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

張國櫸 ，葉凌云 ，鄒文 ，方軍 ，趙長有 ，張漢斌 ，熊波 ，尹和平

（1.中國地質大學（武漢）掘進工程研究所，湖北 武漢 430074；2.湖北嘉裕釬具股份有限公司，湖北嘉魚 437200；3.黃石市冶鋼設計研究院有限公司，湖北 黃石 435001；4.大冶鋼廠鋼鐵研究所，湖北 黃石 435001；5.中國科學院金屬研究所，遼寧 沈陽 110016）

（上接2017年第3期第61頁）

6 Q22、Q25mm釬鋼軋制工藝的選取

現有技術在中空釬鋼的軋制工藝方面，國外仍以瑞典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，然后用燃油或燃氣加熱，在專用的多臺短應力線軋機上，經過19～21道次軋成內切圓直徑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。 瑞典人用此法生產中空釬鋼的歷史已超過了100年，現用軋機系統定型于1975年，曾進行過兩次大的技術改造，主要是提高產品精度和增加在線檢測設備，加大坯料尺寸和提高生產能力，其工藝路線一直維持不變。其生產過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→可逆式二輥軋機粗軋 （9道次）→三輥軋機中間軋制→七架平立輥短應力軋機精軋成材→在線檢測→冷床控冷→剪頭抽芯→校直→定尺→精整、終檢、包裝入庫。該中空釬鋼生產線平面布置呈Z字形，見圖2。我們認為：此法工藝成熟，圓坯扒皮、鉆孔使坯料鋼質更好，多道次無張力縱軋，使成材組織和應力狀態良好，產品幾何尺寸精度高，內外表面質量好。加上其在鋼種、冶煉和制釬工藝方面的經驗積累，故其整釬、釬桿的成品質量長期居于世界領先水平，迄今沒有遇到大的挑戰。但正因為如此，其長期不變的工藝流程也有不足之處：①此法工藝復雜，要求很高的管理水平；②明火加熱，對鋼質和環境有不利影響；③現代技術提高鋼質并非必須扒皮、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備；⑥需要增加抽芯工藝和設備，又進一步降低了釬鋼成材率。⑦不能用作生產其它系列的厚壁管材。因此，該工藝生產流程長，設備投資多，設備有效利用率較低，鋼材浪費大，產品成本高，還有一定的環境污染。

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

國內目前生產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 H22、H25、R32、R38 mm 等部分釬鋼產品，優點是無張力帶芯縱軋，軋材組織比較致密，其H22mm釬桿國內市場占有率較高。缺點是坯料存在鑄造缺陷，內孔不圓，成材率低，需要成套芯材冶軋和抽芯設備，生產成本較高。此法生產的中空釬鋼內在和外觀質量與國際先進水平差距較大，不適合制造長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，優點是省去了冶軋芯材和抽芯工藝及設備，內孔較圓正，生產成本較低。其最大缺點是斜軋穿孔和荒管拉軋過程形成了很大的拉應力，在釬鋼內孔壁留下了較深的螺旋形微裂紋，軋頭降低了釬鋼成材率。后來新撫鋼廠的科技人員對此工藝作了較大改進，斜軋穿孔后增加了一道三輥帶芯斜軋減徑工序，使釬鋼內孔表面質量有很大改善，所產釬桿壽命已有大幅度提高。但在質量、品種方面與瑞典所代表的國際先進水平相比，仍有較大差距；（3）“熱穿-冷拔法”。此法需配備大量的熱處理設備，能耗大，成本高，生產效率低，只能生產少量釬鋼產品；（4）“熱穿-熱軋法”。此法是改革開放后各方面專家根據中國當時國情和企業條件，于1993年在湖北咸寧《華夏》公司研發成功的一種中空釬鋼生產新工藝。其優點是采用了電加熱，穿孔、減徑后無張力一次縱軋成材，不需準備芯材和抽芯，內孔比較圓正，成材率高，可生產φ19～φ52 mm全系列釬鋼產品，填補了多項國家空白，且產品成本低，無環境污染。所生產的重型螺紋連接釬桿國內市場覆蓋率，2000年以前曾達到80%以上，為三峽工程等國家重點工程重型釬桿國產化作出了重要貢獻，1997年曾獲國家發明三等獎。此法的缺點是由于原軋制工藝方案設計存在缺陷，坯料內外溫差較大，沒有考慮改善內孔質量的工藝措施，所產中空釬鋼（特別是H22、H25 mm小直徑釬鋼）內孔壁螺旋微裂紋和尺寸波動的質量問題仍較突出，距離國際先進水平仍有較大差距?！盁岽?熱軋法”中空釬鋼生產工藝及生產線見圖3，其工藝流程見圖4。三輥限動芯棒斜軋減徑設備布置見圖5。“熱穿-熱軋法”圓形中空鋼軋制成型的主要工藝過程見圖6、圖7、圖8、圖9、圖10、圖11。 該生產線外貌見圖12。用該生產線所產23CrNi3Mo鋼管坯，再經六輥精軋機電熱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，已獲得國內外用戶的一致認可，見圖13。

