趙璟珠

（山西建邦集團(tuán)有限公司軋材廠，山西曲沃 043400）

1 引言

錨桿支護(hù)是煤礦井巷中的一項(xiàng)重要支護(hù)技術(shù)，目前已發(fā)展成為煤礦井巷的主要支護(hù)形式之一。樹脂錨桿用熱軋鋼筋（簡(jiǎn)稱錨桿鋼筋）主要用于支護(hù)錨桿的桿體，具有較大的市場(chǎng)容量和較高的附加值。我公司于2002年1月份開始研發(fā)，目前已形成335、400、500、600 MPa 強(qiáng)度級(jí)別的系列產(chǎn)品，2011年產(chǎn)達(dá)48 萬t，成為全國(guó)最大的錨桿生產(chǎn)基地。

多年來公司產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，用戶滿意，銷量持續(xù)攀升，樹脂錨桿用熱軋鋼筋被授予“2007年度山東名牌產(chǎn)品”稱號(hào)，但近年來偶爾出現(xiàn)了性能指標(biāo)符合要求而桿體加工端開裂、脆斷的現(xiàn)象。盡管失效原因與桿體加工、施工安裝、材料本身等多方面因素有關(guān)，但檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該類錨桿鋼筋沖擊韌性較差、鋼筋中心橫向裂紋較多占主要因素。為實(shí)現(xiàn)錨桿鋼筋加工質(zhì)量穩(wěn)定，適應(yīng)煤礦井巷深井支護(hù)技術(shù)的發(fā)展，山東石橫特鋼提出礦用樹脂錨桿鋼筋加工失效研究。

2 失效現(xiàn)狀分析

2.1 生產(chǎn)工藝流程

樹脂錨桿鋼筋主要性能指標(biāo)的衡量通常以普通熱軋帶肋鋼筋的性能指標(biāo)為依據(jù)，沒有對(duì)其根據(jù)自身使用特點(diǎn)做專門研究。石橫特鋼在開發(fā)過程中，不斷完善用戶要求，對(duì)錨桿鋼筋中心裂紋、沖擊韌性、鋼筋組織、晶粒度等提出新的要求，錨桿生產(chǎn)必須研究新工藝及其技術(shù)參數(shù)。

錨桿鋼筋生產(chǎn)工藝流程如下：

60 t 轉(zhuǎn)爐冶煉→50 tLF 精煉→軟吹氬→R9 m連鑄→雙蓄熱式加熱爐加熱→高壓水除磷→粗軋→中軋→精軋→3#飛剪倍尺分段→冷床冷卻→650 t 冷剪剪切成定尺→包裝。

2.2 現(xiàn)狀分析

2.2.1 對(duì)擠壓縮頸→滾絲加工方式

（1）對(duì)某加工企業(yè)500 MPa 級(jí)別錨桿鋼筋經(jīng)擠壓縮徑→滾絲后，在帶螺帽進(jìn)行拉伸試驗(yàn)過程中，在尚未達(dá)到最大力時(shí)錨桿桿體在螺紋附近斷裂，試樣斷口平齊，斷裂源位于擠壓縮頸后的肋部變形處，試樣無明顯縮頸，屬脆性斷裂。

（2）通過對(duì)錨桿鋼筋進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)未加工的鋼筋斷口正常，有明顯縮徑，延伸率可達(dá)22%～23%，符合標(biāo)準(zhǔn)要求，而經(jīng)擠壓縮徑后出現(xiàn)脆性斷裂。

化學(xué)成分力學(xué)性能見表1。

表1 化學(xué)成分力學(xué)性能

（3）化學(xué)成分、力學(xué)性能均符合技術(shù)條件要求。對(duì)出現(xiàn)問題的鋼材經(jīng)酸洗后觀察試樣：通過對(duì)金相組織的高倍檢驗(yàn)，鐵素體呈網(wǎng)狀沿晶界析出見圖1、圖2。

圖1 試樣橫截面中心組織（中心偏析）（100x)

圖2 試樣橫截面直徑1/4處組織（100x)

試樣橫截面中心部位組織為珠光體+網(wǎng)狀、塊狀鐵素體，實(shí)際晶粒度為5.0級(jí)，試樣橫截面其他部位組織為珠光體+網(wǎng)狀、塊狀鐵素體，實(shí)際晶粒度為5.5～6.0級(jí)；高倍下觀察試樣肋部變形處，肋部組織沿受力方向變形，在肋根部與內(nèi)徑形成斜向里的、與試樣軸線大約呈30°夾角的裂紋，在未變形肋部未發(fā)現(xiàn)此類裂紋。

