矿用螺旋肋锚杆钢筋的研制开发

何云雪

（天津市天铁轧二制钢有限公司，天津 300400）

矿用螺旋肋锚杆钢筋的研制开发

何云雪

（天津市天铁轧二制钢有限公司，天津 300400）

为满足煤矿等支护用锚杆钢较高的强度和韧性，以及螺旋肋外形尺寸精度的要求，利用低合金原料和低碳高锰合金原料，采用轧后余热处理和热轧的工艺方法，成功开发出具有高强度和高韧性的矿用螺旋肋锚杆钢筋，满足了煤矿对支护用锚杆的性能、外形要求，为矿用锚杆提供了新的选择。

矿用锚杆；钢筋；控冷；热轧；研制

1 引言

随着国家对煤矿开采安全的日益重视，煤矿支护用锚杆的研究使用引起矿山开采单位的浓厚兴趣，就煤矿支护用材料的经济、安全问题，国内的科研院所、专业学校做了大量的研究、试验取得了较好的成效。但我国的幅员广阔，经济水平参差不齐，锚杆使用的现状仍差别较大，使得煤矿的开采安全隐患较大。

为了能够为我国的矿用锚杆支护做些工作，我们在广泛了解矿用支护用锚杆现状的基础上，为满足煤矿等支护用锚杆钢较高的强度和韧性要求以及螺旋肋外形尺寸精度的要求，根据大量的生产试验数据，归纳整理，完成轧后余热处理锚杆钢筋的化学成分设计。与清华大学合作进行了热轧锚杆钢筋的化学成分设计，采用不同的生产工艺方法，经过一年的研制试验，取得了较好的效果，达到了矿用锚杆钢的性能指标，为矿用锚杆提供了新型材料。

2 生产线概况

2.1 生产设备概况

引进意大利波米尼公司全连轧生产线，全线共18架轧机，平/立交替布置，分为粗轧、中轧、精轧3组，每组6架轧机，全线无扭转轧制。成品最高线速度可达18 m/s，年产能力70万t。

加热炉为步进梁式、侧进侧出料、蓄热式加热炉，使用天然气为燃料，炉子有效面积20m×12.76 m，加热能力130t/h。此种形式的加热炉热效率高，钢坯加热均匀，氧化烧损少，并且节能、环保。生产原料为150方坯，6 m和12 m定尺长度。

18架轧机全部为二辊短应力线轧机（也称作红圈轧机），具有以下特点：（1）轧制应力回线短，轧机刚度高，产品尺寸精度高；钢坯可实现低温轧制，开轧温度可以在900～950℃；（2）轴承座位置可自动调节，以补偿轧辊弯曲变形，减轻轧辊辊颈轴承的边缘负荷；（3）轴承座与支撑座之间紧凑，确保轧机整体横移方便，达到快速换辊；（4）轴承座的液压平衡装置保证了轧机良好的轧制条件，从而保证了整支轧件从头至尾各部尺寸波动小；（5）垂直机架和水平机架结构相同，完全可以互换使用。

轧制工艺稳定，10架至18架轧机采用活套控制，实现无张力轧制，确保产品的尺寸精度，产品尺寸偏差能够达到DIN标准公差范围的1/3。

波米尼公司提供的轧后“P.Q.S”余热处理系统，可提高钢筋的强度，改善钢筋的可焊性，且成本低，是一种高效、可靠的钢筋轧后冷却系统。

2.2 生产工艺流程

上料（钢坯）→称重、测长→弹出钢坯→加热→钢坯焊接（预留）→粗轧机组（6台）→飞剪剪切头尾→中轧机组（6台）→飞剪剪切头尾→精轧机组（6台）→轧后余热处理冷却→倍尺飞剪分段→冷床冷却→冷飞剪剪切定尺→自动计数、打捆→称重标志→入库储存。

总之，生产线优良的设备，先进的生产工艺，为进一步提高螺旋肋钢筋的生产质量奠定了基础。

2.3 完善的质量保证体系和先进的检测手段

为保证产品质量和提高质量管理水平，于1994年初开始宣贯ISO9000系列标准，建立质量管理体系，并于1995年11月在冶金行业首家通过ISO9002标准国内、国外双认证，取得证书，到目前为止，已通过两次换证审核，企业质量体系也经过两次换版改进。2002年3月，计量管理通过ISO10012计量管理体系认证。2003年11月通过了质量体系2000版的认证工作。2004年12月首次通过了质量、环境、职业健康安全三标管理体系认证。

配置完备的质量检测手段，而且具有现代化一流检测、试验设备，如30～200t万能材料试验机，三元素化学分析仪、金相显微镜、钢筋松弛试验机等。为对产品质量实施有效控制，在检验、试验的各个阶段都保持相应的质量记录，保证了产品的可追溯性，在对原料的检验中用直方图对化学成分及力学性能进行控制；在产品的实物抽查中，应用排列图找出存在的主要质量问题，以采取措施；在生产过程中，用控制图对加热炉温度进行控制，使其处于稳态控制下；适时用直方图和过程能力指数计算对生产过程进行控制，使过程能力始终处于动态控制中，质量指标处于合格范围。

