礦用7號π型鋼與HDJB型金屬頂梁的研制

周俊良

(天地科技股份有限公司，北京100013)

我國煤礦地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、賦存多樣化，不同支護(hù)設(shè)備使用條件要求不同，因此除了地質(zhì)條件較好的綜采工作面使用液壓支架支護(hù)外，相當(dāng)數(shù)量的高檔普采工作面廣泛使用的是單體液壓支柱與金屬頂梁配套支護(hù)。

上世紀(jì)70年代末，80年代初，我國煤礦支護(hù)改革重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)采煤工作面支護(hù)產(chǎn)品液壓化。由于單體液壓支柱作為摩擦式金屬支柱更新?lián)Q代產(chǎn)品的大量推廣應(yīng)用，金屬頂梁損壞報(bào)廢率上升，研制強(qiáng)度較大的π型鋼才提到日程上來。為此，上世紀(jì)90年代初，煤炭科學(xué)研究總院北京開采所HDJB型金屬頂梁的研制成功及推廣應(yīng)用，為批量軋制7號π型鋼創(chuàng)造了條件，并且與有關(guān)鋼廠合作，利用電弧煉鋼爐冶煉鋼水澆注的27SiMn鋼錠，軋制出了高強(qiáng)度的礦用7號π型鋼。

1 礦用7號π型鋼軋制

礦用7號π型鋼屬周期斷面鋼材，即在同一鋼材上沿縱向作周期性變化的鋼材，這類鋼材可在一般軋機(jī)上進(jìn)行軋制[1]。因π型鋼形狀復(fù)雜，工藝難度大。要選擇合適的軋鋼孔型系統(tǒng)，孔型設(shè)計(jì)是型鋼生產(chǎn)中的一項(xiàng)極其重要的工作，其直接影響著成品的質(zhì)量，軋機(jī)的生產(chǎn)能力、產(chǎn)品的成本、勞動(dòng)條件和勞動(dòng)強(qiáng)度[2]。根據(jù)軋機(jī)設(shè)備及生產(chǎn)條件，確定了孔型設(shè)計(jì)采用彎折孔型系統(tǒng)和軋鋼工藝。

1.1 軋制7號π型鋼孔型與道次的確定

由于鋼廠自產(chǎn)鋼錠的斷面較小，軋機(jī)的軋制能力不足，因此不能按軋制形狀簡單的型鋼那樣來確定孔型，直接軋出所需型鋼。只能先利用初軋孔型使鋼錠斷面逐步變形收縮成型鋼模樣，再利用精軋孔型達(dá)到π型鋼最終形狀。為了合理配置孔型，在橫列式軋機(jī)上，由于前幾道軋件短，軋件在孔型中軋制時(shí)間也短，所以頭一架可以多布置幾個(gè)孔型(道次)，而在接近成品孔型時(shí)，由于軋件較長，則機(jī)架上就應(yīng)少布置孔型(道次)，這樣可使各機(jī)架的軋制時(shí)間均衡[2]。因此，確定軋鋼機(jī)熱軋礦用7號π型鋼所需要的道次和孔型為：1～4道為開坯孔型；5～7道為延輾孔型；8～10道為成型孔型；11道為軋花邊孔型；12道為精軋孔型。軋制好的π型鋼成品斷面形狀如圖1，頂部花邊如圖2所示。

圖1 π型鋼斷面形狀

圖2 頂部花邊形狀

1.2 軋制7號π型鋼設(shè)備及生產(chǎn)工藝

(1)生產(chǎn)工藝流程 電弧爐煉鋼→澆注鋼錠→鋼錠加熱→型鋼粗軋→型鋼精軋→型鋼定尺→型鋼校直→型鋼打梱入庫。

(2)主要設(shè)備 加熱爐2.3m×20m；軋輥直徑φ400mm軋機(jī)3架；軋輥直徑φ300mm軋機(jī)1架；φ300mm12輥校直機(jī)1架。