錨桿橫截面低倍試樣未發(fā)現(xiàn)橫截面裂紋；材料沖擊韌性較差，經(jīng)檢測(cè)常溫沖擊功僅為8J、11J。

2.2.2 對(duì)壓圓→滾絲加工方式

（1）對(duì)400 MPa 級(jí)Φ18 mm 錨桿鋼筋100 支樣品進(jìn)行低倍檢驗(yàn)和壓圓→滾絲試驗(yàn)，對(duì)檢驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析如下，壓圓→滾絲實(shí)驗(yàn)見表2。

（2）裂紋長(zhǎng)度大于5mm的試樣7支，距離邊緣小于3mm的試樣12支，共開裂4支，說明裂紋長(zhǎng)度大于5mm，距邊緣距離小于3mm的試樣容易發(fā)生滾絲壓圓開裂（斷裂）。因此錨桿鋼筋標(biāo)準(zhǔn)中增加中心橫向裂紋級(jí)別的要求。

3 失效原因分析

從錨桿鋼筋加工后出現(xiàn)的斷裂、裂紋產(chǎn)生的現(xiàn)象分析，主要表現(xiàn)在鋼筋中心大尺寸的橫向裂紋、大量的網(wǎng)狀鐵素體組織、粗大晶粒、偏低的韌性。要消除錨桿加工失效，必須在如何消除中心裂紋及不良組織的產(chǎn)生，細(xì)化晶粒、提高錨桿鋼筋韌性著手，同時(shí)需優(yōu)化改進(jìn)二次加工工藝。

3.1 鋼筋中心裂紋

鋼筋中心裂紋主要來自于鋼坯角部裂紋和連鑄坯熱裝開裂。

3.1.1 鋼坯角部裂紋

在鋼坯生產(chǎn)過程中，鋼坯脫方產(chǎn)生的對(duì)角線裂紋和結(jié)晶器冷卻不均產(chǎn)生的角部裂紋在軋制過程中無法消除，是鋼材裂紋產(chǎn)生的主要原因[1]。同時(shí)與鑄坯在二冷區(qū)的冷卻結(jié)晶凝固有直接關(guān)系，在液相區(qū)內(nèi)夾雜物在枝晶處析出或裂紋處聚集，所以裂紋延伸的區(qū)域即夾雜物聚集的區(qū)域，在軋制后，鋼材上表現(xiàn)為裂紋或者發(fā)紋并且裂紋區(qū)伴隨有夾雜物。

表2 壓圓→滾絲實(shí)驗(yàn)

（1）鑄坯角部裂紋的形成原因

鑄坯角部裂紋形成有以下原因，其一,鋼坯角部裂紋是在結(jié)晶器內(nèi)萌生，在二冷水的高強(qiáng)度冷卻下加重的。坯殼在結(jié)晶器內(nèi)冷卻不均勻，導(dǎo)致形成的坯殼厚薄不一，出結(jié)晶器在高強(qiáng)度的0段水冷卻下，坯殼薄弱位置傳熱快，導(dǎo)致坯殼薄弱區(qū)和其他位置冷卻不一致，因?yàn)槔鋮s強(qiáng)度較大，薄弱區(qū)的收縮幅度較大，其內(nèi)部形成裂紋。而結(jié)晶器冷卻不均勻一般出現(xiàn)在角部，所以鑄坯角部容易形成裂紋，即角部裂紋。其二,鑄坯角部裂紋一般距離鑄坯表面15mm左右，在結(jié)晶器內(nèi)鑄坯形成的坯殼一般在15mm左右，也就是說角部裂紋肯定是在0段和I段冷卻區(qū)形成的，因?yàn)殍T坯在此冷卻區(qū)域冷卻強(qiáng)度較大，如果0段噴淋集管和I段噴淋集管不對(duì)中，勢(shì)必造成鑄坯嚴(yán)重的角部裂紋。

（2）角部裂紋對(duì)軋材的影響

鑄坯角部裂紋和其他內(nèi)部裂紋相比在走向和位置上有著其特殊性，一般角部裂紋較寬，長(zhǎng)度較短，并且角部裂紋走向一般沒有規(guī)律，不垂直于鑄坯表面的占大多數(shù)（如圖3）。結(jié)合棒材在軋制工藝上調(diào)整為無槽軋制，在軋制變形中角部裂紋兩側(cè)的鑄坯形成相對(duì)移動(dòng)，導(dǎo)致角部裂紋在軋制過程中有向鑄坯表面延伸的趨勢(shì)，當(dāng)這種相對(duì)移動(dòng)的趨勢(shì)較大的時(shí)候（角部裂紋延伸至鑄坯表面），角部裂紋在軋材上表現(xiàn)為鋼材表面嚴(yán)重的裂紋。

