高強礦用錨桿鋼筋的質(zhì)量改進

劉　勇　吳紅廣

(安陽鋼鐵股份有限公司)

?

高強礦用錨桿鋼筋的質(zhì)量改進

劉勇吳紅廣

(安陽鋼鐵股份有限公司)

針對高強錨桿用熱軋帶肋鋼筋在應(yīng)用過程中出現(xiàn)的各類問題，通過成品成分分析、物理性能檢測及金相組織分析，結(jié)果表明煉鋼過程的氮含量及夾雜物控制，以及軋制過程中成品尺寸精度控制，對產(chǎn)品應(yīng)用效果起到?jīng)Q定性作用，并對生產(chǎn)過程工藝進行了優(yōu)化，取得了滿意效果。

高強錨桿礦用質(zhì)量改進

0　引言

隨著煤炭開采深度增加，巷道斷面尺寸擴大，使得巷道壓力不斷增加，冒頂事故時有發(fā)生，由此使得煤炭行業(yè)錨桿支護材料向著高強度、高韌性方向發(fā)展。筆者重點針對安鋼生產(chǎn)的高強礦用錨桿鋼筋在錨桿加工和使用過程中存在的質(zhì)量問題進行了分析，最終通過對生產(chǎn)工藝進行優(yōu)化，使得高強礦用錨桿鋼筋質(zhì)量得到較好的提高，從而確保了礦山支護使用的安全。

1　錨桿加工工藝及存在問題

1.1加工工藝流程

桿體按定尺要求分段截取→端部單側(cè)擠壓(縮頸)規(guī)圓→滾絲→配置羅盤、墊圈、螺母→成品。成品錨桿裝配結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　錨桿加工后裝配圖

1.2存在問題

1.2.1桿體斷裂

近年隨著錨桿支護技術(shù)的發(fā)展，已逐漸認識到高預緊力是錨桿發(fā)揮及時主動支護效果的關(guān)鍵[1]。目前錨桿預緊力的施加方法主要通過給螺母施加較大的扭矩，錨桿獲得較大的軸向力，錨桿尾部螺紋是錨桿獲得高預緊力的關(guān)鍵部位。錨桿桿尾通過擠壓(或縮頸)規(guī)圓—滾絲獲得螺紋結(jié)構(gòu)，螺紋靠近桿體部分，即羅盤部位為薄弱環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)特殊，受力復雜，使用中錨桿多在此處斷裂(如圖2所示)，對錨桿支護構(gòu)成隱患。

圖2　桿尾螺紋斷裂部位

1.2.2螺紋掉塊

加工過程中，錨桿經(jīng)過縮頸機規(guī)圓時，桿體沒有完全充滿縮頸機內(nèi)孔，導致部分橫肋擠壓不到位，局部存在凸起，桿體圓度不夠，再經(jīng)滾絲加工，凸起部分螺紋容易出現(xiàn)掉塊，而后上螺帽后容易滑脫，同時桿體缺陷部位也會形成裂紋源，一旦裂紋擴展桿體發(fā)生斷裂，容易引起安全隱患。

2　原因分析

2.1桿體斷裂原因

發(fā)生斷裂的高強錨桿鋼筋常規(guī)檢驗性能指標符合要求而桿體加工端發(fā)生脆斷的現(xiàn)象，脆斷原因與桿體加工、施工安裝、材料本身等多方面因素有關(guān)，尤其是其使用條件與建筑螺紋鋼有很大不同。檢驗發(fā)現(xiàn)該類錨桿鋼筋氣體、夾雜物含量及沖擊韌性較差占主導因素。在煤礦井巷施工過程中，支護錨桿常受到?jīng)_擊載荷，沖擊韌性較差的錨桿尾段因為加工硬化等原因性能指標進一步下降，作為薄弱環(huán)節(jié)往往發(fā)生脆斷。錨桿從桿尾螺紋段破斷分兩種形式：一種主要表現(xiàn)為延性斷裂，另一種主要表現(xiàn)為脆性斷裂。

