29號礦用U型鋼研制

杜 健

(攀鋼集團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用的必備鋼材，在煤礦行業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能力已不能適應地質條件和礦壓增加的要求，多規格、不同斷面、高強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生產線由一座加熱爐、五架軋機、一架矯直機等設備構成。29號U型鋼在此生產線上采用200 mm×200 mm連鑄坯軋制而成，試制309.90噸，產品性能、規格尺寸、表面質量等滿足標準要求，其合格率達到99.30%。

1 29號U型鋼斷面劃分及特點

1.1 斷面劃分

現在生產的U型鋼可分為兩種類型，即前蘇聯系列的腰定位和德國TH系列的耳定位。從斷面特點看均可劃分為腰、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

(1)斷面復雜，立腿與小腿連接處厚度最薄，屬于薄壁復雜型鋼；

(2)29U型鋼的立腿由兩個半徑組成；

(3)29U型鋼小腿有1.3-3.5 mm的凸臺，起到自鎖的作用。

2 研制標準

研制標準執行GB/T 4697-2008“礦山巷道支護用熱軋U型鋼”，其規格尺寸偏差、表面質量等要求如下［1］：

2.1 力學性能要求

本次研制的鋼質為20 Mn K，其抗拉強度≥490 MPa，屈服強度≥335 MPa，斷后伸長率≥20%。

2.2 規格尺寸允許偏差

29號U型鋼成品規格尺寸允許偏差見表1。

表1 U型鋼規格尺寸允許偏差(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度的0.3%；

(2)U型鋼不得有顯著扭轉。

2.4 表面質量

(1)U型鋼表面不允許有影響使用的裂紋、折迭、結疤、分層、夾雜缺陷；

(2)U型鋼表面允許存在發紋、凹坑、凸起、麻點及刮痕缺陷，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 軋制工藝設計

3.1 坯料選擇

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

H0=1.5 H

根據上述原則和攀鋼鑄坯規格，選用200×200 mm連鑄坯作為生產29號U型鋼的原料。

3.2 孔型系統的確定

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，小腿有利于提高軋件在孔型中的穩定性，因此從斷面形狀看，軋制U型鋼的關鍵除保證兩腿長度外，主要是保證小腿的形成和小腿凸臺的高度尺寸。從軋制的穩定性考慮，U型鋼的開口向下；U型鋼采用小腿開閉口孔型系統，見圖2。一般對于斷面厚度較薄寬度較大的產品，異形孔數目最好不少于5-7個。

圖2 U型鋼采用的孔型系統

3.3 孔型參數設計原則

3.3.1 變形系數

U型鋼的整個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、小腿要分別設計計算。為了保持軋制的穩定，腰、立腿、小腿三者的變形關系可按下式分配［2］：

3.3.2 成品孔參數設計

依據標準尺寸及其允許偏差設計成品孔各部分尺寸，成品的標準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

H2=H2標

H3=H3標或H3=H3標-△

孔寬：

B1=(1.012-1.014)(B1標-△)

B2=(1.012-1.014)B2標

B3=(1.012-1.014)B3標

B4=(1.012-1.014)B4標

B5=(1.012-1.014)B5標

B6=(1.012-1.014)B6標

B7=(1.012-1.014)B7標

式中：△—部分負偏差，等號右邊為標準斷面尺寸。

圖3 U型鋼成品孔型

圓弧半徑全部取標準尺寸，其他各處之圓弧均按標準尺寸確定。

3.3.3 其他變形孔參數設計

①在成品前孔中可取2-3 mm，其他各孔可按等差級數或近似等差級數逐漸增加。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 粗軋孔的設計

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型鋼必須使一定數量的孔型保持相對均勻的變形，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U型鋼孔型

采用200×200 mm連鑄坯生產29號U型鋼，軋制14道次，根據以上孔型設計原則，設計出的孔型如圖4、5所示。

圖4 29號U型鋼孔型配置(1號軋機)

圖5 29號U型鋼精軋孔型配置(2/3/4號軋機)

4 批量試制情況

8月份開展批量試制，具體情況如下：

4.1 力學性能

試制3爐20 Mn K，成品性能全部滿足標準要求，屈服、抗拉強度高于80 MPa左右，具體見表2。

表2 成品力學性能

4.2 成品規格尺寸

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

表3 成品規格尺寸(mm)

4.3 綜合質量指標情況

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

表4 成品綜合質量指標

5 結語

根據U型鋼斷面特點、標準要求和產線布置，設計的29U型鋼軋制工藝合理，并成功試制出29 U型鋼，其產品質量滿足GB/T 4697-2008標準要求；試制309.90噸，合格率達到99.30%，成材率達到86.70%。