礦用樹脂錨桿鋼筋加工失效研究

趙璟珠

（山西建邦集團有限公司軋材廠，山西曲沃 043400）

1 引言

錨桿支護是煤礦井巷中的一項重要支護技術(shù)，目前已發(fā)展成為煤礦井巷的主要支護形式之一。樹脂錨桿用熱軋鋼筋（簡稱錨桿鋼筋）主要用于支護錨桿的桿體，具有較大的市場容量和較高的附加值。我公司于2002年1月份開始研發(fā)，目前已形成335、400、500、600 MPa 強度級別的系列產(chǎn)品，2011年產(chǎn)達48 萬t，成為全國最大的錨桿生產(chǎn)基地。

多年來公司產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，用戶滿意，銷量持續(xù)攀升，樹脂錨桿用熱軋鋼筋被授予“2007年度山東名牌產(chǎn)品”稱號，但近年來偶爾出現(xiàn)了性能指標符合要求而桿體加工端開裂、脆斷的現(xiàn)象。盡管失效原因與桿體加工、施工安裝、材料本身等多方面因素有關(guān)，但檢驗發(fā)現(xiàn)該類錨桿鋼筋沖擊韌性較差、鋼筋中心橫向裂紋較多占主要因素。為實現(xiàn)錨桿鋼筋加工質(zhì)量穩(wěn)定，適應煤礦井巷深井支護技術(shù)的發(fā)展，山東石橫特鋼提出礦用樹脂錨桿鋼筋加工失效研究。

2 失效現(xiàn)狀分析

2.1 生產(chǎn)工藝流程

樹脂錨桿鋼筋主要性能指標的衡量通常以普通熱軋帶肋鋼筋的性能指標為依據(jù)，沒有對其根據(jù)自身使用特點做專門研究。石橫特鋼在開發(fā)過程中，不斷完善用戶要求，對錨桿鋼筋中心裂紋、沖擊韌性、鋼筋組織、晶粒度等提出新的要求，錨桿生產(chǎn)必須研究新工藝及其技術(shù)參數(shù)。

錨桿鋼筋生產(chǎn)工藝流程如下：

60 t 轉(zhuǎn)爐冶煉→50 tLF 精煉→軟吹氬→R9 m連鑄→雙蓄熱式加熱爐加熱→高壓水除磷→粗軋→中軋→精軋→3#飛剪倍尺分段→冷床冷卻→650 t 冷剪剪切成定尺→包裝。

2.2 現(xiàn)狀分析

2.2.1 對擠壓縮頸→滾絲加工方式

（1）對某加工企業(yè)500 MPa 級別錨桿鋼筋經(jīng)擠壓縮徑→滾絲后，在帶螺帽進行拉伸試驗過程中，在尚未達到最大力時錨桿桿體在螺紋附近斷裂，試樣斷口平齊，斷裂源位于擠壓縮頸后的肋部變形處，試樣無明顯縮頸，屬脆性斷裂。

（2）通過對錨桿鋼筋進行拉伸試驗，發(fā)現(xiàn)未加工的鋼筋斷口正常，有明顯縮徑，延伸率可達22%～23%，符合標準要求，而經(jīng)擠壓縮徑后出現(xiàn)脆性斷裂。

化學成分力學性能見表1。

表1 化學成分力學性能

（3）化學成分、力學性能均符合技術(shù)條件要求。對出現(xiàn)問題的鋼材經(jīng)酸洗后觀察試樣：通過對金相組織的高倍檢驗，鐵素體呈網(wǎng)狀沿晶界析出見圖1、圖2。

圖1 試樣橫截面中心組織（中心偏析）（100x)

圖2 試樣橫截面直徑1/4處組織（100x)

試樣橫截面中心部位組織為珠光體+網(wǎng)狀、塊狀鐵素體，實際晶粒度為5.0級，試樣橫截面其他部位組織為珠光體+網(wǎng)狀、塊狀鐵素體，實際晶粒度為5.5～6.0級；高倍下觀察試樣肋部變形處，肋部組織沿受力方向變形，在肋根部與內(nèi)徑形成斜向里的、與試樣軸線大約呈30°夾角的裂紋，在未變形肋部未發(fā)現(xiàn)此類裂紋。