2.1.1延性斷裂

延性斷裂是由于錨桿過載造成的，是正常的斷裂形式，主要為拉斷，斷口有明顯的徑縮現(xiàn)象，斷口不工整，斷裂前發(fā)生顯著的塑性變形。

桿體材料成分及各項性能均較好的滿足技術(shù)要求，各類夾雜物均在1.5級以下，組織為F+P，晶粒度9級，氣體分析N、O含量正常，釩氮比值為6.25，室溫沖擊值較高，由于國內(nèi)外煤炭行業(yè)標準中均未提及沖擊韌性指標要求，在此僅做為對比分析指標，其成分及性能見表1、表2。

表1　延性斷裂錨桿鋼筋成品成分及氣體分析檢測結(jié)果

表2　延性斷裂錨桿鋼筋力學及工藝性能檢測結(jié)果

2.1.2脆性斷裂

脆性斷裂屬于發(fā)生在屈服應(yīng)力以下的低應(yīng)力脆斷，是一種非正常的斷裂形式，造成錨桿支護體系的失效，桿體強度和延伸率發(fā)揮不出來，造成材料浪費和安全隱患，斷口徑縮不明顯，斷口較工整，斷裂前不產(chǎn)生明顯的塑性變形，通常發(fā)生在下井前的加工過程及井下的使用過程。

桿體材料分析表明：MG500表現(xiàn)為室溫沖擊值極低，氣體分析N、O含量偏高，釩氮比值為4.46，夾雜物A類及C類均在3.0以上；MG600表現(xiàn)為室溫沖擊值偏低，氣體分析N含量偏高，釩氮比值為5.74，各類夾雜物均在1.5以下，兩鋼種成分及力學性能見表3、表4。

表3　脆性斷裂錨桿鋼筋成品成分及氣體分析檢測結(jié)果

表4　脆性斷裂錨桿鋼筋力學及工藝性能檢測結(jié)果

傳統(tǒng)的錨桿支護設(shè)計對錨桿材質(zhì)的選擇主要以錨桿的強度性能為主要參考依據(jù)，認為錨桿材質(zhì)的破壞是由于錨桿在載荷的作用下，其材料內(nèi)部的應(yīng)力達到或者超過自身的破壞強度極限之后，才產(chǎn)生了斷裂破壞。這種強度理念以材料為均質(zhì)完整的物體為假設(shè)前提，是一種理想狀態(tài)，但是與實際不相符。

通過檢測分析，MG500鋼中夾雜物嚴重，夾雜物與機體結(jié)合不夠致密，影響了材質(zhì)的連續(xù)性，但綜合分析兩個鋼種實物檢測結(jié)果，N含量較高，沖擊值較低占主導因素。雖然有資料表明[2]，釩氮合金化鋼V、N理想化學配比為3.64，越接近該值，越能夠促進VN在加熱及軋制過程的固溶析出，從而細化晶粒，強度獲得提高。但實踐證明，參與釩氮微合金化的釩元素及氮元素應(yīng)匹配結(jié)合，防止鋼中游離氮的存在，強韌性匹配最佳。

當游離氮含量高的鋼，從高溫下較快冷卻時，鐵素體將會被飽和。若將此鋼在室溫下靜置，隨時間增加，氮將以Fe4N的形式析出，使鋼的強度、硬度上升，塑性、韌性下降，即產(chǎn)生時效。尤其是在較低的環(huán)境溫度下加工，斷裂傾向增加，要降低鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度，就要減小鋼中氮含量。要采用穩(wěn)定氮化物元素的晶粒細化劑(Al、V、Ti)，以利于充分形成氮化物，使游離氮含量降下來。

