Q890高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼在液壓支架應(yīng)用的試驗(yàn)研究

徐亞軍，黃書祥，劉成峰，劉國柱，姚連登

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013；3.山東唐口煤業(yè)有限公司，山東 濟(jì)寧 272055；4.中煤北京煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司，北京 102400；5.寶山鋼鐵股份有限公司，上海 210900)

Q890高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼在液壓支架應(yīng)用的試驗(yàn)研究

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013；3.山東唐口煤業(yè)有限公司，山東 濟(jì)寧 272055；4.中煤北京煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司，北京 102400；5.寶山鋼鐵股份有限公司，上海 210900)

[摘要]對(duì)Q890高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼作為液壓支架用鋼的減重效果進(jìn)行了分析，并對(duì)其焊接性能進(jìn)行了研究，確定了合理的焊前預(yù)熱溫度和焊后回火溫度。在此基礎(chǔ)上，將Q890高強(qiáng)鋼代替Q690高強(qiáng)鋼并作為主要鋼材制造了ZFY18000/28/53D樣機(jī)，并進(jìn)行了液壓支架型式試驗(yàn)。結(jié)果表明，Q890高強(qiáng)鋼焊接性能能夠滿足液壓支架使用要求。

[關(guān)鍵詞]液壓支架；高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼；Q890

進(jìn)入新世紀(jì)以來，伴隨著煤炭開采技術(shù)的快速發(fā)展，液壓支架進(jìn)入了高速發(fā)展期。為滿足工作面支護(hù)需要，液壓支架結(jié)構(gòu)高度、中心距、工作阻力和支護(hù)強(qiáng)度等參數(shù)不斷提升[1]。與此同時(shí)，液壓支架重量也隨之不斷攀升，支架單重由早期的7～8t，逐漸提高到30～40t，最高甚至達(dá)到70t。重量的增加給液壓支架下井運(yùn)輸、安裝拆除、組織管理和生產(chǎn)維護(hù)帶來很大難題。為了減輕支架重量，液壓支架用鋼不斷升級(jí)換代。從2004年開始，相繼采用Q460，Q550和Q690超低碳貝氏鋼，目前Q460已全面代替16Mn，成為液壓支架最常用鋼材，而Q690則是目前高端液壓支架主體結(jié)構(gòu)所用強(qiáng)度等級(jí)最高的鋼材[2-3]。但是對(duì)于薄煤層和高工作阻力的強(qiáng)力液壓支架，采用Q690鋼材已不能滿足支架使用要求，為了減輕支架重量，實(shí)現(xiàn)支架高強(qiáng)度輕量化的要求，迫切需要開發(fā)更高強(qiáng)度的液壓支架用鋼。本文主要以FY18000/28/53D為例，對(duì)液壓支架下一步主要用鋼——Q890高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的焊接性能和減重效果進(jìn)行了研究，為該材料在液壓支架中的推廣應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1材料化學(xué)成分及機(jī)械性能

1.1Q890化學(xué)成分及機(jī)械性能

采用寶山鋼鐵股份有限公司研發(fā)的Q890CFD易焊接性高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，化學(xué)成分及機(jī)械性能如表1所示。

由表1可知，Q890CFD的碳含量相當(dāng)?shù)?，屬超低碳鋼。由于碳含量的高低?duì)其焊接性能有直接影響，目前對(duì)于非調(diào)質(zhì)低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，一般采用國際焊接學(xué)會(huì)(IIW)推薦的碳當(dāng)量公式CE(IIW)=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15(%)來計(jì)算其碳當(dāng)量。Q890CFD為非調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼，將表1實(shí)測(cè)均值代入上式，得其碳當(dāng)量均值為：CE(IIW)=0.43%。研究表明，當(dāng)CE(IIW)=0.4%～0.6%時(shí)，尤其當(dāng)其大于0.5%時(shí)，說明鋼材有淬硬傾向，焊前需預(yù)熱[4]。盡管Q890CFD的碳含量相當(dāng)?shù)?，但是其碳?dāng)量為0.43%，說明該鋼材有一定淬硬傾向，焊前應(yīng)采取預(yù)熱措施。

表1　Q890CFD化學(xué)成分與機(jī)械性能

1.2焊材機(jī)械性能

焊接材料選用寶煊BHG-5，直徑1.2mm，機(jī)械性能見表2。由表2可知，該焊接材料的抗拉強(qiáng)度為945MPa，與Q890高強(qiáng)度鋼板實(shí)際屈服強(qiáng)度955MPa基本一致，因此對(duì)Q890高強(qiáng)度鋼板來說，為等強(qiáng)匹配。

表2　寶煊BHG-5焊材機(jī)械性能

2小試樣試驗(yàn)