錨桿橫截面低倍試樣未發(fā)現(xiàn)橫截面裂紋；材料沖擊韌性較差，經(jīng)檢測常溫沖擊功僅為8J、11J。

2.2.2 對壓圓→滾絲加工方式

（1）對400 MPa 級Φ18 mm 錨桿鋼筋100 支樣品進行低倍檢驗和壓圓→滾絲試驗，對檢驗結(jié)果統(tǒng)計分析如下，壓圓→滾絲實驗見表2。

（2）裂紋長度大于5mm的試樣7支，距離邊緣小于3mm的試樣12支，共開裂4支，說明裂紋長度大于5mm，距邊緣距離小于3mm的試樣容易發(fā)生滾絲壓圓開裂（斷裂）。因此錨桿鋼筋標準中增加中心橫向裂紋級別的要求。

3 失效原因分析

從錨桿鋼筋加工后出現(xiàn)的斷裂、裂紋產(chǎn)生的現(xiàn)象分析，主要表現(xiàn)在鋼筋中心大尺寸的橫向裂紋、大量的網(wǎng)狀鐵素體組織、粗大晶粒、偏低的韌性。要消除錨桿加工失效，必須在如何消除中心裂紋及不良組織的產(chǎn)生，細化晶粒、提高錨桿鋼筋韌性著手，同時需優(yōu)化改進二次加工工藝。

3.1 鋼筋中心裂紋

鋼筋中心裂紋主要來自于鋼坯角部裂紋和連鑄坯熱裝開裂。

3.1.1 鋼坯角部裂紋

在鋼坯生產(chǎn)過程中，鋼坯脫方產(chǎn)生的對角線裂紋和結(jié)晶器冷卻不均產(chǎn)生的角部裂紋在軋制過程中無法消除，是鋼材裂紋產(chǎn)生的主要原因[1]。同時與鑄坯在二冷區(qū)的冷卻結(jié)晶凝固有直接關(guān)系，在液相區(qū)內(nèi)夾雜物在枝晶處析出或裂紋處聚集，所以裂紋延伸的區(qū)域即夾雜物聚集的區(qū)域，在軋制后，鋼材上表現(xiàn)為裂紋或者發(fā)紋并且裂紋區(qū)伴隨有夾雜物。

表2 壓圓→滾絲實驗

（1）鑄坯角部裂紋的形成原因

鑄坯角部裂紋形成有以下原因，其一,鋼坯角部裂紋是在結(jié)晶器內(nèi)萌生，在二冷水的高強度冷卻下加重的。坯殼在結(jié)晶器內(nèi)冷卻不均勻，導致形成的坯殼厚薄不一，出結(jié)晶器在高強度的0段水冷卻下，坯殼薄弱位置傳熱快，導致坯殼薄弱區(qū)和其他位置冷卻不一致，因為冷卻強度較大，薄弱區(qū)的收縮幅度較大，其內(nèi)部形成裂紋。而結(jié)晶器冷卻不均勻一般出現(xiàn)在角部，所以鑄坯角部容易形成裂紋，即角部裂紋。其二,鑄坯角部裂紋一般距離鑄坯表面15mm左右，在結(jié)晶器內(nèi)鑄坯形成的坯殼一般在15mm左右，也就是說角部裂紋肯定是在0段和I段冷卻區(qū)形成的，因為鑄坯在此冷卻區(qū)域冷卻強度較大，如果0段噴淋集管和I段噴淋集管不對中，勢必造成鑄坯嚴重的角部裂紋。

（2）角部裂紋對軋材的影響

鑄坯角部裂紋和其他內(nèi)部裂紋相比在走向和位置上有著其特殊性，一般角部裂紋較寬，長度較短，并且角部裂紋走向一般沒有規(guī)律，不垂直于鑄坯表面的占大多數(shù)（如圖3）。結(jié)合棒材在軋制工藝上調(diào)整為無槽軋制，在軋制變形中角部裂紋兩側(cè)的鑄坯形成相對移動，導致角部裂紋在軋制過程中有向鑄坯表面延伸的趨勢，當這種相對移動的趨勢較大的時候（角部裂紋延伸至鑄坯表面），角部裂紋在軋材上表現(xiàn)為鋼材表面嚴重的裂紋。