如果鋼中碳、氮的濃度足夠大，就會在變形過程中，強度迅速提高，延性極具下降，以致脆化，這一過程決定于碳、氮，主要是氮的濃度、溫度和變形速率。溶質(zhì)原子與各種位錯均能發(fā)生反應(yīng)，斷裂時快速傳遞，應(yīng)變時效脆化事故，往往是災(zāi)難性的，頃刻間發(fā)生，防不勝防。所以單獨追求通過增氮實現(xiàn)強度提高的方式，是不可取的。

另外，通過斷裂試樣低倍組織發(fā)現(xiàn)成分偏析較為嚴重(如圖3所示)，分析認為：與高強錨桿鋼中錳含量控制偏高有關(guān)，為提高錨桿鋼筋強度，鋼中除增加一定量的VN合金外，其鋼中Mn含量也相應(yīng)地提高，Mn質(zhì)量分數(shù)平均超過1.54%。由于錳含量偏高，鑄坯凝固過程中很容量造成鋼中Mn偏析，Mn有提高過冷奧氏體穩(wěn)定性的作用，使過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變途中的珠光體轉(zhuǎn)變部分顯著右移，鋼坯心部Mn偏析使鋼經(jīng)奧氏體化后在空冷條件即可產(chǎn)生貝氏體組織[3](如圖4所示)。該組織使強度提高而塑韌性變差，一旦裂紋擴展至基體組織與貝氏體的結(jié)合區(qū)域，在應(yīng)力集中處，就迅速引起桿體發(fā)生斷裂。

圖3　成分偏析

圖4　心部粒狀貝氏體

2.2桿體螺紋掉塊原因

軋制過程中，由于鋼坯加熱溫度、軋制工藝參數(shù)等條件的波動，造成部分高強錨桿鋼筋通條尺寸的不均勻，主要表現(xiàn)在內(nèi)徑的大小不一。同時，又因為錨桿加工過程中縮頸機縮頸孔尺寸是根據(jù)不同規(guī)格調(diào)整的，其同一規(guī)格調(diào)整范圍很小，一旦錨桿鋼筋內(nèi)徑尺寸超出縮頸機縮頸孔調(diào)整的尺寸范圍，鋼筋橫肋得不到規(guī)圓加工，再經(jīng)滾絲加工，凸起部分螺紋容易出現(xiàn)掉塊。

3　改進措施

(1)轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)中，使用硫、磷含量較低的優(yōu)質(zhì)鉄水，優(yōu)化底吹工藝，實現(xiàn)底吹流量的動態(tài)控制，使熔池內(nèi)成分和溫度的不均勻性得到有效改善，碳氧濃度積平均為0.00263，碳氧反應(yīng)更進一步接近平衡，同時提高冶煉終點碳含量，減少補吹次數(shù)，終點渣樣中(TFe) 平均含量由之前的15%以上降低到12.1%，降低鋼水中氣體及夾雜物含量，提高了鋼水的純凈度。

(2)鋼水進入精煉爐，控制爐渣堿度≥3，渣中(FeO+MnO)≤l%，白渣形成后保持時間適當延長，目標由15 min延長到20 min，一方面提高對鋼水脫氧效果，另一方面，滿足產(chǎn)品低硫含量的要求。確保上鋼前的軟攪時間，除保證溫度、成分均勻，也給夾雜物充分上浮創(chuàng)造條件。

(3)高強錨桿鋼筋鋼中的C含量在原有基礎(chǔ)上增加了0.02%，相應(yīng)降低鋼中的Mn含量0.10%,減輕因Mn含量高造成偏析帶來的組織缺陷，同時還降低了合金成本。

(4)為了防止氮的負面影響，無控氮裝置情況下，煉鋼不再采用氮化合金增氮的方式，而是選擇配加適量釩氮合金微合金化，保證其充分的攪拌與溶解時間，提高加入鋼中釩氮合金吸收率，同時確保鋼中氮的穩(wěn)定性。

