29號(hào)礦用U型鋼研制

杜 健

(攀鋼集團(tuán)攀枝花鋼釩有限公司軌梁廠，四川攀枝花617000)

U型鋼作為煤礦巷道支護(hù)用的必備鋼材，在煤礦行業(yè)有著無可替代的地位。隨著一些老煤礦和新建煤礦地下開采深度的增加，礦壓越來越大，礦用支撐鋼原有的支護(hù)能力已不能適應(yīng)地質(zhì)條件和礦壓增加的要求，多規(guī)格、不同斷面、高強(qiáng)度性能礦用支撐鋼的需求量顯著增加。

GB/T4697中有18UY、25 UY、25U、29 U、36U、40U六個(gè)斷面的礦用支撐鋼，其中18 UY、25 UY為腰定位，25U、29 U、36U、40U為耳定位。

攀鋼950生產(chǎn)線由一座加熱爐、五架軋機(jī)、一架矯直機(jī)等設(shè)備構(gòu)成。29號(hào)U型鋼在此生產(chǎn)線上采用200 mm×200 mm連鑄坯軋制而成，試制309.90噸，產(chǎn)品性能、規(guī)格尺寸、表面質(zhì)量等滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，其合格率達(dá)到99.30%。

1 29號(hào)U型鋼斷面劃分及特點(diǎn)

1.1 斷面劃分

現(xiàn)在生產(chǎn)的U型鋼可分為兩種類型，即前蘇聯(lián)系列的腰定位和德國(guó)TH系列的耳定位。從斷面特點(diǎn)看均可劃分為腰、立腿和小腿三部分，如圖1所示。

圖1 U型鋼斷面劃分

1.2 斷面特點(diǎn)

(1)斷面復(fù)雜，立腿與小腿連接處厚度最薄，屬于薄壁復(fù)雜型鋼；

(2)29U型鋼的立腿由兩個(gè)半徑組成；

(3)29U型鋼小腿有1.3-3.5 mm的凸臺(tái)，起到自鎖的作用。

2 研制標(biāo)準(zhǔn)

研制標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行GB/T 4697-2008“礦山巷道支護(hù)用熱軋U型鋼”，其規(guī)格尺寸偏差、表面質(zhì)量等要求如下［1］：

2.1 力學(xué)性能要求

本次研制的鋼質(zhì)為20 Mn K，其抗拉強(qiáng)度≥490 MPa，屈服強(qiáng)度≥335 MPa，斷后伸長(zhǎng)率≥20%。

2.2 規(guī)格尺寸允許偏差

29號(hào)U型鋼成品規(guī)格尺寸允許偏差見表1。

表1 U型鋼規(guī)格尺寸允許偏差(mm)

2.3 外形

(1)每米彎曲度不得大于4 mm，總彎曲度不得大于總長(zhǎng)度的0.3%；

(2)U型鋼不得有顯著扭轉(zhuǎn)。

2.4 表面質(zhì)量

(1)U型鋼表面不允許有影響使用的裂紋、折迭、結(jié)疤、分層、夾雜缺陷；

(2)U型鋼表面允許存在發(fā)紋、凹坑、凸起、麻點(diǎn)及刮痕缺陷，但不得超出厚度尺寸允許偏差；

(3)U型鋼表面缺陷允許清除，但不得橫向清除。

3 軋制工藝設(shè)計(jì)

3.1 坯料選擇

U型鋼的特點(diǎn)是腿部窄而長(zhǎng)，切深楔子又窄又高，因此不必?fù)?dān)心腰對(duì)腿的拉縮。由于變形過程中小腿部有壓下，還可以促進(jìn)腿的增長(zhǎng)，因此，鋼坯的高度只要保持腿高度1.5倍的關(guān)系就能滿足要求。為了保持軋制過程穩(wěn)定，各變形孔的腰部均有一定量的負(fù)展寬。所以，鋼坯的厚度應(yīng)大于產(chǎn)品的腰寬。鋼坯的高度H0和寬度B0與成品高度H和寬度B的關(guān)系如下：

H0=1.5 H

根據(jù)上述原則和攀鋼鑄坯規(guī)格，選用200×200 mm連鑄坯作為生產(chǎn)29號(hào)U型鋼的原料。

3.2 孔型系統(tǒng)的確定

由于U型鋼腰窄外開口寬，本身有小腿，25U、29 U、36U、40U型鋼小腿有凸臺(tái)，小腿有利于提高軋件在孔型中的穩(wěn)定性，因此從斷面形狀看，軋制U型鋼的關(guān)鍵除保證兩腿長(zhǎng)度外，主要是保證小腿的形成和小腿凸臺(tái)的高度尺寸。從軋制的穩(wěn)定性考慮，U型鋼的開口向下；U型鋼采用小腿開閉口孔型系統(tǒng)，見圖2。一般對(duì)于斷面厚度較薄寬度較大的產(chǎn)品，異形孔數(shù)目最好不少于5-7個(gè)。

