礦用螺旋肋錨桿鋼筋的研制開發(fā)

何云雪

（天津市天鐵軋二制鋼有限公司，天津 300400）

礦用螺旋肋錨桿鋼筋的研制開發(fā)

何云雪

（天津市天鐵軋二制鋼有限公司，天津 300400）

為滿足煤礦等支護(hù)用錨桿鋼較高的強度和韌性，以及螺旋肋外形尺寸精度的要求，利用低合金原料和低碳高錳合金原料，采用軋后余熱處理和熱軋的工藝方法，成功開發(fā)出具有高強度和高韌性的礦用螺旋肋錨桿鋼筋，滿足了煤礦對支護(hù)用錨桿的性能、外形要求，為礦用錨桿提供了新的選擇。

礦用錨桿；鋼筋；控冷；熱軋；研制

1 引言

隨著國家對煤礦開采安全的日益重視，煤礦支護(hù)用錨桿的研究使用引起礦山開采單位的濃厚興趣，就煤礦支護(hù)用材料的經(jīng)濟(jì)、安全問題，國內(nèi)的科研院所、專業(yè)學(xué)校做了大量的研究、試驗取得了較好的成效。但我國的幅員廣闊，經(jīng)濟(jì)水平參差不齊，錨桿使用的現(xiàn)狀仍差別較大，使得煤礦的開采安全隱患較大。

為了能夠為我國的礦用錨桿支護(hù)做些工作，我們在廣泛了解礦用支護(hù)用錨桿現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，為滿足煤礦等支護(hù)用錨桿鋼較高的強度和韌性要求以及螺旋肋外形尺寸精度的要求，根據(jù)大量的生產(chǎn)試驗數(shù)據(jù)，歸納整理，完成軋后余熱處理錨桿鋼筋的化學(xué)成分設(shè)計。與清華大學(xué)合作進(jìn)行了熱軋錨桿鋼筋的化學(xué)成分設(shè)計，采用不同的生產(chǎn)工藝方法，經(jīng)過一年的研制試驗，取得了較好的效果，達(dá)到了礦用錨桿鋼的性能指標(biāo)，為礦用錨桿提供了新型材料。

2 生產(chǎn)線概況

2.1 生產(chǎn)設(shè)備概況

引進(jìn)意大利波米尼公司全連軋生產(chǎn)線，全線共18架軋機，平/立交替布置，分為粗軋、中軋、精軋3組，每組6架軋機，全線無扭轉(zhuǎn)軋制。成品最高線速度可達(dá)18 m/s，年產(chǎn)能力70萬t。

加熱爐為步進(jìn)梁式、側(cè)進(jìn)側(cè)出料、蓄熱式加熱爐，使用天然氣為燃料，爐子有效面積20m×12.76 m，加熱能力130t/h。此種形式的加熱爐熱效率高，鋼坯加熱均勻，氧化燒損少，并且節(jié)能、環(huán)保。生產(chǎn)原料為150方坯，6 m和12 m定尺長度。

18架軋機全部為二輥短應(yīng)力線軋機（也稱作紅圈軋機），具有以下特點：（1）軋制應(yīng)力回線短，軋機剛度高，產(chǎn)品尺寸精度高；鋼坯可實現(xiàn)低溫軋制，開軋溫度可以在900～950℃；（2）軸承座位置可自動調(diào)節(jié)，以補償軋輥彎曲變形，減輕軋輥輥頸軸承的邊緣負(fù)荷；（3）軸承座與支撐座之間緊湊，確保軋機整體橫移方便，達(dá)到快速換輥；（4）軸承座的液壓平衡裝置保證了軋機良好的軋制條件，從而保證了整支軋件從頭至尾各部尺寸波動??；（5）垂直機架和水平機架結(jié)構(gòu)相同，完全可以互換使用。

軋制工藝穩(wěn)定，10架至18架軋機采用活套控制，實現(xiàn)無張力軋制，確保產(chǎn)品的尺寸精度，產(chǎn)品尺寸偏差能夠達(dá)到DIN標(biāo)準(zhǔn)公差范圍的1/3。

波米尼公司提供的軋后“P.Q.S”余熱處理系統(tǒng)，可提高鋼筋的強度，改善鋼筋的可焊性，且成本低，是一種高效、可靠的鋼筋軋后冷卻系統(tǒng)。

2.2 生產(chǎn)工藝流程

上料（鋼坯）→稱重、測長→彈出鋼坯→加熱→鋼坯焊接（預(yù)留）→粗軋機組（6臺）→飛剪剪切頭尾→中軋機組（6臺）→飛剪剪切頭尾→精軋機組（6臺）→軋后余熱處理冷卻→倍尺飛剪分段→冷床冷卻→冷飛剪剪切定尺→自動計數(shù)、打捆→稱重標(biāo)志→入庫儲存。

