工程用高強度鋼拉桿的研制與應用

1、工程用高強度鋼拉桿的研制與應用摘 要 通過對工程用高強度鋼拉桿的研制，在材料選擇、熱處理工藝、力學性能檢測上積累了豐富經驗，做到了工藝、技術的創(chuàng)新，實現(xiàn)了國產化，滿足了工程要求。關鍵詞 鋼拉桿 合金結構鋼 熱處理 高強度 力學性能 等強設計 索具THE MANUFACTURE AND APPLICATION OFHIGH STRENGTH STEEL TIE ROD FOR ENGINEERINGQi HaishenABSTRACT According to the research & manufacture of high strength steel tie rod for engine

2、ering, piled up abundant experience at the choice of materials,heat treatment technics and examination of mechanical property,also made a innovation of technics and technique,realized to make in china, met the request of engineering.KEY WORDS steel tie rod alloy structure steels heat treatment high

3、strength mechanical property design of equal strength sling 工程用高強度鋼拉桿的研制，是為了滿足國內眾多工程對高強度鋼拉桿的配套需求。在國內無該項產品，主要靠進口的情況下，為振興民族工業(yè)并打破英國、法國、德國、盧森堡等少數國家對鋼拉桿國際市場的壟斷，使得國產化鋼拉桿在國內市場得到應用并向國際市場進軍。 高強度鋼拉桿作為建筑工程中的主要受力部件，在國外各種類型的建筑工程中使用較為普遍。而國內高強度鋼拉桿（主要是指Rel460Mpa以上的鋼拉桿）全部依賴進口，只有一般強度的鋼拉桿（相對于Rel460Mpa的鋼拉桿，主要是指Rel235Mp

4、a、Rel345Mpa的鋼拉桿）在國內少數廠家生產，缺乏競爭優(yōu)勢。 通過對高強度鋼拉桿產品的開發(fā)，在材料選擇、熱處理工藝、鍛造工藝、拉力試驗等方面取得了重大突破，并創(chuàng)造了高強度鋼拉桿的多項技術成果。研制成功的高強度鋼拉桿的綜合性能已達到和超過國際同類產品的先進技術水平。 1 高強度鋼拉桿的研制自1999年開始立項研究高強度鋼拉桿時，國內沒有鋼拉桿定型產品和相關標準，僅在交通部建造船塢規(guī)范中有相關技術指標要求供參考。世界各國（公司）生產鋼拉桿的生產規(guī)格、技術參數也均有差異。而大規(guī)格90mm（Rel460Mpa）船塢鋼拉桿、150mm（Rel550Mpa）建筑鋼拉桿在國內則是空白。 1.1方案設計

5、及論證通過對國外鋼拉桿產品及技術參數的分析，并結合國內造船廠、鋼結構廠、設計院、研究所等單位的使用、安裝、設計的綜合情況進行的調研。從方案設計論證入手，考慮到產品的結構及工藝性，確定研制方案技術攻關的重點內容： 1)鋼拉桿整體結構必須突出該產品作為預應力連接件與結構連接配套的通用化、標準化和系列化，施工安裝、調整方便，整體結構造型美觀。 2) 選擇合適的材料，既要保證其具有良好的可熱處理性、可鍛性，還要考慮材料的經濟性。 3）確定適合的熱處理工藝，加強熱處理過程質量控制，保證材料綜合力學性能指標要完全達到和超過國外同類產品的技術水平。 4）螺紋端要實現(xiàn)鍛造鐓粗,螺紋底徑不小于桿體直徑,達到等強

6、設計要求. 5）成批生產質量穩(wěn)定性的控制。 1.2技術攻關、樣品試制及性能檢測 直徑90mm（Rel460Mpa）的船塢鋼拉桿和直徑150mm（Rel550Mpa）的建筑鋼拉桿的生產制造在我國均屬首次，而此前對直徑150mm大規(guī)格高強度鋼拉桿進行鍛造鐓粗、調質熱處理在我國還無先例。 通過熱加工工藝和冷加工工藝等多項工藝實驗，參照EN10113/2歐洲標準，首先對Q460-D鋼鋼拉桿樣品分別進行了熱處理工藝、力學性能試驗研究。由于Q460-D鋼是低碳、低合金、低淬透性鋼，按常規(guī)正火熱處理后，屈服強度偏低，僅410Mpa左右，達不到460Mpa強度要求。因此必須進行調質（5151）處理，以獲得金相

