29号矿用U型钢研制

杜 健

(攀钢集团攀枝花钢钒有限公司轨梁厂，四川攀枝花617000)

U型钢作为煤矿巷道支护用的必备钢材，在煤矿行业有着无可替代的地位。随着一些老煤矿和新建煤矿地下开采深度的增加，矿压越来越大，矿用支撑钢原有的支护能力已不能适应地质条件和矿压增加的要求，多规格、不同断面、高强度性能矿用支撑钢的需求量显著增加。

GB/T4697中有18UY、25 UY、25U、29 U、36U、40U六个断面的矿用支撑钢，其中18 UY、25 UY为腰定位，25U、29 U、36U、40U为耳定位。

攀钢950生产线由一座加热炉、五架轧机、一架矫直机等设备构成。29号U型钢在此生产线上采用200 mm×200 mm连铸坯轧制而成，试制309.90吨，产品性能、规格尺寸、表面质量等满足标准要求，其合格率达到99.30%。

1 29号U型钢断面划分及特点

1.1 断面划分

现在生产的U型钢可分为两种类型，即前苏联系列的腰定位和德国TH系列的耳定位。从断面特点看均可划分为腰、立腿和小腿三部分，如图1所示。

图1 U型钢断面划分

1.2 断面特点

(1)断面复杂，立腿与小腿连接处厚度最薄，属于薄壁复杂型钢；

(2)29U型钢的立腿由两个半径组成；

(3)29U型钢小腿有1.3-3.5 mm的凸台，起到自锁的作用。

2 研制标准

研制标准执行GB/T 4697-2008“矿山巷道支护用热轧U型钢”，其规格尺寸偏差、表面质量等要求如下［1］：

2.1 力学性能要求

本次研制的钢质为20 Mn K，其抗拉强度≥490 MPa，屈服强度≥335 MPa，断后伸长率≥20%。

2.2 规格尺寸允许偏差

29号U型钢成品规格尺寸允许偏差见表1。

表1 U型钢规格尺寸允许偏差(mm)

2.3 外形

(1)每米弯曲度不得大于4 mm，总弯曲度不得大于总长度的0.3%；

(2)U型钢不得有显著扭转。

2.4 表面质量

(1)U型钢表面不允许有影响使用的裂纹、折迭、结疤、分层、夹杂缺陷；

(2)U型钢表面允许存在发纹、凹坑、凸起、麻点及刮痕缺陷，但不得超出厚度尺寸允许偏差；

(3)U型钢表面缺陷允许清除，但不得横向清除。

3 轧制工艺设计

3.1 坯料选择

U型钢的特点是腿部窄而长，切深楔子又窄又高，因此不必担心腰对腿的拉缩。由于变形过程中小腿部有压下，还可以促进腿的增长，因此，钢坯的高度只要保持腿高度1.5倍的关系就能满足要求。为了保持轧制过程稳定，各变形孔的腰部均有一定量的负展宽。所以，钢坯的厚度应大于产品的腰宽。钢坯的高度H0和宽度B0与成品高度H和宽度B的关系如下：

H0=1.5 H

根据上述原则和攀钢铸坯规格，选用200×200 mm连铸坯作为生产29号U型钢的原料。

3.2 孔型系统的确定

由于U型钢腰窄外开口宽，本身有小腿，25U、29 U、36U、40U型钢小腿有凸台，小腿有利于提高轧件在孔型中的稳定性，因此从断面形状看，轧制U型钢的关键除保证两腿长度外，主要是保证小腿的形成和小腿凸台的高度尺寸。从轧制的稳定性考虑，U型钢的开口向下；U型钢采用小腿开闭口孔型系统，见图2。一般对于断面厚度较薄宽度较大的产品，异形孔数目最好不少于5-7个。

图2 U型钢采用的孔型系统

3.3 孔型参数设计原则

3.3.1 变形系数

U型钢的整个变形过程是通过切分金属形成腿部并压缩腰部和碾压腿部来形成立腿和小腿，因此按U型钢断面划分的腰、立腿、小腿要分别设计计算。为了保持轧制的稳定，腰、立腿、小腿三者的变形关系可按下式分配［2］：

3.3.2 成品孔参数设计

依据标准尺寸及其允许偏差设计成品孔各部分尺寸，成品的标准尺寸及其允许偏差见GB/T4697。U型钢成品孔如图3所示。

孔高：

H1=(1.012-1.014)H1标

H2=H2标

H3=H3标或H3=H3标-△

孔宽：

B1=(1.012-1.014)(B1标-△)

B2=(1.012-1.014)B2标

B3=(1.012-1.014)B3标

B4=(1.012-1.014)B4标

B5=(1.012-1.014)B5标

B6=(1.012-1.014)B6标

B7=(1.012-1.014)B7标

式中：△—部分负偏差，等号右边为标准断面尺寸。

图3 U型钢成品孔型

圆弧半径全部取标准尺寸，其他各处之圆弧均按标准尺寸确定。

3.3.3 其他变形孔参数设计

①在成品前孔中可取2-3 mm，其他各孔可按等差级数或近似等差级数逐渐增加。其他各孔的高度压下量可取2-5 mm，小腿的压下量可适当增大。

②腰部的展宽量一般为4-6 mm。

③ 小腿的宽度也要用负展宽，一般为1-3 mm，逆轧制道次逐渐增大。

3.3.4 粗轧孔的设计

由于轧制U型钢常采用矩形坯，因此在轧制过程中不可能使所有孔型的各个部分都保持均匀的或近似均匀的变形。而为了得出合格的U型钢必须使一定数量的孔型保持相对均匀的变形，在粗轧道次必须采用不均匀变形，轧制成足够高度的U型钢雏形。采用高温大压下，使钢材的不均匀变形在粗轧道次完成。

4.3.5 29号U型钢孔型

采用200×200 mm连铸坯生产29号U型钢，轧制14道次，根据以上孔型设计原则，设计出的孔型如图4、5所示。

图4 29号U型钢孔型配置(1号轧机)

图5 29号U型钢精轧孔型配置(2/3/4号轧机)

4 批量试制情况

8月份开展批量试制，具体情况如下：

4.1 力学性能

试制3炉20 Mn K，成品性能全部满足标准要求，屈服、抗拉强度高于80 MPa左右，具体见表2。

表2 成品力学性能

4.2 成品规格尺寸

成品规格尺寸合格，高度偏负，立腿厚度要求按负公差轧制，生产中基本控制在-0.2～0.0 mm。具体见表3：

表3 成品规格尺寸(mm)

4.3 综合质量指标情况

8月底生产3炉，合格品量为307.8吨，合格率为99.30%，成材率为86.7%，具体质量情况见表4。

表4 成品综合质量指标

5 结语

根据U型钢断面特点、标准要求和产线布置，设计的29U型钢轧制工艺合理，并成功试制出29 U型钢，其产品质量满足GB/T 4697-2008标准要求；试制309.90吨，合格率达到99.30%，成材率达到86.70%。