(3)工藝參數(shù)與鋼錠尺寸 加熱溫度1050℃；均熱溫度1000℃；出爐溫度950℃；鋼錠尺寸0.125m×0.125m×2m。

(4) 礦用7號π型鋼化學(xué)成分和力學(xué)性能 對于7號π型鋼而言，必須滿足使用要求和技術(shù)性能，如斷面形狀尺寸、機(jī)械性能、化學(xué)成分等。π型鋼軋制出來以后，進(jìn)行了全面檢測。其檢驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1、表2、表3。

表1 27SiMn鋼化學(xué)成分 %

表2 27SiMn鋼力學(xué)性能

表3 π型鋼外形尺寸檢測數(shù)據(jù)

從表中檢測的數(shù)據(jù)可以看出礦用7號π型鋼化學(xué)成分、力學(xué)性能和外形尺寸都達(dá)標(biāo)。

2 HDJB型金屬頂梁的研制

2.1 HDJB型金屬頂梁梁體結(jié)構(gòu)

金屬頂梁梁體由上下2塊π型鋼對焊而成。斷面結(jié)構(gòu)如圖3所示。主要特點(diǎn)是：

圖3 梁體斷面結(jié)構(gòu)

(1)梁體采用π型鋼焊成，斷面似箱形。而且焊縫只有2條，易焊接，質(zhì)量能保證。

(2)焊縫分布在梁體的中性面，受力小，變形量小，焊縫不會壓裂開，梁體不會損壞。

(3)梁體斷面結(jié)構(gòu)合理，穩(wěn)定性好，承載受壓后，不易產(chǎn)生扭曲和壓扁。一般情況下，梁體只有彎曲變形，可以調(diào)直修復(fù)，提高頂梁的使用率。

2.2 技術(shù)參數(shù)的確定

根據(jù)與單體液壓支柱的配套要求，確定HDJB型金屬頂梁技術(shù)參數(shù)為：梁體截面高度0.09m；頂梁梁體長度1m；頂梁最小載荷300kN；頂梁最大載荷400kN；頂梁破壞載荷440kN；頂梁反復(fù)加載載荷330kN。

2.3 制造工藝參數(shù)的確定

HDJB金屬頂梁需要進(jìn)行梁體的焊接和熱處理。采用一定的焊接工藝方法將上下2塊π型鋼焊接成新的結(jié)構(gòu)形體。而梁體的熱處理是通過加熱、保溫和冷卻的方法，使鋼的內(nèi)部組織發(fā)生變化，從而得到所需要性能的一種方法[3]。經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理，梁體上下表面的硬度要達(dá)到HB300～350的設(shè)計(jì)的要求，才能有較高的抗彎強(qiáng)度。

(1)焊接工藝參數(shù) 電壓18～39V；電流380～400A；采用直徑1.2mm SQJ501焊絲；工藝裝備為組裝胎；CO2氣體保護(hù)焊機(jī)。

(2)熱處理淬火工藝參數(shù) 熱處理設(shè)備為箱式淬火爐；裝爐溫度900℃；加熱溫度900～910℃；保溫時(shí)間75min；冷卻介質(zhì)為水；冷卻溫度<30℃。

(3)熱處理回火工藝參數(shù) 熱處理設(shè)備為箱式回火爐；加熱溫度470～540℃；保溫時(shí)間85min；冷卻介質(zhì)為水；冷卻溫度<30℃。

3 HDJB型鋼金屬頂梁梁體設(shè)計(jì)計(jì)算

在進(jìn)行金屬頂梁梁體的設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到π型鋼梁體是對稱的，因此，只取梁體的上部π型鋼來進(jìn)行計(jì)算。按圖4所示的π型鋼斷面，對梁體進(jìn)行截面幾何性質(zhì)、梁體抗彎強(qiáng)度的計(jì)算[4]。

圖4 梁體截面計(jì)算

3.1 梁體截面積

式中，SCP為型鋼截面積；Smin為梁體最小截面面積；Smax為梁體最大截面面積。

Smin=S1min+S2min

S1min=S2min

Smax=S1max+S2max

S1max=S2max

S1min=S2min=2(S1+…S6)=1.23×10-3(m2)

S1max=S2max=2(S1+…S8)=1.31×10-3(m2)

梁體截面積S=2SCP=2.54×10-3(m2)