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

圖4 “熱穿-熱軋法”中空釬鋼工藝流程

圖5 三輥限動芯棒斜軋減徑設備布置示意圖

圖6 三輥斜軋穿孔（2014.8.12）

圖7 三輥限動芯棒斜軋減徑（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 鏈式冷床控冷（2014.8.12）

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

7 Q22mm正七邊形中空釬鋼首輪產品的軋制方案

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

1991年以來，經過前后12年的艱苦努力，由中國地質大學（武漢）掘進工程研究所、大冶鋼廠鋼鐵研究所、中國科學院金屬研究所、湖北華夏鑿巖機具股份有限公司、湖北長江工具廠、中國地質大學（武漢）飛龍釬具廠等單位共同承擔的1991年湖北省科學技術發展基金項目 （計劃編號：912B0301）：“新型高強度優質釬鋼的研制”，以及1995年立項的地質礦產部重點地質科技項目（計劃編號：95152006）：“新型高強度優質釬鋼及整釬的研究與開發”（專題名稱：“B22ZK40SiMnCrNiMo錐體連接釬桿暨片狀和球齒系列硬質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鋼廠等兄弟單位的協助下，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、球齒形硬質合金整體釬桿為標志，通過13爐、8輪、30多批次全國礦山的工業考核，以使用壽命和鉆孔速度為核心的主要技術經濟指標，都已達到或接近國際先進水平，部分產品填補了國內空白，為實現我國鑿巖釬具國產化并逐步走出國門作出了一定貢獻，較好地完成了項目攻關任務。但是，科學技術的發展是沒有止境的，采掘鑿巖工程中不斷發現和提出的新問題也層出不窮。例如：鑿巖釬具新技術、新產品的推廣，使用技術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，進一步提高小直徑釬桿的使用壽命并解決其內疲勞斷裂與彎曲問題等，都有大量的工作需要我們去完成。2003年11月，為進一步提高我國長釬具的整體發展水平，本科研團隊在中國釬協于黃山舉辦的“中國釬鋼釬具工業發展論壇會議”上，發表了題為“試論我國中空釬鋼的幾何結構參數”、“超純、超細、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邊正多邊形釬桿的建議。特別針對H22、H25 mm小直徑釬桿為提高其抗拉壓疲勞和抗彎曲能力，首先著手研發正七邊形釬桿。這一動議，最先得到了燕山大學機械工程學院于恩林教授為首的科研團隊的積極響應[4]。2007年，為提高釬鋼的內在質量，他們參照國家標準中B22 mm中空鋼有關規定，設計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現狀和發展趨勢，選擇成型方法為 “熱穿-熱軋法”。運用DEFORM有限元分析軟件，建立了七邊形釬鋼成型過程的三維模型，定量計算了金屬流動速度場、應力場、應變場、溫度場等分布量及其多場耦合，形象地模擬七邊形中空釬鋼的成型過程，獲得了軋制Q22 mm中空釬鋼可資參考的工藝參數。正七邊形釬鋼七輥縱軋成型的模擬模型，見圖14。

綜合我們多年來研發H22 mm高強度優質中空釬鋼的已有成果，結合于恩林教授提供的相關資料，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超高強度合金鋼，其冶煉中限目標成分 （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

40SiMnCrNiMo厚壁鋼管用坯料的冶金質量要求達到：①各化學元素目標成分含量的波動范圍≤0.0015%；②硬度差≤2 HRC；③氧含量≤0.0012%；④D類夾雜物尺寸≤8μm；⑤晶粒度細至8級以上。

(3)管坯尺寸

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

(4)成型方式

采用特制的中頻感應加熱器，經過預熱、升溫、保溫到達始軋溫度后，通過七輥精軋機一次溫熱擠壓縱軋成型?！短镆啊放普?、正七邊形中空釬鋼的軋制成型過程，見圖15。

(5)Q22mm中空釬鋼的預期幾何尺寸

如圖1所示，Q22 mm正七邊形中空釬鋼的預期幾何尺寸為：外接圓直徑φ25.8 mm；中心孔直徑為φ6.4mm；壁厚為8.4mm；內切圓直徑為φ23.2mm；棱邊圓角半徑為3.2mm。模擬成品尺寸結果完全符合前表1、表2之規定。通過實際試軋所獲Q22 mm六邊形中空釬鋼的樣品測試，也證實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程（2017.9.5）

參考文獻：

[1]GB/T1301-2008鑿巖釬桿用中空鋼[S].北京：中國標準出版社，2008.

[2]Sandvik Steel.Hollow rock drill steel[Z].Printed in Sweden Gefletry ckericetAB，June1990,4-5.

[3]張國櫸，葉凌云，趙鐘會 等.新型Cr-Ni-Mo、Cr-Ni-W穿孔-帶芯熱軋法中空釬鋼[J].地下空間與工程學報，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程數值模擬[C].2007年全國釬鋼釬具工作會議論文，2007.11.

（全文完）