Термист Термомеханическое упрочнение арматурного проката технология, средства, разработка

УДК 621.771: 621.785: 622.7

Термоупрочненный периодический прокат для анкерной крепи горных выработок

Г.В.Левченко, А.В.Кекух, В.А. Поляков, И.А.Гунькин, С.А.Воробей

Показана возможность обеспечения требуемых механических свойств термоупрочненного периодического проката для анкерной крепи горных выработок обычной и повышенной несущей способности в условиях металлургического комбината «Криворожсталь»

Версия для печати (.doc)

В настоящее время доля затрат на проведение, крепление и поддержание горных выработок достигает 25 % себестоимости угля и эти затраты во многом определяются качеством шахтной крепи. Наиболее широкое применение имеют рамные металлические крепи, комплекс свойств которых на протяжении многих лет улучшают за счет оптимизации химического состава стали и режимов термического упрочнения [1, 2]. Однако, анализируя результаты научных наблюдений, большинство исследователей пришли к выводу, что никакая технологически выполнимая и экономически целесообразная рамная крепь выработок, проводимых в горных породах на больших глубинах, не может в полной мере противодействовать горному давлению, и поэтому бороться с образованием зон разрушения путем увеличения несущей способности крепи нецелесообразно [3, 4].

Кардинальное решение проблемы крепления горных выработок может быть достигнуто только за счет применения нового типа крепи анкерной, основным элементом которой являются анкерные штанги, изготавливаемые из круглого проката периодического профиля, отличающегося от строительного (ГОСТ 3760) не только геометрическими параметрами, но и более высоким комплексом прочностных и пластических характеристик (табл. 1) [3].

Целью настоящей работы было определение рационального химического состава и режимов термической обработки, гарантирующих получение требуемого комплекса свойств для обычной и повышенной несущей способности анкерной крепи.

Для решения поставленной задачи проанализировали химический состав и механические свойства арматурного проката диаметром 22 - 28 мм классов прочности А500С, А400С, 460, производимого на меткомбинате “Криворожсталь”. Химический состав сталей и механические свойства проката приведены в табл. 2.

Полученные результаты показывают, что ни один из анализируемых видов проката не соответствует в полной мере необходимому уровню механических свойств, в первую очередь по относительному удлинению.

Прокат из стали 35ГС характеризуется низким относительным удлинением средние значения 15.7 ÷ 17.3 % при требуемом минимальном 20 %. При этом средний предел текучести проката диаметром 22 и 28 мм (492 ÷ 509 Н/мм²) удовлетворяет требованиям к обычному уровню несущей способности проката для анкерной крепи и соответствует минимальному значению для повышенного уровня. Несколько выше средний предел текучести проката диаметром 25 мм (541 Н/мм²). Предел прочности большинства партий соответствует требуемому для обычного и повышенного уровня несущей способности. Однако можно предположить, что применение стали 35ГС не обеспечит требуемый комплекс свойств, так как повышение температуры самоотпуска с целью увеличения пластичности металла приведет к уменьшению предела текучести ниже допустимых значений.

Прокат из стали 25Г2С с пониженным содержанием кремния имеет хотя и более высокие, но все же недостаточные значения относительного удлинения средние значения 16.9 ÷ 21.2 %. При этом характеризуется более высокими значениями предела текучести (средние значения 535 ÷ 586 Н/мм²) и несколько меньшими значениями предела прочности (средние значения 660 ÷ 705 Н/мм²) по сравнению с прокатом из стали 35ГС. Такие изменения механических свойств объясняются, очевидно, меньшим содержанием углерода, но большим содержанием хрома. Сопоставляя данные по химическому составу и механическим свойствам классов прочности А500С и 460 можно отметить, что увеличение среднего содержания бора с 0.0004 до 0.0012 ÷ 0.0016 % в стали 25Г2С с пониженным содержанием кремния практически не изменяет средние значения прочностных свойств, несколько увеличивая их минимальные значения в массиве данных на 10 ÷ 20 Н/мм2. Однако при этом снижается относительное удлинение на 1 ÷ 2 % (абс.).

Прокат из стали 25Г2С характеризуется наиболее высоким относительным удлинением среди анализируемых марок стали (среднее значение 21.8 %). Однако при этом прочностные свойства соответствуют только обычному уровню несущей способности анкерной крепи (среднее значение предела текучести 470 Н/мм², прочности - 624 Н/мм²). Сравнение с прокатом из стали 25Г2С с пониженным содержанием кремния класса прочности А400С показывает, что с точки зрения обеспечения прочностных свойств снижение среднего содержания хрома с 0.16 до 0.04 % не компенсируется увеличением содержания марганца с 1.19 до 1.36 % и кремния с 0.03 до 0.40 %.

