Q22、Q25mmCr-Ni-Mo、Cr-Ni-W系列正七邊形中空釬鋼的研發(fā)

張國(guó)櫸 ，葉凌云 ，鄒文 ，方軍 ，趙長(zhǎng)有 ，張漢斌 ，熊波 ，尹和平

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）掘進(jìn)工程研究所，湖北 武漢 430074；2.湖北嘉裕釬具股份有限公司，湖北嘉魚(yú) 437200；3.黃石市冶鋼設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 黃石 435001；4.大冶鋼廠鋼鐵研究所，湖北 黃石 435001；5.中國(guó)科學(xué)院金屬研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110016）

（上接2017年第3期第61頁(yè)）

6 Q22、Q25mm釬鋼軋制工藝的選取

現(xiàn)有技術(shù)在中空釬鋼的軋制工藝方面，國(guó)外仍以瑞典Sandvik公司為代表，采用的是“鋼坯鉆孔-帶芯熱軋法”，簡(jiǎn)稱“鉆孔法”。該法將精煉鋼圓坯扒皮、鉆通孔后，插入高錳鋼芯棒，然后用燃油或燃?xì)饧訜?，在專用的多臺(tái)短應(yīng)力線軋機(jī)上，經(jīng)過(guò)19～21道次軋成內(nèi)切圓直徑φ19、φ22、φ25、φ28、φ32、φ35、φ38 mm 的六邊或直徑為 R32、R39、R46、R52 mm 的圓形中空釬鋼。 瑞典人用此法生產(chǎn)中空釬鋼的歷史已超過(guò)了100年，現(xiàn)用軋機(jī)系統(tǒng)定型于1975年，曾進(jìn)行過(guò)兩次大的技術(shù)改造，主要是提高產(chǎn)品精度和增加在線檢測(cè)設(shè)備，加大坯料尺寸和提高生產(chǎn)能力，其工藝路線一直維持不變。其生產(chǎn)過(guò)程和軋制工藝流程是：50噸電爐冶煉→鋼包爐外精煉→真空爐脫氣→連鑄方坯→開(kāi)坯軋制（圓坯尺寸：φ122×1340、φ132×1380、φ146×1340 mm）→圓坯扒皮→圓坯鉆中心通孔→裝高錳鋼芯棒→油氣加熱→可逆式二輥軋機(jī)粗軋 （9道次）→三輥軋機(jī)中間軋制→七架平立輥短應(yīng)力軋機(jī)精軋成材→在線檢測(cè)→冷床控冷→剪頭抽芯→校直→定尺→精整、終檢、包裝入庫(kù)。該中空釬鋼生產(chǎn)線平面布置呈Z字形，見(jiàn)圖2。我們認(rèn)為：此法工藝成熟，圓坯扒皮、鉆孔使坯料鋼質(zhì)更好，多道次無(wú)張力縱軋，使成材組織和應(yīng)力狀態(tài)良好，產(chǎn)品幾何尺寸精度高，內(nèi)外表面質(zhì)量好。加上其在鋼種、冶煉和制釬工藝方面的經(jīng)驗(yàn)積累，故其整釬、釬桿的成品質(zhì)量長(zhǎng)期居于世界領(lǐng)先水平，迄今沒(méi)有遇到大的挑戰(zhàn)。但正因?yàn)槿绱耍溟L(zhǎng)期不變的工藝流程也有不足之處：①此法工藝復(fù)雜，要求很高的管理水平；②明火加熱，對(duì)鋼質(zhì)和環(huán)境有不利影響；③現(xiàn)代技術(shù)提高鋼質(zhì)并非必須扒皮、鉆孔不可，采用鉆孔、扒皮工藝使釬鋼成材率降低了約12%～15%；④需要配備大量的鉆孔、扒皮專用設(shè)備，鉆孔所用的φ30～φ48 mm噴吸式鉆頭耗量很大 （每支僅能鉆孔18～25 m）；⑤需要增加制備和回收80Mn14高錳鋼芯材的冶軋工藝和設(shè)備；⑥需要增加抽芯工藝和設(shè)備，又進(jìn)一步降低了釬鋼成材率。⑦不能用作生產(chǎn)其它系列的厚壁管材。因此，該工藝生產(chǎn)流程長(zhǎng)，設(shè)備投資多，設(shè)備有效利用率較低，鋼材浪費(fèi)大，產(chǎn)品成本高，還有一定的環(huán)境污染。

