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1、工程用高强度钢拉杆的研制与应用摘 要 通过对工程用高强度钢拉杆的研制，在材料选择、热处理工艺、力学性能检测上积累了丰富经验，做到了工艺、技术的创新，实现了国产化，满足了工程要求。关键词 钢拉杆 合金结构钢 热处理 高强度 力学性能 等强设计 索具THE MANUFACTURE AND APPLICATION OFHIGH STRENGTH STEEL TIE ROD FOR ENGINEERINGABSTRACT According to the research & manufacture of high strength steel tie rod for engineering, pil
2、ed 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 strength m
3、echanical property design of equal strength sling 工程用高强度钢拉杆的研制，是为了满足国内众多工程对高强度钢拉杆的配套需求。在国内无该项产品，主要靠进口的情况下，为振兴民族工业并打破英国、法国、德国、卢森堡等少数国家对钢拉杆国际市场的垄断，使得国产化钢拉杆在国内市场得到应用并向国际市场进军。 高强度钢拉杆作为建筑工程中的主要受力部件，在国外各种类型的建筑工程中使用较为普遍。而国内高强度钢拉杆（主要是指Rel460Mpa以上的钢拉杆）全部依赖进口，只有一般强度的钢拉杆（相对于Rel460Mpa的钢拉杆，主要是指Rel235Mpa、Rel345Mp
4、a的钢拉杆）在国内少数厂家生产，缺乏竞争优势。 通过对高强度钢拉杆产品的开发，在材料选择、热处理工艺、锻造工艺、拉力试验等方面取得了重大突破，并创造了高强度钢拉杆的多项技术成果。研制成功的高强度钢拉杆的综合性能已达到和超过国际同类产品的先进技术水平。 1 高强度钢拉杆的研制自1999年开始立项研究高强度钢拉杆时，国内没有钢拉杆定型产品和相关标准，仅在交通部建造船坞规范中有相关技术指标要求供参考。世界各国（公司）生产钢拉杆的生产规格、技术参数也均有差异。而大规格90mm（Rel460Mpa）船坞钢拉杆、150mm（Rel550Mpa）建筑钢拉杆在国内则是空白。 1.1方案设计及论证通过对国外钢拉
5、杆产品及技术参数的分析，并结合国内造船厂、钢结构厂、设计院、研究所等单位的使用、安装、设计的综合情况进行的调研。从方案设计论证入手，考虑到产品的结构及工艺性，确定研制方案技术攻关的重点内容： 1)钢拉杆整体结构必须突出该产品作为预应力连接件与结构连接配套的通用化、标准化和系列化，施工安装、调整方便，整体结构造型美观。 2) 选择合适的材料，既要保证其具有良好的可热处理性、可锻性，还要考虑材料的经济性。 3）确定适合的热处理工艺，加强热处理过程质量控制，保证材料综合力学性能指标要完全达到和超过国外同类产品的技术水平。 4）螺纹端要实现锻造镦粗,螺纹底径不小于杆体直径,达到等强设计要求. 5）成批
6、生产质量稳定性的控制。 1.2技术攻关、样品试制及性能检测 直径90mm（Rel460Mpa）的船坞钢拉杆和直径150mm（Rel550Mpa）的建筑钢拉杆的生产制造在我国均属首次，而此前对直径150mm大规格高强度钢拉杆进行锻造镦粗、调质热处理在我国还无先例。 通过热加工工艺和冷加工工艺等多项工艺实验，参照EN10113/2欧洲标准，首先对Q460-D钢钢拉杆样品分别进行了热处理工艺、力学性能试验研究。由于Q460-D钢是低碳、低合金、低淬透性钢，按常规正火热处理后，屈服强度偏低，仅410Mpa左右，达不到460Mpa强度要求。因此必须进行调质（5151）处理，以获得金相组织较细的低碳马氏体
