1、 预应力钢丝连续高速拉拔时的温升与降温毛爱菊（ 天津第一预应力钢丝有限公司 天津 300182 ）摘 要：连续式拉丝机实现高速拉拔，对生产高强度、粗规格预应力钢丝来讲首先要解决钢丝的发热问题。本文主要论述了预应力钢丝用高碳钢盘条拉拔时的温升对钢丝力学性能的影响及控制温升应采取的措施。关键词：高速连续拉拔 温升 降温1前言连续式拉丝机的出现，实现了钢丝生产的连续化、高速化。与传统单次拉丝机相比，连续拉拔提高了钢丝生产效率 1020 倍。像预应力钢丝这样高强度、粗线径的连续高速拉拔在我国是近十几年来的事。国内最早引进连续拉丝机生产预应力钢丝的是天津第一预应力钢丝有限公司，84 年从瑞典引进 CBL
2、5/900 活套式拉丝机，最大进线直径是12mm，最高拉拔速度是 10m/s，但是由于当时的原料盘重小，电接、剪头等操作停车率高，所以生产效率并不高。随着我国预应力钢材生产技术的不断提高，国产高速线材生产的快速发展，近十年，国产及进口连续式拉丝机数量逐年增加。具不完全统计，全国现预应力制品企业中拥有进口及国产拉丝机近 50 台，在生产中发挥着重要作用，连续式拉丝机的产量占全部预应力钢材主导产品（低松弛钢丝、钢绞线）产量的 90%左右。因此，连续拉拔的质量对预应力钢丝的产品性能至关重要。众所周知，影响钢丝拉拔质量的因素很多，如材质的影响，模具、润滑剂的影响，压缩率、拉拔速度的影响。但是，正像一位
3、著名专家所讲“一切拉拔条件对冷拉后钢丝性能的影响，都可以归结为热量对钢丝的影响。 ”而高碳钢连续拉拔时钢丝的发热问题更为突出，严重制约着拉丝机的生产能力，也严重影响着产品的性能。目前国际上致力于研究高速拉丝机的专业人士，首先在研究钢丝的冷却。因此，本文就预应力钢丝连续高速拉拔时的升温对产品质量的影响及应该采取的降温措施等几个问题做一粗浅的论述。2拉拔温度对钢丝成品综合机械性能的影响钢丝拉拔时，变形功和附加变形功的 90%以上转化为热量，钢丝与模孔间的摩擦功也全部转化为热量，因此，伴随着钢丝产生塑性变形，钢丝自身的温度在快速升高。拉拔时钢丝温升可用 Wilsond 温升理论简化公式计算： .()
4、 1()其中: 拉拔应力 线材比热 线材密度从式中可以看出，拉拔应力是钢丝温升的绝对因素。具有关资料介绍，在一般拉拔条件下，低碳钢拉拔一道次平均温升6080高碳钢则达到 100160。这与实际情况基本相符，表 1 是本企业连续拉丝机生产的实测资料，为了仅说明拉拔后的升温， 不计拉丝机冷却条件的影响，仅列举连续拉丝机第一道次拉拔出模后的温度。 （是在拉丝机已经长时间工作，模具处于发热状态下测试的，模具温度无法测试） 表 1钢号 72 B 72B 77B 82B拉拔过程(mm) 10 9 13- 12 13- 12 13- 12压缩率 19.00% 1479% 1479% 1479%道次拉拔速度m
5、/s154 117 117 156出模线温 93 76 897 986在连续拉丝机上，如果没有冷却措施，经多道次拉拔后，钢丝温度积累可达 500600。温度的急剧升高一方面会导致润滑不良，残余应力加大，引起钢丝表面产生裂纹；另一方面钢丝持续于150240 温度范围极易引起应变时效，即钢中溶质碳原子和一部分片状渗碳体分解析出的碳原子跑到位错中心，使位错更加稳定，使钢丝强度增高，塑性、韧性下降，钢丝变脆，伸长率、弯曲值显著减少。有些教材介绍应变时效脆化开始的温度与时间关系如下：温度 （） 时效脆化时间 （秒） 100 7103140 3.3102180 20301.5260 0.2即:拉拔过程中线
6、温达到 140 时,只需 5.5 分钟就出现脆化,达到180 时,脆化仅需 20 秒。另外，在 170 以上的温度会破坏润滑剂的性能，使钢丝表面温升更为严重，而钢丝表面易拉伤，模耗增加。为了研究和证实时效脆化现象对钢丝性能的实际影响程度，我们进行了一组对比试验。试验时采用同一炉原料、同样的拉拔工艺、生产同样的产品、同样的拉拔速度；选用不同的拉丝设备、具有不同的冷却条件，各安排了一个班次的生产。表 2 列出了两组不同拉拔温度对钢丝性能影响的对比试验数据。表 2组数试验条件组 组 原料钢号、规格 82B 13mm 82B 13mm炉号 189210 189210拉拔工艺 137.5 六道次 137
7、.5 六道次拉丝设备及冷却条件进口拉丝机,卷筒窄缝冷却、裙边风冷,模具高压封闭水冷。国产拉丝机,卷筒喷水冷却 , 模具开式冷却。成品罐速度 4 m/s 4 m/s过程线平均出模温度1048 1562 过程线最高温度 133 205冷拉成品(轴) 平均线温858 1383强度（Mpa） 16181584165217971731 1856冷拉成品性弯曲次数次/1809271172549能 平均伸长率%42 305. 0245103. 5从上表试验数据中可以明显看出，在原料、拉拔工艺、拉拔速度相同，仅冷却条件不同情况下，过程线温、成品线温有较大差别，组即国产设备组产生明显时效脆化现象，比进口设备组的