圖2 瑞典Sandvik公司“鉆孔法”中空釬鋼生產(chǎn)工藝及生產(chǎn)線平面布置示意圖

國(guó)內(nèi)目前生產(chǎn)中空釬鋼的軋制工藝有四種：（1）“鑄管法”。此法源于50年代末，目前只能生產(chǎn) H22、H25、R32、R38 mm 等部分釬鋼產(chǎn)品，優(yōu)點(diǎn)是無(wú)張力帶芯縱軋，軋材組織比較致密，其H22mm釬桿國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率較高。缺點(diǎn)是坯料存在鑄造缺陷，內(nèi)孔不圓，成材率低，需要成套芯材冶軋和抽芯設(shè)備，生產(chǎn)成本較高。此法生產(chǎn)的中空釬鋼內(nèi)在和外觀質(zhì)量與國(guó)際先進(jìn)水平差距較大，不適合制造長(zhǎng)壽命的釬桿和整體釬；（2）“熱穿-熱拔法”。此法源于70年代中期，由兩輥斜軋穿孔、減徑、軋頭、拉拔等工序組成，優(yōu)點(diǎn)是省去了冶軋芯材和抽芯工藝及設(shè)備，內(nèi)孔較圓正，生產(chǎn)成本較低。其最大缺點(diǎn)是斜軋穿孔和荒管拉軋過(guò)程形成了很大的拉應(yīng)力，在釬鋼內(nèi)孔壁留下了較深的螺旋形微裂紋，軋頭降低了釬鋼成材率。后來(lái)新?lián)徜搹S的科技人員對(duì)此工藝作了較大改進(jìn)，斜軋穿孔后增加了一道三輥帶芯斜軋減徑工序，使釬鋼內(nèi)孔表面質(zhì)量有很大改善，所產(chǎn)釬桿壽命已有大幅度提高。但在質(zhì)量、品種方面與瑞典所代表的國(guó)際先進(jìn)水平相比，仍有較大差距；（3）“熱穿-冷拔法”。此法需配備大量的熱處理設(shè)備，能耗大，成本高，生產(chǎn)效率低，只能生產(chǎn)少量釬鋼產(chǎn)品；（4）“熱穿-熱軋法”。此法是改革開(kāi)放后各方面專家根據(jù)中國(guó)當(dāng)時(shí)國(guó)情和企業(yè)條件，于1993年在湖北咸寧《華夏》公司研發(fā)成功的一種中空釬鋼生產(chǎn)新工藝。其優(yōu)點(diǎn)是采用了電加熱，穿孔、減徑后無(wú)張力一次縱軋成材，不需準(zhǔn)備芯材和抽芯，內(nèi)孔比較圓正，成材率高，可生產(chǎn)φ19～φ52 mm全系列釬鋼產(chǎn)品，填補(bǔ)了多項(xiàng)國(guó)家空白，且產(chǎn)品成本低，無(wú)環(huán)境污染。所生產(chǎn)的重型螺紋連接釬桿國(guó)內(nèi)市場(chǎng)覆蓋率，2000年以前曾達(dá)到80%以上，為三峽工程等國(guó)家重點(diǎn)工程重型釬桿國(guó)產(chǎn)化作出了重要貢獻(xiàn)，1997年曾獲國(guó)家發(fā)明三等獎(jiǎng)。此法的缺點(diǎn)是由于原軋制工藝方案設(shè)計(jì)存在缺陷，坯料內(nèi)外溫差較大，沒(méi)有考慮改善內(nèi)孔質(zhì)量的工藝措施，所產(chǎn)中空釬鋼（特別是H22、H25 mm小直徑釬鋼）內(nèi)孔壁螺旋微裂紋和尺寸波動(dòng)的質(zhì)量問(wèn)題仍較突出，距離國(guó)際先進(jìn)水平仍有較大差距?！盁岽?熱軋法”中空釬鋼生產(chǎn)工藝及生產(chǎn)線見(jiàn)圖3，其工藝流程見(jiàn)圖4。三輥限動(dòng)芯棒斜軋減徑設(shè)備布置見(jiàn)圖5?！盁岽?熱軋法”圓形中空鋼軋制成型的主要工藝過(guò)程見(jiàn)圖6、圖7、圖8、圖9、圖10、圖11。 該生產(chǎn)線外貌見(jiàn)圖12。用該生產(chǎn)線所產(chǎn)23CrNi3Mo鋼管坯，再經(jīng)六輥精軋機(jī)電熱1次縱軋成型的H35 mm中空鋼，制成的《田野》牌隧道鉆車鑿巖用T38（外）-H35×4300-R32(外)重型釬桿，已獲得國(guó)內(nèi)外用戶的一致認(rèn)可，見(jiàn)圖13。