(5)連鑄優(yōu)化中間包內(nèi)部流場，加強中間包包體維護,改進中間包水口材質(zhì)，延長水口使用壽命，減少換水口的次數(shù)，避免精煉后的鋼水二次污染，鋼水澆注過熱度控制10 ℃ ～30 ℃，相比降低5 ℃，正常生產(chǎn)拉速穩(wěn)定在(3.15±0.10 ) m/min,同時采用了結(jié)晶器電磁攪拌，進一步提高鋼水潔凈度，減輕鑄坯偏析。

(6)通過進一步規(guī)范鋼坯在加熱爐內(nèi)加熱溫度及加熱時間，穩(wěn)定軋制節(jié)奏，同時，利用軋機電流的大小以及坯料表面的水冷印的明暗程度作為加熱溫度調(diào)整的參照值及經(jīng)驗判斷依據(jù)，縮小爐溫與鋼溫的溫差，坯料表面與內(nèi)部的溫差，坯料長度方向的溫差，確保鋼坯加熱質(zhì)量，進而提高錨桿鋼筋通長內(nèi)徑尺寸控制精度及均勻度的保證能力，以滿足加工過程對內(nèi)徑尺寸的要求。

4　實施效果

通過煉鋼工藝的優(yōu)化，MG500鋼中氧含量由發(fā)生脆斷時的160 ppm以上降低到目前的60 ppm以下，改進前夾雜物A類及C類均在3.0以上，改進后各類夾雜物均在1.5級以下，鋼水純凈度提高，成分的適當調(diào)整帶來坯料心部偏析的減輕及軋制后組織的改善；無控氮裝置的情況下，高強礦用錨桿鋼單獨采用釩氮微合金化強化方式表明，強度滿足技術(shù)要求的同時，室溫縱向沖擊值提高40 J以上，強韌性更加匹配，改進后未有脆斷原因質(zhì)量異議發(fā)生；坯料加熱及軋制條件的改進，內(nèi)徑尺寸精度控制在公稱尺寸以上0.1 mm～0.4 mm，并且不圓度控制在0.4 mm范圍以內(nèi)，滿足了用戶對礦用錨桿加工及使用要求。

5　結(jié)論

(1)鋼中氣體及夾雜物是造成錨桿鋼韌性降低的重要因素，尤其是無控氮裝置的情況下，以釩氮微合金化，并輔以增氮的方式來提高錨桿鋼筋強度是不可取的。

(2)與偏析有關(guān)的C、Mn合金元素的調(diào)整，有利于改善鑄坯內(nèi)部偏析，從而減輕因偏析生成的心部異常組織對材質(zhì)均勻性的影響，進一步改善了錨桿鋼的韌性。

(3)通過提高錨桿鋼筋通長內(nèi)徑尺寸控制精度及均勻度，滿足了礦用錨桿加工過程對內(nèi)徑尺寸的要求。

[1]肖同強，柏建彪，楊峰，等. 高預緊力錨桿支護理論與技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J]。煤炭技術(shù)，2011，30(2)：79-81.

[2] 楊長福，張永權(quán). 釩氮微合金化技術(shù)在HSLA鋼中的應(yīng)用[J].鋼鐵，2002，37(11)：42-47．

[3] 張朝暉，楊敏剛. 20MnSi熱軋帶肋鋼筋冷彎斷裂原因分析[J].熱加工工藝，2013，42 (1)：230-234.

QUALITY IMPROVEMENT OF HIGH STRENGH BAR FOR MINE ANCHOR BOLT

Liu YongWu Hongguang

(Anyang Iron and Steel Stock Co.,Ltd)

In view of all kinds of problems in the process of application with high strength hot-rolled ribbed bar for anchored bolt，the characteristics were described by using test method on composition analysis，physical detection and microstructure of finished products，results shows that the technology of controlling nitrogen content and inclusions in the molten steel，the products size precision control in rolling are all important for application effects，and process optimizations are put forward，satisfied result is achieved．

anchor bolt with high strengthminequality improvement

聯(lián)系人：劉勇，工程師，河南.安陽(45504)，安陽鋼鐵股份有限公司技術(shù)中心；2016—2—15