圖2 U型鋼采用的孔型系統(tǒng)

3.3 孔型參數(shù)設(shè)計(jì)原則

3.3.1 變形系數(shù)

U型鋼的整個(gè)變形過程是通過切分金屬形成腿部并壓縮腰部和碾壓腿部來形成立腿和小腿，因此按U型鋼斷面劃分的腰、立腿、小腿要分別設(shè)計(jì)計(jì)算。為了保持軋制的穩(wěn)定，腰、立腿、小腿三者的變形關(guān)系可按下式分配［2］：

3.3.2 成品孔參數(shù)設(shè)計(jì)

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)尺寸及其允許偏差設(shè)計(jì)成品孔各部分尺寸，成品的標(biāo)準(zhǔn)尺寸及其允許偏差見GB/T4697。U型鋼成品孔如圖3所示。

孔高：

H1=(1.012-1.014)H1標(biāo)

H2=H2標(biāo)

H3=H3標(biāo)或H3=H3標(biāo)-△

孔寬：

B1=(1.012-1.014)(B1標(biāo)-△)

B2=(1.012-1.014)B2標(biāo)

B3=(1.012-1.014)B3標(biāo)

B4=(1.012-1.014)B4標(biāo)

B5=(1.012-1.014)B5標(biāo)

B6=(1.012-1.014)B6標(biāo)

B7=(1.012-1.014)B7標(biāo)

式中：△—部分負(fù)偏差，等號(hào)右邊為標(biāo)準(zhǔn)斷面尺寸。

圖3 U型鋼成品孔型

圓弧半徑全部取標(biāo)準(zhǔn)尺寸，其他各處之圓弧均按標(biāo)準(zhǔn)尺寸確定。

3.3.3 其他變形孔參數(shù)設(shè)計(jì)

①在成品前孔中可取2-3 mm，其他各孔可按等差級(jí)數(shù)或近似等差級(jí)數(shù)逐漸增加。其他各孔的高度壓下量可取2-5 mm，小腿的壓下量可適當(dāng)增大。

②腰部的展寬量一般為4-6 mm。

③ 小腿的寬度也要用負(fù)展寬，一般為1-3 mm，逆軋制道次逐漸增大。

3.3.4 粗軋孔的設(shè)計(jì)

由于軋制U型鋼常采用矩形坯，因此在軋制過程中不可能使所有孔型的各個(gè)部分都保持均勻的或近似均勻的變形。而為了得出合格的U型鋼必須使一定數(shù)量的孔型保持相對(duì)均勻的變形，在粗軋道次必須采用不均勻變形，軋制成足夠高度的U型鋼雛形。采用高溫大壓下，使鋼材的不均勻變形在粗軋道次完成。

4.3.5 29號(hào)U型鋼孔型

采用200×200 mm連鑄坯生產(chǎn)29號(hào)U型鋼，軋制14道次，根據(jù)以上孔型設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)出的孔型如圖4、5所示。

圖4 29號(hào)U型鋼孔型配置(1號(hào)軋機(jī))

圖5 29號(hào)U型鋼精軋孔型配置(2/3/4號(hào)軋機(jī))

4 批量試制情況

8月份開展批量試制，具體情況如下：

4.1 力學(xué)性能

試制3爐20 Mn K，成品性能全部滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，屈服、抗拉強(qiáng)度高于80 MPa左右，具體見表2。

表2 成品力學(xué)性能

4.2 成品規(guī)格尺寸

成品規(guī)格尺寸合格，高度偏負(fù)，立腿厚度要求按負(fù)公差軋制，生產(chǎn)中基本控制在-0.2～0.0 mm。具體見表3：

表3 成品規(guī)格尺寸(mm)

4.3 綜合質(zhì)量指標(biāo)情況

8月底生產(chǎn)3爐，合格品量為307.8噸，合格率為99.30%，成材率為86.7%，具體質(zhì)量情況見表4。

表4 成品綜合質(zhì)量指標(biāo)

5 結(jié)語

根據(jù)U型鋼斷面特點(diǎn)、標(biāo)準(zhǔn)要求和產(chǎn)線布置，設(shè)計(jì)的29U型鋼軋制工藝合理，并成功試制出29 U型鋼，其產(chǎn)品質(zhì)量滿足GB/T 4697-2008標(biāo)準(zhǔn)要求；試制309.90噸，合格率達(dá)到99.30%，成材率達(dá)到86.70%。