圖3 原湖北《華夏》公司“熱穿-熱軋法”中空釬鋼生產(chǎn)工藝及生產(chǎn)線平面布置示意圖

圖4 “熱穿-熱軋法”中空釬鋼工藝流程

圖5 三輥限動(dòng)芯棒斜軋減徑設(shè)備布置示意圖

圖6 三輥斜軋穿孔（2014.8.12）

圖7 三輥限動(dòng)芯棒斜軋減徑（2014.8.12）

圖8 三輥斜軋空心減徑（2014.8.12）

圖9 十輥微張力縱軋減徑（2014.8.12）

圖10 三輥精整矯直（2014.8.12）

圖11 鏈?zhǔn)嚼浯部乩洌?014.8.12）

圖12 湖北嘉裕釬具股份有限公司“熱穿-熱軋法”中空釬鋼生產(chǎn)線（2017.6.16）

7 Q22mm正七邊形中空釬鋼首輪產(chǎn)品的軋制方案

圖13 《田野》牌 T38（外）-H35×4300-R32(外)隧道鉆車鑿巖用重型釬桿，硬巖壽命已穩(wěn)定在1500 m以上（2017.6.16）

1991年以來(lái)，經(jīng)過(guò)前后12年的艱苦努力，由中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）掘進(jìn)工程研究所、大冶鋼廠鋼鐵研究所、中國(guó)科學(xué)院金屬研究所、湖北華夏鑿巖機(jī)具股份有限公司、湖北長(zhǎng)江工具廠、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）飛龍釬具廠等單位共同承擔(dān)的1991年湖北省科學(xué)技術(shù)發(fā)展基金項(xiàng)目 （計(jì)劃編號(hào)：912B0301）：“新型高強(qiáng)度優(yōu)質(zhì)釬鋼的研制”，以及1995年立項(xiàng)的地質(zhì)礦產(chǎn)部重點(diǎn)地質(zhì)科技項(xiàng)目（計(jì)劃編號(hào)：95152006）：“新型高強(qiáng)度優(yōu)質(zhì)釬鋼及整釬的研究與開(kāi)發(fā)”（專題名稱：“B22ZK40SiMnCrNiMo錐體連接釬桿暨片狀和球齒系列硬質(zhì)合金整體釬桿的研制”），在北京鋼鐵研究總院、湖南漣源鋼廠和貴陽(yáng)鋼廠等兄弟單位的協(xié)助下，以咸寧 《青龍》牌18CrNi3MoV、23CrNi3Mo鋼“熱穿-熱軋法”重型釬桿，和《飛龍》牌 40SiMnCrNiMo鋼“熱穿-熱軋法”、“鉆孔法”B22錐體連接釬桿和φ41 mm一字、三刃、十字、球齒形硬質(zhì)合金整體釬桿為標(biāo)志，通過(guò)13爐、8輪、30多批次全國(guó)礦山的工業(yè)考核，以使用壽命和鉆孔速度為核心的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，都已達(dá)到或接近國(guó)際先進(jìn)水平，部分產(chǎn)品填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，為實(shí)現(xiàn)我國(guó)鑿巖釬具國(guó)產(chǎn)化并逐步走出國(guó)門作出了一定貢獻(xiàn)，較好地完成了項(xiàng)目攻關(guān)任務(wù)。但是，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展是沒(méi)有止境的，采掘鑿巖工程中不斷發(fā)現(xiàn)和提出的新問(wèn)題也層出不窮。例如：鑿巖釬具新技術(shù)、新產(chǎn)品的推廣，使用技術(shù)方法與裝備方面存在的不少短板，整體釬頭部與桿體壽命如何更好地匹配，進(jìn)一步提高小直徑釬桿的使用壽命并解決其內(nèi)疲勞斷裂與彎曲問(wèn)題等，都有大量的工作需要我們?nèi)ネ瓿伞?003年11月，為進(jìn)一步提高我國(guó)長(zhǎng)釬具的整體發(fā)展水平，本科研團(tuán)隊(duì)在中國(guó)釬協(xié)于黃山舉辦的“中國(guó)釬鋼釬具工業(yè)發(fā)展論壇會(huì)議”上，發(fā)表了題為“試論我國(guó)中空釬鋼的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)”、“超純、超細(xì)、窄帶Cr-Ni-W-Mo-V系列 ‘穿孔－全程帶芯縱軋法’中空釬鋼”等4篇論文，其中首次提出了研制奇數(shù)邊正多邊形釬桿的建議。特別針對(duì)H22、H25 mm小直徑釬桿為提高其抗拉壓疲勞和抗彎曲能力，首先著手研發(fā)正七邊形釬桿。這一動(dòng)議，最先得到了燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院于恩林教授為首的科研團(tuán)隊(duì)的積極響應(yīng)[4]。2007年，為提高釬鋼的內(nèi)在質(zhì)量，他們參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中B22 mm中空鋼有關(guān)規(guī)定，設(shè)計(jì)了具有更好抗彎曲和抗斷裂能力的正七邊形中空釬鋼。綜合考慮釬鋼的生產(chǎn)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，選擇成型方法為 “熱穿-熱軋法”。運(yùn)用DEFORM有限元分析軟件，建立了七邊形釬鋼成型過(guò)程的三維模型，定量計(jì)算了金屬流動(dòng)速度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)、溫度場(chǎng)等分布量及其多場(chǎng)耦合，形象地模擬七邊形中空釬鋼的成型過(guò)程，獲得了軋制Q22 mm中空釬鋼可資參考的工藝參數(shù)。正七邊形釬鋼七輥縱軋成型的模擬模型，見(jiàn)圖14。

