 mm精軋螺紋鋼筋（該規(guī)范對(duì)鋼筋提出了更高的要求，鋼筋螺紋間距由國家標(biāo)準(zhǔn)要求的20 mm縮小至8 mm）。根據(jù)需方要求，我公司制定了《天鐵軋二Φ40 mm風(fēng)電用高強(qiáng)度精軋螺紋鋼筋及錨具技術(shù)條件》，進(jìn)行了相關(guān)的產(chǎn)品生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)，成功開發(fā)出符合要求的風(fēng)電用高強(qiáng)度精軋螺紋鋼筋及錨具。產(chǎn)品定型后將品名改為高強(qiáng)錨桿螺栓，已申請(qǐng)實(shí)用新型專利，已為國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局受理。我公司開發(fā)生產(chǎn)的新外形Φ40 mm精軋螺紋鋼筋（高強(qiáng)錨桿螺栓）性能優(yōu)良，已在上述風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上得到成功應(yīng)用。

2 產(chǎn)品研發(fā)過程

2.1 高強(qiáng)度錨桿螺栓形狀

所研發(fā)的熱軋高強(qiáng)錨桿螺栓外形及橫截面如圖1所示。

2.2 生產(chǎn)設(shè)備及工藝流程

我公司連軋分廠擁有目前國內(nèi)較為先進(jìn)的工藝生產(chǎn)線，工藝技術(shù)裝備精良。生產(chǎn)線采用側(cè)進(jìn)側(cè)出步進(jìn)梁式加熱爐加熱均勻，可以減少金屬燒損，操作靈活方便。軋機(jī)引進(jìn)世界先進(jìn)的意大利POMINI第五代紅圈軋機(jī)，由18架組成全連續(xù)軋制線，平-立交替布置，無扭轉(zhuǎn)，軋制產(chǎn)品精度高，最高軋制速度可以達(dá)到18 m/s。

高強(qiáng)錨桿螺栓產(chǎn)品工藝流程是：加熱→軋制→分段剪切→冷床冷卻→定尺剪切→堆冷→等溫?zé)崽幚怼徢校ǔ善罚?/p>

2.3 軋輥孔型設(shè)計(jì)

軋制錨桿螺栓為通身右旋螺紋，外形與普通精軋螺紋相似，鋼筋上面兩橫肋成螺旋形分布，可旋進(jìn)螺母。軋制采用連軋棒材生產(chǎn)國標(biāo)精軋鋼筋使用的“箱→平箱→平橢→圓→橢圓→圓→平橢→圓螺紋”孔型系統(tǒng)。

熱軋螺紋鋼筋與機(jī)加工產(chǎn)品相比自身存在不可避免的缺點(diǎn)。因?yàn)闊彳埑龅匿摻钤谏舷聝蓷l軋輥的輥縫處是沒有螺紋的（見圖1），當(dāng)螺母擰到螺紋鋼筋上時(shí)，與機(jī)加工的全螺紋產(chǎn)品相比，鋼筋螺紋與螺母之間的接觸面積就減少了；此外熱軋產(chǎn)品的精度低于機(jī)加工的全螺紋產(chǎn)品。為保證螺紋與螺母之間盡量大的接觸面積，并且配合緊密，我們對(duì)成品前、成品軋輥孔型進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，將成品前的平橢孔型和成品的螺紋槽型做了改進(jìn)，成品前孔減小平橢圓的大圓角，并將平橢圓中部的凸度形狀改變，由原來的反圓弧改為折線，這樣增加了螺紋輥縫方向金屬的充滿度。

成品前孔修改的孔型圖如圖2所示。

圖2 修改前（左）后（右）的成品前孔型

將成品孔的螺紋斷面形狀設(shè)計(jì)為大傾角梯形螺紋（如圖1所示），橫肋側(cè)面與鋼筋表面的夾角由原來的45°改為70°，使得在螺紋底寬減小的情況下，相對(duì)的剪切面積增大。

2.4 檢驗(yàn)螺母的制作

為保證熱軋帶肋鋼筋與螺母的緊密連接，用于檢測(cè)鋼筋螺紋質(zhì)量的檢驗(yàn)螺母必須嚴(yán)格保證加工精度和螺紋表面的光潔度，符合《天鐵軋二Φ40 mm風(fēng)電用高強(qiáng)度精軋螺紋鋼筋及錨具技術(shù)條件》的要求。

2.5 軋輥孔型的加工

錨桿螺栓外形螺紋間距的精確程度至關(guān)重要，為保證螺紋與螺母的均勻配合，與原用國標(biāo)Φ40 mm高強(qiáng)度精軋螺紋鋼筋相比，所開發(fā)的高強(qiáng)錨桿螺栓產(chǎn)品在螺紋底窄的情況下，增加了螺紋與螺母的咬合數(shù)，由原來4～5扣，增加到8～9扣，由累計(jì)誤差造成的螺母旋進(jìn)困難程度增加了1倍；而且要求錨桿螺栓的螺桿與螺母之間的間隙框量小，配合緊密。因此，要求錨桿螺栓外形螺紋間距誤差必須達(dá)到與機(jī)加工誤差相同的范圍以內(nèi)，即錨桿螺栓外形螺紋間距誤差控制在±0.05 mm以內(nèi)。