圖3 鑄坯角部裂紋

3.1.2 鋼坯熱送熱裝過程中產(chǎn)生的開裂

現(xiàn)代化鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)方式緊湊，生產(chǎn)節(jié)奏快，連鑄坯經(jīng)熱送熱裝后，直接經(jīng)加熱爐加熱后軋制成材。在熱送熱裝過程中經(jīng)常出現(xiàn)“熱裝開裂”現(xiàn)象。C-Mn-Si系低合金鋼熱裝開裂的形成機(jī)理是：網(wǎng)狀鐵素體膜增長(zhǎng)并消融后，在奧氏體晶界處生成“顯微孔洞或疏松缺陷”，加之氧化燒損及應(yīng)力作用,使裂紋向深度方向擴(kuò)展，從而造成鑄坯表面沿晶界開裂[2]。

3.2 生產(chǎn)工藝不合理鋼筋產(chǎn)生網(wǎng)狀鐵素體組織

鋼筋網(wǎng)狀鐵素體組織、粗大晶體、偏低的韌性。從檢驗(yàn)的表象反映問題主要集中在鋼筋中不良組織引起加工過程脆性斷裂。其實(shí)質(zhì)由于忽略錨桿鋼筋二次加工的需要及對(duì)沖擊韌性的要求，采取與同一級(jí)別熱軋帶肋鋼筋相同的常規(guī)生產(chǎn)工藝組織生產(chǎn)，開軋溫度控制在1100～1250℃，自然冷卻。

在軋制過程中，受開軋溫度、鋼筋冷卻、化學(xué)成分等影響其加工性能。通過對(duì)鋼材脆斷檢驗(yàn)結(jié)果來看，可斷定主要是大量網(wǎng)狀鐵素體造成，網(wǎng)狀鐵素體可顯著增加鋼材脆性，降低其冷加工能力[3]。由于錨桿鋼筋軋制過程中終軋溫度偏高，冷卻速度慢，使奧氏體晶界長(zhǎng)大速度大于向晶內(nèi)長(zhǎng)大速度，從而形成網(wǎng)狀鐵素鐵。

由于采用與普通螺紋相同的軋制控制工藝，開軋、終軋溫度過高，冷卻速度緩慢，奧氏體晶粒長(zhǎng)大迅速，使軋后鋼筋晶粒粗大，韌性偏低。

3.3 材料塑性差影響二次加工

在二次加工過程中，擠壓縮頸部位（橫肋根部）易造成折疊，當(dāng)材料塑性相對(duì)較差時(shí)，會(huì)進(jìn)一步誘發(fā)向內(nèi)延伸的裂紋，此裂紋在材料進(jìn)行塑性變形時(shí)會(huì)快速向內(nèi)發(fā)展，造成脆斷。

4 防止措施

4.1 提高結(jié)晶器維修質(zhì)量和噴淋集管維護(hù)

連鑄坯生產(chǎn)時(shí)，提高結(jié)晶器維修質(zhì)量，控制好結(jié)晶器幾何形狀防止變形，保證結(jié)晶器水縫均勻，提高鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)的冷卻效果。安裝0段噴淋集管時(shí)要有數(shù)據(jù)記錄，及時(shí)淘汰尺寸出入較大的0段噴淋集管。制定噴嘴更換明細(xì)和噴淋集管維護(hù)記錄，保證噴嘴使用周期不超過4天，噴淋集管嚴(yán)格對(duì)中，杜絕角部裂紋缺陷。

4.2 避開熱裝開裂的裝爐溫度區(qū)間調(diào)整化學(xué)成分

降低連鑄二冷區(qū)冷卻強(qiáng)度,使鑄坯表面保持在較高溫度,可以降低熱裝開裂傾向。在連鑄坯熱送情況下避開熱裝開裂的裝爐溫度區(qū)間,即600～720℃。調(diào)整化學(xué)成分，特別是C、Si、Mn、Al、S元素，要控制在一個(gè)合適的水平。Si元素對(duì)熱裝脆性的影響很大,隨其含量降低,熱裝脆性明顯減小或消失；Al、S元素隨含量增加,熱裝脆性增強(qiáng)。

