矿用7号π型钢与HDJB型金属顶梁的研制

周俊良

(天地科技股份有限公司，北京100013)

我国煤矿地质构造复杂、赋存多样化，不同支护设备使用条件要求不同，因此除了地质条件较好的综采工作面使用液压支架支护外，相当数量的高档普采工作面广泛使用的是单体液压支柱与金属顶梁配套支护。

上世纪70年代末，80年代初，我国煤矿支护改革重点是实现采煤工作面支护产品液压化。由于单体液压支柱作为摩擦式金属支柱更新换代产品的大量推广应用，金属顶梁损坏报废率上升，研制强度较大的π型钢才提到日程上来。为此，上世纪90年代初，煤炭科学研究总院北京开采所HDJB型金属顶梁的研制成功及推广应用，为批量轧制7号π型钢创造了条件，并且与有关钢厂合作，利用电弧炼钢炉冶炼钢水浇注的27SiMn钢锭，轧制出了高强度的矿用7号π型钢。

1 矿用7号π型钢轧制

矿用7号π型钢属周期断面钢材，即在同一钢材上沿纵向作周期性变化的钢材，这类钢材可在一般轧机上进行轧制[1]。因π型钢形状复杂，工艺难度大。要选择合适的轧钢孔型系统，孔型设计是型钢生产中的一项极其重要的工作，其直接影响着成品的质量，轧机的生产能力、产品的成本、劳动条件和劳动强度[2]。根据轧机设备及生产条件，确定了孔型设计采用弯折孔型系统和轧钢工艺。

1.1 轧制7号π型钢孔型与道次的确定

由于钢厂自产钢锭的断面较小，轧机的轧制能力不足，因此不能按轧制形状简单的型钢那样来确定孔型，直接轧出所需型钢。只能先利用初轧孔型使钢锭断面逐步变形收缩成型钢模样，再利用精轧孔型达到π型钢最终形状。为了合理配置孔型，在横列式轧机上，由于前几道轧件短，轧件在孔型中轧制时间也短，所以头一架可以多布置几个孔型(道次)，而在接近成品孔型时，由于轧件较长，则机架上就应少布置孔型(道次)，这样可使各机架的轧制时间均衡[2]。因此，确定轧钢机热轧矿用7号π型钢所需要的道次和孔型为：1～4道为开坯孔型；5～7道为延辗孔型；8～10道为成型孔型；11道为轧花边孔型；12道为精轧孔型。轧制好的π型钢成品断面形状如图1，顶部花边如图2所示。

图1 π型钢断面形状

图2 顶部花边形状

1.2 轧制7号π型钢设备及生产工艺

(1)生产工艺流程 电弧炉炼钢→浇注钢锭→钢锭加热→型钢粗轧→型钢精轧→型钢定尺→型钢校直→型钢打梱入库。

(2)主要设备 加热炉2.3m×20m；轧辊直径φ400mm轧机3架；轧辊直径φ300mm轧机1架；φ300mm12辊校直机1架。

(3)工艺参数与钢锭尺寸 加热温度1050℃；均热温度1000℃；出炉温度950℃；钢锭尺寸0.125m×0.125m×2m。

(4) 矿用7号π型钢化学成分和力学性能 对于7号π型钢而言，必须满足使用要求和技术性能，如断面形状尺寸、机械性能、化学成分等。π型钢轧制出来以后，进行了全面检测。其检验数据见表1、表2、表3。

表1 27SiMn钢化学成分 %

表2 27SiMn钢力学性能

表3 π型钢外形尺寸检测数据

从表中检测的数据可以看出矿用7号π型钢化学成分、力学性能和外形尺寸都达标。

2 HDJB型金属顶梁的研制

2.1 HDJB型金属顶梁梁体结构

金属顶梁梁体由上下2块π型钢对焊而成。断面结构如图3所示。主要特点是：

图3 梁体断面结构

(1)梁体采用π型钢焊成，断面似箱形。而且焊缝只有2条，易焊接，质量能保证。

(2)焊缝分布在梁体的中性面，受力小，变形量小，焊缝不会压裂开，梁体不会损坏。

(3)梁体断面结构合理，稳定性好，承载受压后，不易产生扭曲和压扁。一般情况下，梁体只有弯曲变形，可以调直修复，提高顶梁的使用率。

2.2 技术参数的确定

根据与单体液压支柱的配套要求，确定HDJB型金属顶梁技术参数为：梁体截面高度0.09m；顶梁梁体长度1m；顶梁最小载荷300kN；顶梁最大载荷400kN；顶梁破坏载荷440kN；顶梁反复加载载荷330kN。

2.3 制造工艺参数的确定

HDJB金属顶梁需要进行梁体的焊接和热处理。采用一定的焊接工艺方法将上下2块π型钢焊接成新的结构形体。而梁体的热处理是通过加热、保温和冷却的方法，使钢的内部组织发生变化，从而得到所需要性能的一种方法[3]。经过调质处理，梁体上下表面的硬度要达到HB300～350的设计的要求，才能有较高的抗弯强度。