成品孔型加工時(shí)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和試軋數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，重新確定了輥徑、銑橫肋數(shù)、前滑等影響參數(shù)。

軋輥加工中，軋輥外徑尺寸精度控制在±0.1 mm；由于橫肋形狀側(cè)面與水平面角度大，且為等高肋，尺寸偏差小，因此要求采用較高精度的銑槽刀具以保證成品孔型的銑槽質(zhì)量。

2.6 軋制成品尺寸控制

由于受軋制過程中填充條件的限制，鋼筋橫肋高度比機(jī)加工螺紋高度小。為保證螺紋扣之間的咬合，我們?cè)O(shè)計(jì)錨桿螺栓橫肋間距l(xiāng)=（8±0.05）mm，其間隙量不大于0.5 mm，以提高錨固力。因此必須對(duì)軋制鋼筋成品尺寸進(jìn)行嚴(yán)格控制。

實(shí)際開發(fā)生產(chǎn)過程中，鋼筋內(nèi)徑垂直（高度）公差控制在±0.2 mm，內(nèi)徑水平（寬度）公差控制在0.2～0.4 mm，不圓度不大于0.3 mm。軋制工藝采用較小的延伸系數(shù)，確保軋制變形的穩(wěn)定可靠；并且對(duì)鋼坯的加熱嚴(yán)格控制，保證整支鋼坯加熱均勻，以減少由于溫度波動(dòng)而引起的尺寸變化。

2.7 產(chǎn)品的原料選擇和軋后熱處理工藝

為滿足錨桿螺栓的高強(qiáng)度和韌性的要求，在軋制鋼筋材質(zhì)上選擇了一種特殊的QHB貝氏體鋼作為原料。此原料要求在軋件在冷床上冷卻到300～400℃時(shí)，進(jìn)行剪切，打成捆堆冷。

完全冷卻后再進(jìn)行低溫等溫轉(zhuǎn)變熱處理。將鋼筋分層裝入等溫爐中，加熱到250～350℃，保溫4～5 h后出爐空冷。

3 研究結(jié)果與分析

3.1 提高成品精度

2011年7月成功試軋出風(fēng)電基礎(chǔ)用Φ40 mm錨桿螺栓，軋出的成品尺寸精度高，基圓、橫肋高度等尺寸誤差均小于設(shè)計(jì)要求，螺紋間距誤差為0.03 mm，橫肋充填飽滿，螺母旋進(jìn)順利。

3.2 提高成品強(qiáng)度

經(jīng)性能測(cè)試，鋼筋的屈服強(qiáng)度均達(dá)到1 080 MPa以上，并且鋼筋的延伸性、勻質(zhì)性良好。鋼筋在拉脫試驗(yàn)中，將螺母與鋼筋配合，施加拉力，在拉到170 t左右時(shí)卸載，螺母順利旋下，觀察橫肋變形輕微，并且各螺紋咬合均勻。錨桿螺栓的實(shí)測(cè)性能數(shù)據(jù)見表1。

表1 錨桿螺栓的實(shí)測(cè)性能數(shù)據(jù)

試軋出成品190.5 t，完成了首批試用產(chǎn)品的生產(chǎn)任務(wù)，供西北風(fēng)電工程使用，受到用戶好評(píng)。后又成批生產(chǎn)2 000 t，創(chuàng)造利潤340萬元。

4 結(jié)論

4.1 生產(chǎn)工藝簡單、實(shí)用

所研發(fā)的高強(qiáng)錨桿螺栓產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝簡單、實(shí)用，可以滿足風(fēng)電基礎(chǔ)施工的要求。

4.2 產(chǎn)品性能可靠

高強(qiáng)錨桿螺栓產(chǎn)品性能可靠，可以為企業(yè)創(chuàng)造較高的經(jīng)濟(jì)效益。

4.3 降低成本

高強(qiáng)錨桿螺栓產(chǎn)品熱軋一次成型，可以省去兩端機(jī)加工車扣和熱處理的復(fù)雜工序，節(jié)約成本。

4.4 產(chǎn)品強(qiáng)度高

軋制錨桿螺栓的橫肋沒有強(qiáng)度損失，優(yōu)于用圓棒材兩端車制加工的螺栓。其使用靈活，可截取任意長度使用；與兩端車制螺紋的鋼棒相比，軋制錨桿螺栓具有通身螺紋，與混凝土握裹力強(qiáng),鋼筋通身強(qiáng)度高，保證了使用的安全性。

4.5 產(chǎn)品適用廣

此螺栓能夠作為大型錨固構(gòu)建的螺桿使用，與螺母連接緊固，錨固性能好，并且制作過程低碳、環(huán)保；除用于風(fēng)電工程外，目前特大型跨海大橋等工程也在使用。

4.6 產(chǎn)品填補(bǔ)了國內(nèi)空白

風(fēng)電用錨桿螺栓的成功開發(fā)，填補(bǔ)了國內(nèi)空白，改變了此種產(chǎn)品完全依賴進(jìn)口的局面。

楊繼偉，女，工程師，現(xiàn)任天津市天鐵軋二制鋼有限公司科技質(zhì)量部工藝工程師。

（收稿2012-06-10編輯潘娜）