7、組織較細的低碳馬氏體，試驗結果表明采用特殊定制的Q460-D鋼可以基本滿足高強度鋼拉桿的力學性能要求。但我國大規(guī)格Q460-D鋼煉鋼技術尚不成熟、難以保證大批量生產質量的穩(wěn)定性，制造成本高、用戶難以接受。 鑒于此，優(yōu)選了一種合金結構鋼，對其進行 “非常規(guī)”熱處理工藝技術試驗在工藝參數的范圍內進行了兩種細化工藝試驗（較高的伸長率和較低屈服強度的細化工藝試驗；較高屈服強度和較低伸長率的細化工藝試驗）及鋼拉桿螺紋部分的連接性能試驗等。通過力學性能實驗、金相檢驗、拉力試驗均取得了理想效果，達到了高強度鋼拉桿的綜合力學性能的要求，為批量生產大直徑高強度鋼拉桿產品奠定了基礎，充分做到了老鋼種新用途。 高強

8、度鋼拉桿的熱處理技術是整個研制過程中的核心技術。在經歷了大量常規(guī)熱處理實驗不能達到高強度鋼拉桿力學性能要求后，采用了“非常規(guī)”熱處理工藝，不僅淬火加熱溫度、回火溫度與選擇的合金結構鋼常規(guī)調質工藝不同，更主要的是沒有采用常規(guī)的淬火冷卻介質，而是采用了冷卻速度更快的淬火冷卻介質。綜合應用了“控時控溫”、“ 延時淬火”、“ 水空雙介質淬火”等工藝技術。采用此項冷卻方法，可以大大減少甚至消除淬火軟點，獲得更良好、穩(wěn)定的力學性能，降低了淬火開裂傾向，可獲得最大的淬硬層深度，特別是增強淬火的疲勞壽命可以提高一個數量等級。這是現(xiàn)代先進熱處理冷卻技術增強淬火方法(IQM )的成功應用。 鋼拉桿端部的鍛造鐓粗技

9、術是在桿體局部加熱達到始鍛溫度后，采用特制平鍛機施壓使端部桿體在模具內達到終鍛溫度前產生塑性變形達到成型效果。鍛造鐓粗過程中通過對鍛造比、鐓粗長徑比、始終鍛溫度、加熱時間、鐓粗次數（加熱次數）的綜合控制達到良好鐓粗直徑、鐓粗長度及力學性能，滿足鋼拉桿等強設計要求。 在取得了90mm合金結構鋼高強度鋼拉桿試制成功后，又進一步開發(fā)150mm（Rel550Mpa）高強度鋼拉桿。試制過程中仍采用國產合金結構鋼，經調整后的“非常規(guī)”熱處理、大噸位鍛造鐓粗工藝后，其力學性能指標同樣達到并超過了國際標準要求，填補了國內空白。 2003年8月，將開發(fā)成功的150mm（Rel550Mpa）高強度鋼拉桿樣品，送中

10、國船舶工業(yè)金屬結構試驗檢測中心進行靜強度試驗，檢測結果表明鋼拉桿整體性能完全滿足技術要求，其綜合技術性能指標已經達到和超過了目前國際同類產品的先進水平。 表1 國際標準（ISO4950/3）熱處理狀態(tài)供應的低合金鋼的力學性能指標下屈服強度RelMPa抗拉強度RmMPa伸長率A%斷面收縮率Z%沖擊功（縱向）Akv（-20）J46057072017-3955065083016-39 表2 歐洲標準（EN10113/2）可焊接細晶粒結構鋼熱軋產品-正火軋制鋼材 力 學性能指標上屈服點ReHMPa抗拉強度RmMPa伸長率A%斷面收縮率Z%沖擊功（縱向）Akv（-20）J46055072017-40 表

11、3 國標（GB/T1591）低合金高強度結構鋼力學性能指標下屈服強度RelMPa抗拉強度RmMPa伸長率A%斷面收縮率Z%沖擊功（縱向）Akv（-20）J46055072017-34表4 高強度鋼拉桿產品內部控制力學性能指標下屈服強度RelMPa抗拉強度RmMPa伸長率A%斷面收縮率Z%沖擊功（縱向）Akv（-20）J460610195045550750175045 1.3產品結構設計 為適應國內外市場對各種規(guī)格、型號鋼拉桿的需求，可將鋼拉桿的設計分類為:建筑(橋梁)鋼拉桿系列和船塢鋼拉桿系列，直徑由20mm到150mm，鋼拉桿長度由數米、數拾米到數百米均可以實現(xiàn)，只需增加調節(jié)套筒（帶左、右旋