7、，试验结果表明采用特殊定制的Q460-D钢可以基本满足高强度钢拉杆的力学性能要求。但我国大规格Q460-D钢炼钢技术尚不成熟、难以保证大批量生产质量的稳定性，制造成本高、用户难以接受。 鉴于此，优选了一种合金结构钢，对其进行 “非常规”热处理工艺技术试验在工艺参数的范围内进行了两种细化工艺试验（较高的伸长率和较低屈服强度的细化工艺试验；较高屈服强度和较低伸长率的细化工艺试验）及钢拉杆螺纹部分的连接性能试验等。通过力学性能实验、金相检验、拉力试验均取得了理想效果，达到了高强度钢拉杆的综合力学性能的要求，为批量生产大直径高强度钢拉杆产品奠定了基础，充分做到了老钢种新用途。 高强度钢拉杆的热处理技术
8、是整个研制过程中的核心技术。在经历了大量常规热处理实验不能达到高强度钢拉杆力学性能要求后，采用了“非常规”热处理工艺，不仅淬火加热温度、回火温度与选择的合金结构钢常规调质工艺不同，更主要的是没有采用常规的淬火冷却介质，而是采用了冷却速度更快的淬火冷却介质。综合应用了“控时控温”、“ 延时淬火”、“ 水空双介质淬火”等工艺技术。采用此项冷却方法，可以大大减少甚至消除淬火软点，获得更良好、稳定的力学性能，降低了淬火开裂倾向，可获得最大的淬硬层深度，特别是增强淬火的疲劳寿命可以提高一个数量等级。这是现代先进热处理冷却技术增强淬火方法(IQM )的成功应用。 钢拉杆端部的锻造镦粗技术是在杆体局部加热达
9、到始锻温度后，采用特制平锻机施压使端部杆体在模具内达到终锻温度前产生塑性变形达到成型效果。锻造镦粗过程中通过对锻造比、镦粗长径比、始终锻温度、加热时间、镦粗次数（加热次数）的综合控制达到良好镦粗直径、镦粗长度及力学性能，满足钢拉杆等强设计要求。 在取得了90mm合金结构钢高强度钢拉杆试制成功后，又进一步开发150mm（Rel550Mpa）高强度钢拉杆。试制过程中仍采用国产合金结构钢，经调整后的“非常规”热处理、大吨位锻造镦粗工艺后，其力学性能指标同样达到并超过了国际标准要求，填补了国内空白。 2003年8月，将开发成功的150mm（Rel550Mpa）高强度钢拉杆样品，送中国船舶工业金属结构试
10、验检测中心进行静强度试验，检测结果表明钢拉杆整体性能完全满足技术要求，其综合技术性能指标已经达到和超过了目前国际同类产品的先进水平。 表1 国际标准（ISO4950/3）热处理状态供应的低合金钢的力学性能指标下屈服强度RelMPa抗拉强度RmMPa伸长率A%断面收缩率Z%冲击功（纵向）Akv（-20）J46057072017-3955065083016-39 表2 欧洲标准（EN10113/2）可焊接细晶粒结构钢热轧产品-正火轧制钢材 力 学性能指标上屈服点ReHMPa抗拉强度RmMPa伸长率A%断面收缩率Z%冲击功（纵向）Akv（-20）J46055072017-40表3 国标（GB/T15
11、91）低合金高强度结构钢力学性能指标下屈服强度RelMPa抗拉强度RmMPa伸长率A%断面收缩率Z%冲击功（纵向）Akv（-20）J46055072017-34表4 高强度钢拉杆产品内部控制力学性能指标下屈服强度RelMPa抗拉强度RmMPa伸长率A%断面收缩率Z%冲击功（纵向）Akv（-20）J460610195045550750175045 1.3产品结构设计 为适应国内外市场对各种规格、型号钢拉杆的需求，可将钢拉杆的设计分类为:建筑(桥梁)钢拉杆系列和船坞钢拉杆系列，直径由20mm到150mm，钢拉杆长度由数米、数拾米到数百米均可以实现，只需增加调节套筒（带左、右旋螺纹的连接件）数量即可