Прокат из стали СтЗГпс диаметром 22 мм характеризуется уровнем свойств, близким к прокату диаметром 25 мм из стали 25Г2С с пониженным содержанием кремния. При этом среднее содержание марганца в стали несколько уменьшено с 1.11 ÷ 1.22 % до 0.90 ÷ 0.95 % и уменьшено содержание хрома среднее значение 0.03 % по сравнению с 0.152 ÷ 0.160 %.

Сравнивая механические свойства проката классов прочности А500С и 460 можно отметить, что влияние содержания бора (0.0034 и 0.0004 % соответственно) в данном случае незначительное.

С целью оценки комплекса прочностных и пластических свойств стали использовали произведение относительного удлинения на предел текучести и предел прочности:
K₁ = δ₅∙σ_т/1000,
K₂ = δ₅∙σ_в/1000,
а также отношение предела прочности к пределу текучести
K₃ = σ_в/σ_т.

Средние значения этих показателей приведены в табл. 3.

Анализируя представленные в таблице данные, можно сделать вывод, что из рассмотренных марок стали по комплексу прочностных и пластических свойств ни одна в полной мере не соответствует требованиям для повышенного и особо высокого уровня несущей способности анкерной крепи.

Проведенный анализ показал, что для гарантированного обеспечения требуемого уровня прочностных и пластических свойств проката для анкерной крепи необходимо оптимизировать химический состав стали. Содержание углерода должно быть меньшим, чем в стали 35ГС (менее 0.37 %). Содержание марганца необходимо обеспечить в диапазоне 1.0 ÷ 1.4 %. Не рекомендуется легирование стали хромом, так как это приводит к повышению прочностных свойств с одновременным снижением пластических. Целесообразно легирование стали кремнием, так как этот элемент при увеличении прочностных свойств в меньшей степени влияет на пластические.

Накопленный опыт производства арматуры подтверждает возможность применения стали, легированной марганцем и кремнием для решения поставленной задачи. Так ранее на меткомбинате “Криворожсталь” были выполнены исследования механических свойств арматуры из стали марок 10ГС2, 20ГС, 20ГС2, 20ГС2Ф.

Арматура диаметром 20 мм из стали 10ГС2 (содержание углерода 0.11 %, кремния - 1.95, марганца - 1.28 %) в горячекатаном состоянии имела следующий уровень механических свойств: предел текучести 443 Н/мм², предел прочности - 600 Н/мм², относительное удлинение - 29 %. В термомеханически упрочненном состоянии арматура характеризовалась хорошим сочетанием прочностных свойств и пластичности. При σ_в = 900 ÷ 1000 Н/мм² относительное удлинение металла в прутках диаметром 10 - 18 мм составило 15 ÷ 17 % [5]. Приведенные данные показывают, что сталь 10ГС2 имеет хорошее соотношение прочностных и пластических свойств.

Арматура диаметром 10 ÷ 14 мм из стали 20ГС2 (содержание углерода 0.17 ÷ 0.22 %, кремния - 1.7 ÷ 2.4, марганца - 1.0 ÷ 1.5 %) в термоупрочненном состоянии (температура самоотпуска - 650 °С) имела следующий уровень свойств: предел текучести 750 ÷ 780 Н/мм², предел прочности - 950 ÷ 980 Н/мм², относительное удлинение - 25 ÷ 28 % [6]. Эти данные позволяют предположить возможность использования в качестве базовой стали 20ГС2 для проката толщиной 22 - 28 мм, так как при достаточно высоком относительном удлинении имеется большой запас прочностных свойств.

Исследования, выполненные на “Криворожстали” [7], а также на Чусовском металлургическом заводе [8], показали возможность обеспечить на арматуре диаметром 12 - 32 мм предел текучести более 500 Н/мм² и относительное удлинение более 20 % в горячекатаном состоянии при изготовлении ее из стали 20ГСФ. Однако использовать такой прокат для анкерной крепи обычной и повышенной несущей способности экономически нецелесообразно.

Таким образом, анализ литературных данных показал возможность получения требуемого комплекса механических свойств для обычного и повышенного уровней несущей способности анкерной крепи на основе низкоуглеродистой стали, легированной марганцем и кремнием. Микролегирование стали ванадием значительно увеличивает прочностные свойства в прокате при небольшом снижении пластических свойств, что может быть использовано для производства анкерной крепи особо высокой несущей способности.