圖3 鑄坯角部裂紋

3.1.2 鋼坯熱送熱裝過程中產(chǎn)生的開裂

現(xiàn)代化鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)方式緊湊，生產(chǎn)節(jié)奏快，連鑄坯經(jīng)熱送熱裝后，直接經(jīng)加熱爐加熱后軋制成材。在熱送熱裝過程中經(jīng)常出現(xiàn)“熱裝開裂”現(xiàn)象。C-Mn-Si系低合金鋼熱裝開裂的形成機理是：網(wǎng)狀鐵素體膜增長并消融后，在奧氏體晶界處生成“顯微孔洞或疏松缺陷”，加之氧化燒損及應力作用,使裂紋向深度方向擴展，從而造成鑄坯表面沿晶界開裂[2]。

3.2 生產(chǎn)工藝不合理鋼筋產(chǎn)生網(wǎng)狀鐵素體組織

鋼筋網(wǎng)狀鐵素體組織、粗大晶體、偏低的韌性。從檢驗的表象反映問題主要集中在鋼筋中不良組織引起加工過程脆性斷裂。其實質(zhì)由于忽略錨桿鋼筋二次加工的需要及對沖擊韌性的要求，采取與同一級別熱軋帶肋鋼筋相同的常規(guī)生產(chǎn)工藝組織生產(chǎn)，開軋溫度控制在1100～1250℃，自然冷卻。

在軋制過程中，受開軋溫度、鋼筋冷卻、化學成分等影響其加工性能。通過對鋼材脆斷檢驗結(jié)果來看，可斷定主要是大量網(wǎng)狀鐵素體造成，網(wǎng)狀鐵素體可顯著增加鋼材脆性，降低其冷加工能力[3]。由于錨桿鋼筋軋制過程中終軋溫度偏高，冷卻速度慢，使奧氏體晶界長大速度大于向晶內(nèi)長大速度，從而形成網(wǎng)狀鐵素鐵。

由于采用與普通螺紋相同的軋制控制工藝，開軋、終軋溫度過高，冷卻速度緩慢，奧氏體晶粒長大迅速，使軋后鋼筋晶粒粗大，韌性偏低。

3.3 材料塑性差影響二次加工

在二次加工過程中，擠壓縮頸部位（橫肋根部）易造成折疊，當材料塑性相對較差時，會進一步誘發(fā)向內(nèi)延伸的裂紋，此裂紋在材料進行塑性變形時會快速向內(nèi)發(fā)展，造成脆斷。

4 防止措施

4.1 提高結(jié)晶器維修質(zhì)量和噴淋集管維護

連鑄坯生產(chǎn)時，提高結(jié)晶器維修質(zhì)量，控制好結(jié)晶器幾何形狀防止變形，保證結(jié)晶器水縫均勻，提高鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)的冷卻效果。安裝0段噴淋集管時要有數(shù)據(jù)記錄，及時淘汰尺寸出入較大的0段噴淋集管。制定噴嘴更換明細和噴淋集管維護記錄，保證噴嘴使用周期不超過4天，噴淋集管嚴格對中，杜絕角部裂紋缺陷。

4.2 避開熱裝開裂的裝爐溫度區(qū)間調(diào)整化學成分

降低連鑄二冷區(qū)冷卻強度,使鑄坯表面保持在較高溫度,可以降低熱裝開裂傾向。在連鑄坯熱送情況下避開熱裝開裂的裝爐溫度區(qū)間,即600～720℃。調(diào)整化學成分，特別是C、Si、Mn、Al、S元素，要控制在一個合適的水平。Si元素對熱裝脆性的影響很大,隨其含量降低,熱裝脆性明顯減小或消失；Al、S元素隨含量增加,熱裝脆性增強。