(1)焊接工艺参数 电压18～39V；电流380～400A；采用直径1.2mm SQJ501焊丝；工艺装备为组装胎；CO2气体保护焊机。

(2)热处理淬火工艺参数 热处理设备为箱式淬火炉；装炉温度900℃；加热温度900～910℃；保温时间75min；冷却介质为水；冷却温度<30℃。

(3)热处理回火工艺参数 热处理设备为箱式回火炉；加热温度470～540℃；保温时间85min；冷却介质为水；冷却温度<30℃。

3 HDJB型钢金属顶梁梁体设计计算

在进行金属顶梁梁体的设计时，考虑到π型钢梁体是对称的，因此，只取梁体的上部π型钢来进行计算。按图4所示的π型钢断面，对梁体进行截面几何性质、梁体抗弯强度的计算[4]。

图4 梁体截面计算

3.1 梁体截面积

式中，SCP为型钢截面积；Smin为梁体最小截面面积；Smax为梁体最大截面面积。

Smin=S1min+S2min

S1min=S2min

Smax=S1max+S2max

S1max=S2max

S1min=S2min=2(S1+…S6)=1.23×10-3(m2)

S1max=S2max=2(S1+…S8)=1.31×10-3(m2)

梁体截面积S=2SCP=2.54×10-3(m2)

3.2 梁体截面惯性矩

式中，IXmin，IXmax为x轴大小惯性矩；IYmin，IYmax为y轴大小惯性矩。

IXmin=4(Ix1+…Ix6)=2.85×10-6(m4)

IYmin=4(IY1+…IY6)=1.64×10-6(m4)

IXmax=4(IX1+…IX8)=3.22×10-6(m4)

IYmax=4(IY1+…IY8)=2.10×10-6(m4)

3.3 梁体断面系数

WXmin=IXmin/H1=6.35×10-5(m3)

WXmax=IXmax/H1=7.17×10-5(m3)

WXCP=IXCP/H1=6.87×10-5(m3)

WYmin=IYmin/H2=3.96×10-5(m3)

WYmax=IYmax/H2=5.06×10-5(m3)

WYCP=IYCP/H2=4.65×10-5(m3)

3.4 梁体许用弯矩

π型钢经过焊接成顶梁梁体，其材质为27SiMn低合金结构钢，按热处理规范要求，需要920℃水淬，450℃水冷回火，热处理调质硬度HB300～350, 强度条件[σb]≥1000～1150MPa和[σs]≥850～1050MPa，计算出梁体许用弯矩为：

MXmin=[σSmin]·WXCP=58.37(kN·m)

MXmax=[σSmax]·WXCP=72.11(kN·m)

MXCP=[σSCP]·WXCP=65.24(kN·m)

3.5 梁体集中截荷

式中，P为梁体中间集中载荷,kN；L为支点跨矩，0.7m。

PXmin=4MXmin/L=333.54(kN)

PXmax=4MXmax/L=412.06(kN)

PXCP=4MXCP/L=372.8(kN)

综合考虑7号π型钢轧材的断面积和断面系数等因素，设计确定HDJB型金属顶梁梁体的最小承载能力300kN，梁体最大承载能力400kN。

4 HDJB型金属顶梁试验

为了检验HDJB型金属顶梁抗弯性能，在实验室进行了金属顶梁承载能力试验。根据MT30-92金属顶梁标准，选择长度为1m的金属顶梁，试验在材料试验机上进行[5]。对金属顶梁采用中心加载的试验方法，如图5所示，全面检测了金属顶梁设计的各项承载能力，其结果见表4。

图5 金属顶梁中心加载试验

试件编号梁体最小承载能力梁体最大承载能力梁体破坏载荷梁体反复加载10.46完好未脆断未损坏20.46完好未脆断未损坏30.23完好未脆断未损坏40.2完好未脆断未损坏50.03完好未脆断未损坏备注:加载300kN梁体残余变形≤0.5mm加载400kN梁体状态≥440kN梁体状态加载330kN,卸载,翻转180°,反复35次,梁体状态

实验室试验结果表明，用7号π型钢制作的HDJB型金属顶梁各项技术指标均符合MT30-92金属顶梁标准要求。

5 结论

(1)矿用7号π型钢，合理的截面尺寸，具有优良的力学性能和使用性能，为金属顶梁制造企业提供了专用钢材。用7号π型钢生产的HDJB型金属顶梁，制造加工方法简单，工艺易于实施。

(2)HDJB型金属顶梁梁体结构设计合理，性能可靠，提高了金属顶梁的抗弯强度，能够滿足单体液压支柱配套使用的要求。

[参考文献]

[1]刘占英.轧钢[M].北京:冶金工业出版社,1995.

[2]赵松筠，唐文林.型钢孔型设计[M].北京:冶金工业出版社,1993.

[3]轧钢生产基础知识[M].北京:中国劳动工业出版社,1990.

[4]机械设计手册[M].北京:机械冶金工业出版社,1993.

[5]MT30-92.金属顶梁[S].