總之，生產(chǎn)線優(yōu)良的設(shè)備，先進(jìn)的生產(chǎn)工藝，為進(jìn)一步提高螺旋肋鋼筋的生產(chǎn)質(zhì)量奠定了基礎(chǔ)。

2.3 完善的質(zhì)量保證體系和先進(jìn)的檢測手段

為保證產(chǎn)品質(zhì)量和提高質(zhì)量管理水平，于1994年初開始宣貫ISO9000系列標(biāo)準(zhǔn)，建立質(zhì)量管理體系，并于1995年11月在冶金行業(yè)首家通過ISO9002標(biāo)準(zhǔn)國內(nèi)、國外雙認(rèn)證，取得證書，到目前為止，已通過兩次換證審核，企業(yè)質(zhì)量體系也經(jīng)過兩次換版改進(jìn)。2002年3月，計量管理通過ISO10012計量管理體系認(rèn)證。2003年11月通過了質(zhì)量體系2000版的認(rèn)證工作。2004年12月首次通過了質(zhì)量、環(huán)境、職業(yè)健康安全三標(biāo)管理體系認(rèn)證。

配置完備的質(zhì)量檢測手段，而且具有現(xiàn)代化一流檢測、試驗設(shè)備，如30～200t萬能材料試驗機，三元素化學(xué)分析儀、金相顯微鏡、鋼筋松弛試驗機等。為對產(chǎn)品質(zhì)量實施有效控制，在檢驗、試驗的各個階段都保持相應(yīng)的質(zhì)量記錄，保證了產(chǎn)品的可追溯性，在對原料的檢驗中用直方圖對化學(xué)成分及力學(xué)性能進(jìn)行控制；在產(chǎn)品的實物抽查中，應(yīng)用排列圖找出存在的主要質(zhì)量問題，以采取措施；在生產(chǎn)過程中，用控制圖對加熱爐溫度進(jìn)行控制，使其處于穩(wěn)態(tài)控制下；適時用直方圖和過程能力指數(shù)計算對生產(chǎn)過程進(jìn)行控制，使過程能力始終處于動態(tài)控制中，質(zhì)量指標(biāo)處于合格范圍。

3 研究的方向與指標(biāo)要求

3.1 產(chǎn)品的研制方向

經(jīng)過與有關(guān)的礦務(wù)局的廣泛研討，滿足錨桿的錨固力要求，確保獲得良好的支護(hù)效果，維護(hù)量小，保證巷道安全正常使用，另外考慮安裝的方便性與機械化安裝，提高支護(hù)效果。確定鋼筋的外形為螺旋肋、左旋向并具有較高的強度和韌性指標(biāo)。

3.2 性能要求

其物理性能要求如下：屈服強度不小于500MPa，抗拉強度不小于700MPa，延伸率不小于20%，夏比沖擊功大于20J，疲勞性能：應(yīng)力幅度200MPa，大于200萬次。

4 研制內(nèi)容

4.1 錨桿鋼筋原料的選擇

采用QIANK公司40t的電爐生產(chǎn)的方坯，冶煉采用吹A(chǔ)r處理，加電磁攪拌的工藝，以確保鋼質(zhì)的純凈。選用兩種成分并控制成分含量的穩(wěn)定，特制定出成分控制范圍，以保證生產(chǎn)過程中調(diào)試穩(wěn)定，性能指標(biāo)波動小。

兩種原料的成分分別是：

原料一：C≤0.25%，P≤0.035%，S≤0.035%，采用軋后余熱處理生產(chǎn)。

原料二：C≤0.08%，Mn≤2.2%，P≤0.035%，S≤0.035%，采用熱軋生產(chǎn)。

4.2 生產(chǎn)工藝

4.2.1 采用軋后余熱處理生產(chǎn)

在現(xiàn)有的連軋生產(chǎn)線上，采用粗-中-精軋之間細(xì)晶粒鋼生產(chǎn)的溫控裝置，及軋后余熱處理裝置。通過控制軋制和控制冷卻的方法達(dá)到鋼筋的綜合性能要求。