2.1最高硬度試驗(yàn)

熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)主要用來檢測(cè)高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼冷裂紋敏感性。按照GB4675.5-84《焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)方法》對(duì)Q890鋼板進(jìn)行了焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)。試驗(yàn)采用預(yù)熱和不預(yù)熱兩種試樣，其中，不預(yù)熱試樣為20mm×75mm×200mm的標(biāo)準(zhǔn)試件，預(yù)熱試樣為20mm×150mm×200mm的標(biāo)準(zhǔn)試件。采用富氬氣體保護(hù)焊進(jìn)行焊接，焊接規(guī)范為280A×28V×280mm/min。焊前預(yù)熱方法為加熱爐方式。試驗(yàn)溫度為室溫(25～30℃)、75℃。焊縫長度125mm±10mm。試件焊接24h后制作斷面檢測(cè)硬度，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

試驗(yàn)結(jié)果表明，最高硬度位于距熔合線底部切點(diǎn)兩側(cè)1～3mm，不預(yù)熱時(shí)最高硬度值為384，預(yù)熱時(shí)最高硬度為375。由于Q890熱影響區(qū)最高硬度HV>350，說明Q890CFD高強(qiáng)度鋼板有一定淬硬傾向，應(yīng)進(jìn)行焊前預(yù)熱和焊后熱處理。

表3　HAZ最高硬度試驗(yàn)結(jié)果

2.2鐵研試驗(yàn)

為了確定Q890焊接預(yù)熱溫度，按照GB4675.1-84《斜Y坡口焊接裂紋試驗(yàn)方法》進(jìn)行了鐵研試驗(yàn)。試驗(yàn)采用富氬氣體保護(hù)焊進(jìn)行焊接，焊接規(guī)范為280A×28V×300mm/min，每一種試驗(yàn)溫度分別焊接3組試樣。焊接過程中嚴(yán)格控制試件角變形，拘束焊縫焊接24h后焊接試驗(yàn)焊縫，試驗(yàn)焊縫完成48h后，檢測(cè)焊縫表面裂紋、斷面裂紋和根部裂紋。試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4　斜Y坡口焊接裂紋試驗(yàn)結(jié)果

由表4可知，其預(yù)熱溫度應(yīng)不低于75℃。在實(shí)際焊接過程中，為了避免鋼板預(yù)熱溫度衰減過快，預(yù)熱溫度以120～150℃為宜。

2.3焊接接頭試驗(yàn)

為了確定合理的焊后回火溫度，進(jìn)行了焊接接頭試驗(yàn)，通過檢驗(yàn)焊接接頭的抗拉強(qiáng)度來確定合理的回火溫度。焊接時(shí)選用厚度40mm鋼板，120℃焊前預(yù)熱，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5　焊接接頭試驗(yàn)結(jié)果

不難發(fā)現(xiàn)，采用480℃焊后去回火保溫時(shí)，焊縫的抗拉強(qiáng)度與母材接近，符合等強(qiáng)匹配要求，說明該鋼板合理的焊后回火保溫溫度為480℃。

3Q890減重效果

為了評(píng)測(cè)Q890減重效果，以ZY17000/32/72D型大采高綜采支架為例，在加載方式和安全系數(shù)完全相同條件下，分別采用Q690和Q890作為支架主要結(jié)構(gòu)材料來計(jì)算所需板材厚度，以計(jì)算支架所需材料重量。表6為上述支架分別采用Q690(減重前)和Q990(減重后)支架主要部件重量變化情況。

表6　ZY17000/32/72D支架減重前后重量對(duì)比　kg

由表6可知，ZY17000/32/72D支架若采用Q690作為主要結(jié)構(gòu)材料，單架重量為70290kg，若采用Q890作為主要結(jié)構(gòu)材料，單架重量為63783kg，支架單重減輕6507kg，較減重前減輕9.26%。若不考慮立柱和銷軸等非結(jié)構(gòu)件，只考慮主體結(jié)構(gòu)件，采用Q690作為主要結(jié)構(gòu)材料，部件總重量為55.21t，采用Q890作為主要結(jié)構(gòu)材料，部件總重量為48.65t，較減重前減輕11.88%。易知，采用Q890作為液壓支架主要結(jié)構(gòu)材料，支架重量可減輕10%左右。