4.3 采用控軋控冷的工藝

細(xì)化晶粒、消除網(wǎng)狀鐵素體提高韌性指標(biāo)，細(xì)化晶粒對(duì)韌性指標(biāo)和強(qiáng)度指標(biāo)產(chǎn)生正疊加效應(yīng)[4]，網(wǎng)狀鐵素體顯著增加鋼材脆性。軋鋼生產(chǎn)時(shí)采用控軋控冷的工藝，加熱溫度較常規(guī)工藝下降100～150℃，開軋溫度下調(diào)100℃，降低終軋溫度，終軋溫度控制在950℃以下；同時(shí)加快軋后冷卻速度，使網(wǎng)狀鐵素體來不及析出，保證了相變溫度區(qū)域；軋后錨桿鋼筋經(jīng)穿水箱快速冷卻，使上冷床溫度比常規(guī)工藝降低130℃左右，大大提高了鋼筋的控制冷卻效果，使鋼的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)均勻、晶粒細(xì)小，并起到消除內(nèi)應(yīng)力的作用。并研究冷送與熱送的差異，制定差異化的加熱制度，防止網(wǎng)狀鐵素鐵組織的產(chǎn)生。經(jīng)檢驗(yàn)，按控軋控冷工藝組織生產(chǎn)金相組織為珠光體+鐵素體，且鐵素體分布均勻，無異常組織；晶粒組織9.5 級(jí)且晶粒大小均勻，見圖4。

圖4 MG500礦用樹脂錨桿鋼筋金相組織

4.4 推廣全螺紋等強(qiáng)錨桿

對(duì)滾絲工藝易產(chǎn)生開裂、斷裂等缺陷，推廣應(yīng)用無需二次加工的全螺紋等強(qiáng)錨桿。全螺紋等強(qiáng)度錨桿是一種新型錨桿，其最主要優(yōu)點(diǎn)是桿體不需二次加工緊固螺紋，不僅簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝，還實(shí)現(xiàn)了桿體全長(zhǎng)等強(qiáng)，克服了常規(guī)錨桿受拉時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)而使桿體強(qiáng)度降低的缺點(diǎn)，另外，較大的螺距可使錨桿安裝速度提高。在使用時(shí)，經(jīng)加熱軋制的梯形螺紋鋼筋直接截取而成，整個(gè)桿體全長(zhǎng)有效受力面積相等，當(dāng)用于巷道支護(hù)后桿體承載力超過桿體屈服荷載時(shí)，整個(gè)桿體全長(zhǎng)延伸，桿體屈服荷載較大，且有效延伸長(zhǎng)度也較大，桿體受力卸載及緩沖效果較好，所以桿體不易斷裂。另外，全螺紋等強(qiáng)錨桿螺母及托盤的接觸面為球面，桿體受力后通過螺母?jìng)鬟f到托盤上，由托盤作用于巷道壁上，使托盤承載較均勻，且緩沖效果好，因此能取得良好的支護(hù)效果。

5 應(yīng)用效果

5.1 可加工性能

錨桿鋼筋需要加工成樹脂錨桿桿體。國(guó)內(nèi)煤炭系統(tǒng)錨桿尾部螺紋的加工一般是采取車絲和滾絲加工工藝。由于車絲加工造成錨桿尾部絲扣部分有效截面積減小，其抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于錨桿桿體(降低30%～35%)，因此，現(xiàn)普遍采用滾絲工藝進(jìn)行加工。在兗礦采用壓圓→滾絲加工工藝對(duì)Φ22 mm 規(guī)格MG500 進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，見表3。試驗(yàn)結(jié)果合格，加工錨桿無開裂現(xiàn)象。

表3 MG500Φ22mm錨桿鋼筋可加工性檢驗(yàn)表

5.2 井下支護(hù)試驗(yàn)

在-1 400 m 的高地壓煤礦井巷進(jìn)行支護(hù)試驗(yàn)，無脆斷現(xiàn)象發(fā)生，無其他斷桿現(xiàn)象，支護(hù)效果良好。

6 結(jié)論

由于錨桿鋼筋支護(hù)前需滾絲加工的特點(diǎn)及其用途特性，組織生產(chǎn)方式應(yīng)該與普通螺紋鋼筋常規(guī)生產(chǎn)方式不同，需有針對(duì)性的控制煉鋼連鑄過程中由于冷卻不均勻造成的角部裂紋、避免熱裝開裂、軋制過程中通過控軋控冷細(xì)化晶粒、消除網(wǎng)狀鐵素體、提高材料沖擊韌性。

提高錨桿鋼筋綜合機(jī)械性能，可有效防止其二次加工過程中失效，同時(shí)可增強(qiáng)錨桿鋼筋在井巷支護(hù)時(shí)的可靠性，提高使用壽命，并適應(yīng)了我國(guó)深井錨桿支護(hù)的需要。

[1]肖純.熱軋帶肋鋼筋裂紋分析[J].貴州工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2003（10）：16-18.

[2]齊長(zhǎng)發(fā).C-Mn-Si 系低合金鋼熱裝裂紋形成機(jī)理研究及應(yīng)用[J].科技成果，2010（1）：20-24.

[3]李曉鵬.網(wǎng)狀鐵素體對(duì)盤條性能的影響[J].金屬制品，1999（2）：27.

[4]袁永文.樹脂錨桿鋼筋沖擊韌性研究[J].軋鋼，2009（10）：23.