12、螺紋的連接件）數量即可滿足長度的需要，有很好的靈活性、適應性。 鋼拉桿產品結構設計的前提是：等強設計，即：按照鋼拉桿的名義直徑計算鋼拉桿的承載力值，鋼拉桿的圓桿體橫截面處應是屈服載荷最低的部分；桿體的螺紋部分以及接頭、鉸接板、調節(jié)套筒等零件的屈服載荷，至少應不小于圓桿體的屈服載荷。 1) 建筑(橋梁)鋼拉桿系列設計建筑(橋梁)鋼拉桿的兩端結構連接形式以及制作長度應根據工程結構連接端點結構形式和距離共同確定。 按鋼拉桿兩端與工程結構連接對應的接頭型式分為UU、OO、OU三種基本型式： UU型：鋼拉桿兩端均為用螺紋連接的“U型接頭”，被連接的結構兩端一般為單耳板； OO型：鋼拉桿兩端均為鍛造成“O

13、型耳環(huán)”或用螺紋連接的“O型接頭”，被連接的結構兩端一般為雙耳板； OU型：鋼拉桿一端為用螺紋連接U型接頭，另一端為鍛造成“O型耳環(huán)”或用螺紋連接的“O型接頭”，被連接的結構一端為單耳板，另一端為雙耳板。 2）船塢鋼拉桿系列設計船塢鋼拉桿的結構形式是通過鉸接板（單向或雙向）、緊張器（調節(jié)套筒）連接成一體，兩端與構件采用螺紋（包括墊板、厚螺母和薄螺母）連接，按其鉸接型式和數量分為： D1型鋼拉桿：包含一個單向鉸的船塢鋼拉桿；S1型鋼拉桿：包含一個雙向鉸的船塢鋼拉桿； D2型鋼拉桿：包含二個單向鉸的船塢鋼拉桿； S2型鋼拉桿：包含二個雙向鉸的船塢鋼拉桿。 2 高強度鋼拉桿的應用 2001年9月上海

14、滬東(中華)造船集團有限公司在大型船塢建造工程中，采用了我公司生產的七種規(guī)格船塢鋼拉桿、484套（90mm，最大長度27.6m）、1980根（最短的2.5m、最長達12m）, 重量達600噸。此工程為國內首次選用國產高強度鋼拉桿，經中國船級社上海分社驗船師和工程監(jiān)理現(xiàn)場考核，所有抽檢的鋼拉桿的檢測結果都符合技術要求，其性能指標超過了上海外高橋造船公司使用的盧森堡阿貝德鋼鐵集團的產品性能指標，順利地通過了驗收。 國內工程如雨后春筍，高強度鋼拉桿的需求急劇上升，到目前為止，成功使用我公司研發(fā)的高強度鋼拉桿的工程幾十余項。 其中，最引人矚目的是深圳會展中心的鋼拉桿, 該大型會展中心由德國GMP主設計

15、，分為展覽廳、會議廳、多功能廳等，是一座具有國際標準的大型展覽建筑。該會展中心采用的高強度鋼拉桿直徑為150mm、140mm、100mm、85mm、80mm、75mm、55mm七種規(guī)格，總重量達2800噸。強度級別分別為550MPa及460MPa兩個級別。主要分布在下弦及屋面，為整個鋼結構工程的重要受力構件。其中550MPa級別150mm高強度鋼拉桿是目前國內和國際上強度最高、直徑最大的鋼拉桿。 3 總結 在經過多年的艱苦努力，歷經方案論證、產品結構設計、材料篩選，工藝設計、試驗，樣品試制及性能測試，小批量試生產，批量試生產；滬東（中華）造船廠、廣州南沙灣港船塢鋼拉桿的應用，深圳會展中心、首都博物館新館、中關村軟件園等大型建筑結構配套使用認可等過程，已完成了直徑20mm-150mm高強度鋼拉桿的研制任務。 該產品的研制成功，使我國高強度鋼拉桿具有了國際競爭優(yōu)勢，可以替代進口鋼拉桿，適應了目前國內外大批量改建和新建船塢結構及類似大型（大跨度）建筑鋼結構對高強度鋼拉桿的配套需求。促進了我國鋼拉桿產業(yè)的技術進步，具有較好的經濟效益和深遠的社會效益。與此同時，650級（Rel650Mpa）和210mm高強度鋼拉桿的試制成功為以后國內外各大工程對鋼拉桿的需求提供了很大空間。 參考文獻：1楊曉,楊