4應(yīng)用實(shí)例

為了檢驗(yàn)Q890整體焊接性能，采用Q890作為FY18000/28/53D兩柱式綜放支架主要材料進(jìn)行焊接，主要采用厚度為20mm，25mm，30mm，40mm和70mm等幾種鋼材規(guī)格。為了檢測(cè)該材料的整體焊接性能，按照《GB25974.1-2010煤礦用液壓支架通用技術(shù)條件》中B類支架要求，對(duì)該樣機(jī)進(jìn)行液壓支架型式試驗(yàn)。樣機(jī)制作時(shí)，采用120℃焊前預(yù)熱，部件進(jìn)行480℃去應(yīng)力回火。由于該支架是在冬天進(jìn)行焊接，為了避免預(yù)熱溫度衰減過快，焊接時(shí)當(dāng)鋼板溫度低于80℃就即時(shí)再次預(yù)熱補(bǔ)溫，為了避免氫脆，采用300℃焊后保溫去氫，各部件補(bǔ)溫和去氫次數(shù)見表7。型式試驗(yàn)結(jié)果表明，該型支架樣機(jī)整體工況良好，未出現(xiàn)焊縫開裂現(xiàn)象，通過了型式試驗(yàn)。

表7　支架主體結(jié)構(gòu)件補(bǔ)溫與去氫匯總

5結(jié)論

(1)Q890CFD高強(qiáng)鋼為超低碳合金鋼，碳當(dāng)量為0.43%，有一定淬硬傾向，需采取焊接預(yù)熱和焊后回火熱處理工藝。其中，預(yù)熱溫度應(yīng)不低于120℃；焊后去應(yīng)力保溫溫度以480℃比較合理。

(2)研究表明，同等強(qiáng)度下，采用Q890作為液壓支架主要結(jié)構(gòu)用鋼較采用Q690高強(qiáng)鋼，單架支架重量可減輕10%左右，減重效果十分明顯。

(3)整架液壓支架型式試驗(yàn)結(jié)果表明，Q890整體性能優(yōu)良，試驗(yàn)時(shí)支架狀態(tài)良好，未出現(xiàn)冷裂紋和開焊現(xiàn)象，可以作為支架用鋼。但是冬天溫度較低時(shí)，該材料焊接工序相當(dāng)繁瑣，需頻繁加熱、保溫，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，建議進(jìn)一步提高鋼材的焊接性能，降低生產(chǎn)成本，為該材料的大面積推廣應(yīng)用鋪平道路。

[參考文獻(xiàn)]

[1]王國法.“十二五”煤礦開采裝備技術(shù)的發(fā)展展望[J].煤礦開采，2011，16(3):19-24.

[2]徐亞軍.高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的焊接性與液壓支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的研究[D].北京：煤炭科學(xué)研究總院，2003.

[3]王國法.液壓支架技術(shù)體系研究與實(shí)踐[J].煤炭學(xué)報(bào)，2010，35(11):1903-1908.

[4]曹良裕，魏戰(zhàn)江.鋼的碳當(dāng)量公式及其在焊接中的應(yīng)用[J].材料開發(fā)與應(yīng)用，1999，14(1):39-42.

[責(zé)任編輯：鄒正立]

Experimental Research on Q890 High Strength Structural Steel Application in Hydraulic Support

XU Ya-jun1，2，HUANG Shu-xiang3，LIU Cheng-feng1，2，LIU Guo-zhu4，YAO Lian-deng5

(1.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China；2.Mining Research Institute，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China；3.Shangdong Tangkou Mining Co.，Ltd.,Jining 272055，China；4.China Coal Beijing Coal Mining Machinery Co.，Ltd.,Beijing 102400，China；5.Baoshan Iron & Steel Co.，Ltd.,Shanghai 210900，China)

Abstract：Height suppressing effect that Q890 high strength structural steel was applied in hydraulic support was analyzed，still welding performance was also researched，then reasonable preheating temperature before welding and tempering temperature were confirmed.On the basis these，prototype ZFY18000/28/53D was manufactured with Q890 high strength steel instead of Q690 high strength steel，then hydraulic support style experiment was carried out.The results showed that the welding performance of Q890 high strength steel could meet requirements of hydraulic support designing.

Key words：hydraulic support；high strength structural steel，Q890

[收稿日期]2015-12-07[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.03.012

[基金項(xiàng)目]國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)資助項(xiàng)目(2014CB046302)：深部圍巖自適應(yīng)支護(hù)原理及系統(tǒng)創(chuàng)新理論；國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)基金資助項(xiàng)目(2012AA06A407)：兩柱式超強(qiáng)力放頂煤液壓支架研制；天地科技工藝技術(shù)創(chuàng)新基金(KJ-2014-TDKC-06)：Q890～Q1100高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼焊接性能研究；天地科技公司研發(fā)項(xiàng)目(KJ-2014-TDKC-03)：8m超大采高綜采總體配套模式與關(guān)鍵技術(shù)可行性研究

[作者簡介]徐亞軍(1971-)，男，安徽樅陽人，研究員，博士，主要從事液壓支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其優(yōu)化。

[中圖分類號(hào)]TD355.41

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1006-6225(2016)03-0046-03