3.2 梁體截面慣性矩

式中，IXmin，IXmax為x軸大小慣性矩；IYmin，IYmax為y軸大小慣性矩。

IXmin=4(Ix1+…Ix6)=2.85×10-6(m4)

IYmin=4(IY1+…IY6)=1.64×10-6(m4)

IXmax=4(IX1+…IX8)=3.22×10-6(m4)

IYmax=4(IY1+…IY8)=2.10×10-6(m4)

3.3 梁體斷面系數(shù)

WXmin=IXmin/H1=6.35×10-5(m3)

WXmax=IXmax/H1=7.17×10-5(m3)

WXCP=IXCP/H1=6.87×10-5(m3)

WYmin=IYmin/H2=3.96×10-5(m3)

WYmax=IYmax/H2=5.06×10-5(m3)

WYCP=IYCP/H2=4.65×10-5(m3)

3.4 梁體許用彎矩

π型鋼經(jīng)過焊接成頂梁梁體，其材質(zhì)為27SiMn低合金結(jié)構(gòu)鋼，按熱處理規(guī)范要求，需要920℃水淬，450℃水冷回火，熱處理調(diào)質(zhì)硬度HB300～350, 強(qiáng)度條件[σb]≥1000～1150MPa和[σs]≥850～1050MPa，計(jì)算出梁體許用彎矩為：

MXmin=[σSmin]·WXCP=58.37(kN·m)

MXmax=[σSmax]·WXCP=72.11(kN·m)

MXCP=[σSCP]·WXCP=65.24(kN·m)

3.5 梁體集中截荷

式中，P為梁體中間集中載荷,kN；L為支點(diǎn)跨矩，0.7m。

PXmin=4MXmin/L=333.54(kN)

PXmax=4MXmax/L=412.06(kN)

PXCP=4MXCP/L=372.8(kN)

綜合考慮7號π型鋼軋材的斷面積和斷面系數(shù)等因素，設(shè)計(jì)確定HDJB型金屬頂梁梁體的最小承載能力300kN，梁體最大承載能力400kN。

4 HDJB型金屬頂梁試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)HDJB型金屬頂梁抗彎性能，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了金屬頂梁承載能力試驗(yàn)。根據(jù)MT30-92金屬頂梁標(biāo)準(zhǔn)，選擇長度為1m的金屬頂梁，試驗(yàn)在材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行[5]。對金屬頂梁采用中心加載的試驗(yàn)方法，如圖5所示，全面檢測了金屬頂梁設(shè)計(jì)的各項(xiàng)承載能力，其結(jié)果見表4。

圖5 金屬頂梁中心加載試驗(yàn)

試件編號梁體最小承載能力梁體最大承載能力梁體破壞載荷梁體反復(fù)加載10.46完好未脆斷未損壞20.46完好未脆斷未損壞30.23完好未脆斷未損壞40.2完好未脆斷未損壞50.03完好未脆斷未損壞備注:加載300kN梁體殘余變形≤0.5mm加載400kN梁體狀態(tài)≥440kN梁體狀態(tài)加載330kN,卸載,翻轉(zhuǎn)180°,反復(fù)35次,梁體狀態(tài)

實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果表明，用7號π型鋼制作的HDJB型金屬頂梁各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合MT30-92金屬頂梁標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié)論

(1)礦用7號π型鋼，合理的截面尺寸，具有優(yōu)良的力學(xué)性能和使用性能，為金屬頂梁制造企業(yè)提供了專用鋼材。用7號π型鋼生產(chǎn)的HDJB型金屬頂梁，制造加工方法簡單，工藝易于實(shí)施。

(2)HDJB型金屬頂梁梁體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，性能可靠，提高了金屬頂梁的抗彎強(qiáng)度，能夠滿足單體液壓支柱配套使用的要求。

[參考文獻(xiàn)]

[1]劉占英.軋鋼[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1995.

[2]趙松筠，唐文林.型鋼孔型設(shè)計(jì)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1993.

[3]軋鋼生產(chǎn)基礎(chǔ)知識[M].北京:中國勞動(dòng)工業(yè)出版社,1990.

[4]機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M].北京:機(jī)械冶金工業(yè)出版社,1993.

[5]MT30-92.金屬頂梁[S].