3 研究的方向与指标要求

3.1 产品的研制方向

经过与有关的矿务局的广泛研讨，满足锚杆的锚固力要求，确保获得良好的支护效果，维护量小，保证巷道安全正常使用，另外考虑安装的方便性与机械化安装，提高支护效果。确定钢筋的外形为螺旋肋、左旋向并具有较高的强度和韧性指标。

3.2 性能要求

其物理性能要求如下：屈服强度不小于500MPa，抗拉强度不小于700MPa，延伸率不小于20%，夏比冲击功大于20J，疲劳性能：应力幅度200MPa，大于200万次。

4 研制内容

4.1 锚杆钢筋原料的选择

采用QIANK公司40t的电炉生产的方坯，冶炼采用吹Ar处理，加电磁搅拌的工艺，以确保钢质的纯净。选用两种成分并控制成分含量的稳定，特制定出成分控制范围，以保证生产过程中调试稳定，性能指标波动小。

两种原料的成分分别是：

原料一：C≤0.25%，P≤0.035%，S≤0.035%，采用轧后余热处理生产。

原料二：C≤0.08%，Mn≤2.2%，P≤0.035%，S≤0.035%，采用热轧生产。

4.2 生产工艺

4.2.1 采用轧后余热处理生产

在现有的连轧生产线上，采用粗-中-精轧之间细晶粒钢生产的温控装置，及轧后余热处理装置。通过控制轧制和控制冷却的方法达到钢筋的综合性能要求。

在轧件离开终轧机架后，进入高速冷却装置。通过强烈的快速冷却，使钢筋表面层形成一定厚度的淬火马氏体，而芯部仍为奥氏体。当钢筋离开冷却器后，芯部的余热向钢筋表层扩散，表层马氏体自回火，根据确定自回火温度的不同而转变成回火马氏体或回火索氏体。

当钢筋在冷床上缓慢自然冷却时，由于钢筋表层与芯部的温度差较大，导致芯部奥氏体发生相变，形成晶粒细小的铁素体和珠光体，或形成铁素体和索氏体，以达到提高钢筋综合力学性能的目的。在轧制过程中，钢筋终轧温度与自回火温度的确定和有效控制是轧后余热处理工艺实施的关键。

经过多次调试、试验，最后确定在终轧温度980～1000℃，自回火温度600～630℃时，钢筋的综合性能最佳。其指标为（力学性能）：屈服强度在600～630MPa，抗拉强度在 720～740MPa，延伸率在20%～22%。

4.2.2 采用热轧生产

热轧生产选用的是由清华大学贝氏体试验室研制出的一种低碳高锰新钢种，由于冶炼工艺复杂，工艺要求高，只进行了小批量试制，性能完全符合要求。其试验结果为（力学性能）：屈服强度在600～650MPa，抗拉强度在 710～760MPa，延伸率在20%～23%。

4.2.3 钢筋外形的设计

经研究确定的外形无纵肋锚杆钢筋，能与专用锚具连接使用，并且锚杆的连接要比一般的精轧钢筋连接紧固，钢筋与锚具之间框量小，为达到这一要求，山东兖矿提出锚杆钢横肋间距8 mm，间距公差在±0.2 mm，要想热轧达到该要求，其外形的设计至关重要。我们通过对轧制过程中前滑、后滑对轧件的影响，找出影响系数，从而确定轧辊的工作辊径和铣槽数，轧辊外圆尺寸精度控制在±0.1 mm；轧制变形工艺采用较小的平均延伸系数，确保轧件变形过程稳定可靠；对钢坯的加热工艺严格控制，保证了整支钢坯加热均匀，以减小由于温度波动而引起的轧件尺寸变化。

5 研制成果

经过近5次反复的试制，共生产锚杆近500余吨，其钢种及性能指标总结见表1、表2。

从以上数据看，两种材质均能满足要求，并且性能稳定。

外形尺寸：实测内径大面19.6～19.4 mm，小面19.2～18.9 mm，螺纹筋高 1.4～1.6 mm，螺距 7.9～8.1 mm，钢筋外形尺寸控制稳定。

表1 采用原料一的试验数据

表2 采用原料二的试验数据

6 结论

锚杆生产的材料一，材料二均能满足其性能要求，但材料二冶炼工艺复杂，成本高。锚杆钢的轧制工艺设计合理，横肋的节距选择符合采矿支护的需求。锚杆钢的力学性能较稳定，但应进一步提高延伸率到23%以上。

Trail and Development of Reinforced Bar for Mine-used Spiral Rib Anchor Bolt

HE Yun-xue

(Tianjin Tiantie ZhaEr Steel Co.,Ltd.,Tianjin 300400,China)

In order to meet the requirement of high strength and toughness of anchor bolt for supports in coal mines and the precision requirement of spiral rib outline dimension,reinforced bar for spiral rib anchor bolt with high strength and toughness was successfully developed by utilizing low alloy raw material，low carbon and high manganese alloy raw material and adopting processes of hot rolling and post-rolling waste heat treatment.The requirement of property and outline dimension by anchor bolt for supports in coal mines was met.A new choice is provided for mine-used anchor bolt.

mine-used anchor bolt;reinforced bar;controlled cooling;hot rolling;development

10.3969/j.issn.1006-110X.2014.03.005

2014-01-05

2014-02-03

何云雪（1963—），男，工程师，主要从事冶金技术管理工作。