綜合我們多年來(lái)研發(fā)H22 mm高強(qiáng)度優(yōu)質(zhì)中空釬鋼的已有成果，結(jié)合于恩林教授提供的相關(guān)資料，這次《田野》牌首輪Q22 mm中空釬鋼的軋制方案確定為：

圖14 Q22、Q25釬鋼軋制成型模型圖

(1)鋼種

采用40SiMnCrNiMo超高強(qiáng)度合金鋼，其冶煉中限目標(biāo)成分 （百分含量）為：C―0.40,Si―1.45，Mn―0.95，Cr―0.75，Ni－0.55，Mo―0.30，P、S≤0.02。

(2)鋼質(zhì)

40SiMnCrNiMo厚壁鋼管用坯料的冶金質(zhì)量要求達(dá)到：①各化學(xué)元素目標(biāo)成分含量的波動(dòng)范圍≤0.0015%；②硬度差≤2 HRC；③氧含量≤0.0012%；④D類夾雜物尺寸≤8μm；⑤晶粒度細(xì)至8級(jí)以上。

(3)管坯尺寸

橫斷面外徑φ26±0.2 mm，中心孔直徑φ7.6±0.1 mm，管坯長(zhǎng)度按所需釬桿或整體釬的定尺或倍尺長(zhǎng)度確定。

(4)成型方式

采用特制的中頻感應(yīng)加熱器，經(jīng)過(guò)預(yù)熱、升溫、保溫到達(dá)始軋溫度后，通過(guò)七輥精軋機(jī)一次溫?zé)釘D壓縱軋成型?！短镆啊放普?、正七邊形中空釬鋼的軋制成型過(guò)程，見(jiàn)圖15。

(5)Q22mm中空釬鋼的預(yù)期幾何尺寸

如圖1所示，Q22 mm正七邊形中空釬鋼的預(yù)期幾何尺寸為：外接圓直徑φ25.8 mm；中心孔直徑為φ6.4mm；壁厚為8.4mm；內(nèi)切圓直徑為φ23.2mm；棱邊圓角半徑為3.2mm。模擬成品尺寸結(jié)果完全符合前表1、表2之規(guī)定。通過(guò)實(shí)際試軋所獲Q22 mm六邊形中空釬鋼的樣品測(cè)試，也證實(shí)此軋制工藝已完全成熟。

圖15 《田野》牌正六、正七邊形中空釬鋼的軋制成型過(guò)程（2017.9.5）

參考文獻(xiàn)：

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[3]張國(guó)櫸，葉凌云，趙鐘會(huì) 等.新型Cr-Ni-Mo、Cr-Ni-W穿孔-帶芯熱軋法中空釬鋼[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2005，（6）：1175-1181.

[4]于恩林，趙玉倩，姜杰鳳等.正七邊形釬桿用中空鋼成型過(guò)程數(shù)值模擬[C].2007年全國(guó)釬鋼釬具工作會(huì)議論文，2007.11.

（全文完）