8、产品强度高 11% ，弯曲低 21.2% ，伸长率低 41.6%。可以看出高碳钢拉拔产生的时效脆化现象对钢丝的塑性、韧性都有很大影响，塑性指标的影响程度大于韧性指标。所以，要想提高拉拔速度保证产品性能，必须采取有效的降温措施。3降低拉拔温度的措施要降低拉拔时的温度首先要考虑控制拉拔状态，减小拉拔力，减小钢丝自身的发热。二是要考虑钢丝出模以后采取有效的降温措施。3减小拉拔力 如前所述，拉拔应力是使钢丝温升的绝对因素，因此减小拉拔力是控制钢丝温升的直接方法。拉拔力的计算方法有许多种，每一种方法对拉拔力影响因素的考虑各有侧重。归纳起来，减小拉拔应力可以从以下几个方面考虑：盘条表面氧化铁皮的清理要完全
9、，并保证涂层质量。适当减小模具定径带长度。选择适宜的模具变形区角度，工艺安排的压缩率小时，应减小模具角度；压缩率大时，要增大模具角度。高速拉拔时，尽量采用小压缩率和小模具角度。选择适宜的润滑剂，减小钢丝与模具的摩擦；高速连续拉拔应特别注意润滑剂的搅拌，要加强润滑，避免“空洞”现象。3采取有效的降温措施拉拔应力的大小只能在一定范围内控制，钢丝的温升是绝对的。单道次拉拔，钢丝的温度一般不会超过 150，即使拉拔速度提高也不会对钢丝的温升产生直接影响，因为单位时间内变形功及摩擦功的增加会平均在更多的参与变形的钢丝上，因而发热量不会增加。但是，连续拉拔速度的提高缩短了钢丝在相邻两个道次之间的冷却时间，
10、造成温度的逐道次积累，如果不及时降温，极易发生应变时效脆化。因此连续拉拔能否实现高速化，完全取决于钢丝在每道拉拔之后能否及时得到冷却。321 卷筒强制冷却钢丝在卷筒上缠绕停留的时间最长。卷筒的冷却，目的是间接冷却钢丝，将钢丝的热量带走。卷筒的冷却效果对钢丝的降温至关重要。目前国内许多企业引进了国外生产的连续式拉丝机冷却效果在国际上处于领先水平，其卷筒内壁采用“窄缝”式水冷，即在卷筒内设置一个与卷筒内壁相差 56 mm 的套筒形成缝隙，增加循环冷却水的流速，提高热交换效率。另外，卷筒“裙边风冷”对钢丝进行直接冷却，即卷筒底部外壁缝隙处喷出高速空气直接吹在钢丝表面上使之冷却，进一步提高了冷却效果。
11、经测试，OTT 拉丝机拉拔粗规格钢丝（如137.5mm）时经卷筒冷却后温降达 60以上。应该注意的是，由于长期用循环水冷却，卷筒内壁会生成水垢，影响冷却效果，水垢的导热性极差，每 1mm 厚的水垢会使热传导能力降低 40%左右，因此要定期清理。至少每年清理一次。322 确保积线高度直进式拉丝机卷筒一般都是倾斜布置的，目的是增加卷筒的积线高度。卷筒的积线高度与卷筒的倾斜角关系如下式：H = A sin其中：H 积线高度 A 相邻的中心水平距离 倾斜角设备说明书中都给出了积线高度的最佳值，一般在250300mm,操作者要严格按要求操作，尽量保证积线高度的最大值，以便延长钢丝在卷筒上的缠绕时间，达到
12、应有的温降。新拉丝机一开始使用就应该严格保证积线高度，否则卷筒一经磨损后，线就不好往上趴了。323 模具高压水冷却模具的冷却是通过冷却模套使硬质合金模芯散热降温，一般有两种方式。一种是开式冷却，采用循环水自流排出，这种方式冷却效果差，钢丝出模温度高，象某国产拉丝机在拉拔大规格钢丝，速度高于 3m/s 时出模温度达 150左右。另一种是封闭式强迫冷却，冷却水有压力，水流速度大，冷却效果较好，可用于高速拉拔。日本和英国已发明了直接水冷装置，钢丝出模后直接与水接触，加强了冷却效果。可进一步提高拉拔速度。33 减小部分压缩率连续拉丝机在设备罐数允许条件下，增加拉拔道次、减小部分压缩率是降低线温，提高拉
13、拔速度，实现高速拉拔的最好方法。高碳钢拉拔，在压缩率不超过 15%时，索氏体组织内的渗碳体片能够进行塑性弯曲和轴向旋转，保证索氏体形态沿拉拔方向伸长而不会破坏，对钢丝的韧性和塑性有利。降低部分压缩率，使钢丝的道次变形量减小，钢丝的发热减少。实践证明，采用多道次小压缩率拉拔不仅能提高拉拔速度，而且还大大降低模耗，不增加电耗。34 降低拉拔速度 一般认为，拉拔速度的提高会降低拉拔力，但是当速度高于 1m/s 时拉拔力随温度升高而降低的幅度不大，而钢丝在相邻两卷筒之间的停留时间缩短了，影响了温降。综合起来速度提高会产生不利的影响。当客观因素决定不能采取有效的降温措施时，必须降低拉拔速度，控制线温，保证钢丝的综合力学性能。4结论预应力高碳钢丝拉拔时产生的时效脆化现象严重降低钢丝的塑性和韧性指标。避免时效脆化发生就要控制拉拔时的温升。一是要控制拉拔状态减小拉拔力；二是要积极采取降温措施，将过程线温控制在 150以下，瞬间温度不能超过 180，成品线温控制在 100以下，并将这个温度范围作为拉拔速度的确定依据。