在軋件離開終軋機架后，進(jìn)入高速冷卻裝置。通過強烈的快速冷卻，使鋼筋表面層形成一定厚度的淬火馬氏體，而芯部仍為奧氏體。當(dāng)鋼筋離開冷卻器后，芯部的余熱向鋼筋表層擴散，表層馬氏體自回火，根據(jù)確定自回火溫度的不同而轉(zhuǎn)變成回火馬氏體或回火索氏體。

當(dāng)鋼筋在冷床上緩慢自然冷卻時，由于鋼筋表層與芯部的溫度差較大，導(dǎo)致芯部奧氏體發(fā)生相變，形成晶粒細(xì)小的鐵素體和珠光體，或形成鐵素體和索氏體，以達(dá)到提高鋼筋綜合力學(xué)性能的目的。在軋制過程中，鋼筋終軋溫度與自回火溫度的確定和有效控制是軋后余熱處理工藝實施的關(guān)鍵。

經(jīng)過多次調(diào)試、試驗，最后確定在終軋溫度980～1000℃，自回火溫度600～630℃時，鋼筋的綜合性能最佳。其指標(biāo)為（力學(xué)性能）：屈服強度在600～630MPa，抗拉強度在 720～740MPa，延伸率在20%～22%。

4.2.2 采用熱軋生產(chǎn)

熱軋生產(chǎn)選用的是由清華大學(xué)貝氏體試驗室研制出的一種低碳高錳新鋼種，由于冶煉工藝復(fù)雜，工藝要求高，只進(jìn)行了小批量試制，性能完全符合要求。其試驗結(jié)果為（力學(xué)性能）：屈服強度在600～650MPa，抗拉強度在 710～760MPa，延伸率在20%～23%。

4.2.3 鋼筋外形的設(shè)計

經(jīng)研究確定的外形無縱肋錨桿鋼筋，能與專用錨具連接使用，并且錨桿的連接要比一般的精軋鋼筋連接緊固，鋼筋與錨具之間框量小，為達(dá)到這一要求，山東兗礦提出錨桿鋼橫肋間距8 mm，間距公差在±0.2 mm，要想熱軋達(dá)到該要求，其外形的設(shè)計至關(guān)重要。我們通過對軋制過程中前滑、后滑對軋件的影響，找出影響系數(shù)，從而確定軋輥的工作輥徑和銑槽數(shù)，軋輥外圓尺寸精度控制在±0.1 mm；軋制變形工藝采用較小的平均延伸系數(shù)，確保軋件變形過程穩(wěn)定可靠；對鋼坯的加熱工藝嚴(yán)格控制，保證了整支鋼坯加熱均勻，以減小由于溫度波動而引起的軋件尺寸變化。

5 研制成果

經(jīng)過近5次反復(fù)的試制，共生產(chǎn)錨桿近500余噸，其鋼種及性能指標(biāo)總結(jié)見表1、表2。

從以上數(shù)據(jù)看，兩種材質(zhì)均能滿足要求，并且性能穩(wěn)定。

外形尺寸：實測內(nèi)徑大面19.6～19.4 mm，小面19.2～18.9 mm，螺紋筋高 1.4～1.6 mm，螺距 7.9～8.1 mm，鋼筋外形尺寸控制穩(wěn)定。

表1 采用原料一的試驗數(shù)據(jù)

表2 采用原料二的試驗數(shù)據(jù)

6 結(jié)論

錨桿生產(chǎn)的材料一，材料二均能滿足其性能要求，但材料二冶煉工藝復(fù)雜，成本高。錨桿鋼的軋制工藝設(shè)計合理，橫肋的節(jié)距選擇符合采礦支護(hù)的需求。錨桿鋼的力學(xué)性能較穩(wěn)定，但應(yīng)進(jìn)一步提高延伸率到23%以上。

Trail and Development of Reinforced Bar for Mine-used Spiral Rib Anchor Bolt

HE Yun-xue

(Tianjin Tiantie ZhaEr Steel Co.,Ltd.,Tianjin 300400,China)

In order to meet the requirement of high strength and toughness of anchor bolt for supports in coal mines and the precision requirement of spiral rib outline dimension,reinforced bar for spiral rib anchor bolt with high strength and toughness was successfully developed by utilizing low alloy raw material，low carbon and high manganese alloy raw material and adopting processes of hot rolling and post-rolling waste heat treatment.The requirement of property and outline dimension by anchor bolt for supports in coal mines was met.A new choice is provided for mine-used anchor bolt.

mine-used anchor bolt;reinforced bar;controlled cooling;hot rolling;development

10.3969/j.issn.1006-110X.2014.03.005

2014-01-05

2014-02-03

何云雪（1963—），男，工程師，主要從事冶金技術(shù)管理工作。