4.3 采用控軋控冷的工藝

細化晶粒、消除網(wǎng)狀鐵素體提高韌性指標，細化晶粒對韌性指標和強度指標產(chǎn)生正疊加效應[4]，網(wǎng)狀鐵素體顯著增加鋼材脆性。軋鋼生產(chǎn)時采用控軋控冷的工藝，加熱溫度較常規(guī)工藝下降100～150℃，開軋溫度下調(diào)100℃，降低終軋溫度，終軋溫度控制在950℃以下；同時加快軋后冷卻速度，使網(wǎng)狀鐵素體來不及析出，保證了相變溫度區(qū)域；軋后錨桿鋼筋經(jīng)穿水箱快速冷卻，使上冷床溫度比常規(guī)工藝降低130℃左右，大大提高了鋼筋的控制冷卻效果，使鋼的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)均勻、晶粒細小，并起到消除內(nèi)應力的作用。并研究冷送與熱送的差異，制定差異化的加熱制度，防止網(wǎng)狀鐵素鐵組織的產(chǎn)生。經(jīng)檢驗，按控軋控冷工藝組織生產(chǎn)金相組織為珠光體+鐵素體，且鐵素體分布均勻，無異常組織；晶粒組織9.5 級且晶粒大小均勻，見圖4。

圖4 MG500礦用樹脂錨桿鋼筋金相組織

4.4 推廣全螺紋等強錨桿

對滾絲工藝易產(chǎn)生開裂、斷裂等缺陷，推廣應用無需二次加工的全螺紋等強錨桿。全螺紋等強度錨桿是一種新型錨桿，其最主要優(yōu)點是桿體不需二次加工緊固螺紋，不僅簡化了生產(chǎn)工藝，還實現(xiàn)了桿體全長等強，克服了常規(guī)錨桿受拉時產(chǎn)生應力集中區(qū)而使桿體強度降低的缺點，另外，較大的螺距可使錨桿安裝速度提高。在使用時，經(jīng)加熱軋制的梯形螺紋鋼筋直接截取而成，整個桿體全長有效受力面積相等，當用于巷道支護后桿體承載力超過桿體屈服荷載時，整個桿體全長延伸，桿體屈服荷載較大，且有效延伸長度也較大，桿體受力卸載及緩沖效果較好，所以桿體不易斷裂。另外，全螺紋等強錨桿螺母及托盤的接觸面為球面，桿體受力后通過螺母傳遞到托盤上，由托盤作用于巷道壁上，使托盤承載較均勻，且緩沖效果好，因此能取得良好的支護效果。

5 應用效果

5.1 可加工性能

錨桿鋼筋需要加工成樹脂錨桿桿體。國內(nèi)煤炭系統(tǒng)錨桿尾部螺紋的加工一般是采取車絲和滾絲加工工藝。由于車絲加工造成錨桿尾部絲扣部分有效截面積減小，其抗拉強度遠低于錨桿桿體(降低30%～35%)，因此，現(xiàn)普遍采用滾絲工藝進行加工。在兗礦采用壓圓→滾絲加工工藝對Φ22 mm 規(guī)格MG500 進行了現(xiàn)場試驗，見表3。試驗結(jié)果合格，加工錨桿無開裂現(xiàn)象。

表3 MG500Φ22mm錨桿鋼筋可加工性檢驗表

5.2 井下支護試驗

在-1 400 m 的高地壓煤礦井巷進行支護試驗，無脆斷現(xiàn)象發(fā)生，無其他斷桿現(xiàn)象，支護效果良好。

6 結(jié)論

由于錨桿鋼筋支護前需滾絲加工的特點及其用途特性，組織生產(chǎn)方式應該與普通螺紋鋼筋常規(guī)生產(chǎn)方式不同，需有針對性的控制煉鋼連鑄過程中由于冷卻不均勻造成的角部裂紋、避免熱裝開裂、軋制過程中通過控軋控冷細化晶粒、消除網(wǎng)狀鐵素體、提高材料沖擊韌性。

提高錨桿鋼筋綜合機械性能，可有效防止其二次加工過程中失效，同時可增強錨桿鋼筋在井巷支護時的可靠性，提高使用壽命，并適應了我國深井錨桿支護的需要。

[1]肖純.熱軋帶肋鋼筋裂紋分析[J].貴州工業(yè)大學學報（自然科學版），2003（10）：16-18.

[2]齊長發(fā).C-Mn-Si 系低合金鋼熱裝裂紋形成機理研究及應用[J].科技成果，2010（1）：20-24.

[3]李曉鵬.網(wǎng)狀鐵素體對盤條性能的影響[J].金屬制品，1999（2）：27.

[4]袁永文.樹脂錨桿鋼筋沖擊韌性研究[J].軋鋼，2009（10）：23.