12、满足长度的需要，有很好的灵活性、适应性。 钢拉杆产品结构设计的前提是：等强设计，即：按照钢拉杆的名义直径计算钢拉杆的承载力值，钢拉杆的圆杆体横截面处应是屈服载荷最低的部分；杆体的螺纹部分以及接头、铰接板、调节套筒等零件的屈服载荷，至少应不小于圆杆体的屈服载荷。 1) 建筑(桥梁)钢拉杆系列设计建筑(桥梁)钢拉杆的两端结构连接形式以及制作长度应根据工程结构连接端点结构形式和距离共同确定。 按钢拉杆两端与工程结构连接对应的接头型式分为UU、OO、OU三种基本型式： UU型：钢拉杆两端均为用螺纹连接的“U型接头”，被连接的结构两端一般为单耳板； OO型：钢拉杆两端均为锻造成“O型耳环”或用螺纹连接的
13、“O型接头”，被连接的结构两端一般为双耳板； OU型：钢拉杆一端为用螺纹连接U型接头，另一端为锻造成“O型耳环”或用螺纹连接的“O型接头”，被连接的结构一端为单耳板，另一端为双耳板。 2）船坞钢拉杆系列设计船坞钢拉杆的结构形式是通过铰接板（单向或双向）、紧张器（调节套筒）连接成一体，两端与构件采用螺纹（包括垫板、厚螺母和薄螺母）连接，按其铰接型式和数量分为： D1型钢拉杆：包含一个单向铰的船坞钢拉杆；S1型钢拉杆：包含一个双向铰的船坞钢拉杆； D2型钢拉杆：包含二个单向铰的船坞钢拉杆； S2型钢拉杆：包含二个双向铰的船坞钢拉杆。 2 高强度钢拉杆的应用 2001年9月上海沪东(中华)造船集团有
14、限公司在大型船坞建造工程中，采用了我公司生产的七种规格船坞钢拉杆、484套（90mm，最大长度27.6m）、1980根（最短的2.5m、最长达12m）, 重量达600吨。此工程为国内首次选用国产高强度钢拉杆，经中国船级社上海分社验船师和工程监理现场考核，所有抽检的钢拉杆的检测结果都符合技术要求，其性能指标超过了上海外高桥造船公司使用的卢森堡阿贝德钢铁集团的产品性能指标，顺利地通过了验收。 国内工程如雨后春笋，高强度钢拉杆的需求急剧上升，到目前为止，成功使用我公司研发的高强度钢拉杆的工程几十余项。 其中，最引人瞩目的是深圳会展中心的钢拉杆, 该大型会展中心由德国GMP主设计，分为展览厅、会议厅、
15、多功能厅等，是一座具有国际标准的大型展览建筑。该会展中心采用的高强度钢拉杆直径为150mm、140mm、100mm、85mm、80mm、75mm、55mm七种规格，总重量达2800吨。强度级别分别为550MPa及460MPa两个级别。主要分布在下弦及屋面，为整个钢结构工程的重要受力构件。其中550MPa级别150mm高强度钢拉杆是目前国内和国际上强度最高、直径最大的钢拉杆。 3 总结 在经过多年的艰苦努力，历经方案论证、产品结构设计、材料筛选，工艺设计、试验，样品试制及性能测试，小批量试生产，批量试生产；沪东（中华）造船厂、广州南沙湾港船坞钢拉杆的应用，深圳会展中心、首都博物馆新馆、中关村软件
16、园等大型建筑结构配套使用认可等过程，已完成了直径20mm-150mm高强度钢拉杆的研制任务。 该产品的研制成功，使我国高强度钢拉杆具有了国际竞争优势，可以替代进口钢拉杆，适应了目前国内外大批量改建和新建船坞结构及类似大型（大跨度）建筑钢结构对高强度钢拉杆的配套需求。促进了我国钢拉杆产业的技术进步，具有较好的经济效益和深远的社会效益。与此同时，650级（Rel650Mpa）和210mm高强度钢拉杆的试制成功为以后国内外各大工程对钢拉杆的需求提供了很大空间。 参考文献：1杨晓,杨子,叶建国,刘志东.船坞钢拉杆及其标准化研究.船舶标准化与质量,2002,62张垣. 船坞钢拉杆热处理过程质量控制.第十四届华北地区热处理技术交流大会文集,20023陈再良,阎承沛.先进热处理工艺制造技术.北京:机械工业出版社,20014中国机械工程学会锻压学会.锻压手册(第1卷)(第2版).北京:机械工业出版社,20045CB/T3957-2004 船坞钢拉杆6孙广能,宋崧,宋平,胡锡山.进口钢材标准手册.上海:科学技术出版社,20037李春胜.钢铁材料手册.南昌:江西科学技术出版社,2004