Проведенный анализ результатов сдаточных испытаний арматурного проката, произведенного меткомбинатом “Криворожсталь”, а также технической литературы, позволил рекомендовать производить прокат для анкерной крепи обычного и повышенного уровней несущей способности из стали марок 20ГС2 и 30ГС. Для изготовления первых партий анкерной крепи на меткомбинате “Криворожсталь” с участием Института черной металлургии были выпущены опытно-промышленные партии периодического проката из стали 30ГС в соответствии с ТУ У-14-4-485-2000 “Прокат арматурный для изготовления анкерного крепления горных выработок”.

В процессе исследований было установлено, что при среднем и повышенном содержании углерода, марганца и кремния в стали марки 30ГС механические свойства горячекатаного арматурного проката соответствуют требованиям к обычному уровню несущей способности. При содержании углерода и легирующих элементов на минимальном уровне возможно невыполнение требований к прочностным свойствам (уровень предела текучести снижается до 380 ÷ 410 Н/мм²). В связи с этим было принято решение о применении незначительного термоупрочнения проката в потоке стана. Охлаждение осуществляли в одну стадию до температуры 700 ÷ 720 ºC. Уровень предела текучести при содержании углерода и легирующих элементов на нижнем уровне при этом увеличился до 430 ÷ 480 Н/мм². Изменение относительного удлинения при этом не зафиксировали. Общая величина общемарочной неоднородности прочностных свойств снизилась с 36 ÷ 42 Н/мм² до 32 ÷ 37 Н/мм², пластических - с 1.32 ÷ 1.44 % до 1.11 ÷ 1.32 %. Зафиксировано снижение чувствительности прочностных свойств проката к химическому составу стали.

В результате металлографического исследования установлено, что арматурный прокат имеет у поверхности однослойный темнотравящийся ободок глубиной примерно 2.7 мм. Структура металла в этой зоне состоит из отпущенного мартенсита (до глубины примерно 1.5 мм), далее - верхнетемпературного бейнита и троостита. Затем следует переходная зона глубиной до 0.7 мм, состоящая из троостита, верхнетемпературного бейнита и участков феррита. В основном сечении проката структура состоит из зернистого бейнита, феррита и участков троостита.

Для получения арматурного проката с повышенным уровнем несущей способности температуру самоотпуска снизили до 650 ÷ 670 °С.

Химический состав стали и ее механические свойства приведены в табл. 4.

Выводы

В промышленных условиях металлургического комбината “Криворожсталь” показана возможность производства термоупрочненного периодического проката для анкерной крепи горных выработок обычной и повышенной несущей способности. Опытные партии произведены из стали марки 30ГС. Необходимый комплекс прочностных и пластических характеристик достигается при температурах самоотпуска 700 ÷ 720 и 650 ÷ 670 °С для обычной и повышенной несущей способности соответственно.

Библиографический список

1. Долженков И.Е., Верболов В.Д., Пучикова Л.В. Термическое упрочнение шахтной крепи / Термическая обработка металлов. 1975. № 4. С. 15 - 17.

2. Кристаллизация двухслойных стальных слитков и качество многослойного проката специального назначения / Н.И. Падун, Т.М. Титова, С.Н. Поляков, В.М. Кондратенко // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии. Сб. научн. тр. Киев: Наук. думка. 1995. С. 200 - 203.

3. Булат. А.Ф., Виноградов В.В. Опорно-анкерное крепление горных выработок угольных шахт. Днепропетровск: Ин-т геотехнической механики НАН Украины, 2002. 372 с.

4. Литвинский Г.Г., Гайко Г.И., Кулдыркаев Н.И. Стальные рамные крепи горных выработок. К.: Технiка, 1999. 216 с.

5. Новая термомеханически упрочненная арматура из стали марки 10ГС2 / В.В. Калмыков, Ю.В. Дмитриев, О.В. Филимонов и др. // Бетон и железобетон. 1984. № 7. С. 28 - 30.

6. Управление процессом термического упрочнения арматурной стали в потоке прокатного стана / В.А. Сацкий, Ю.Т. Худик, Л.А. Кузъменко и др. // Сталь. 1977. № 1. С. 75 - 77.

7. Высокопрочная арматурная сталь / А.А. Кугушин, И.Г. Узлов, В.В. Калмыков и др. М.: Металлургия, 1986. 272 с.

8. Горячекатаная свариваемая арматурная сталь 20ГСФ класса А500С / В.В. Дегтярев, Л.А. Зборовский, А.Е. Демидов и др. // Сталь. 2001. № 2. С. 58 - 59.

Опубликовано:

Термоупрочненный периодический прокат для анкерной крепи горных выработок / Г.В. Левченко, А.В. Кекух, В.А. Поляков и др. // Металлургическая и горнорудная промышленность. 2003. № 5. С. 58 - 61.

См. также:

ТУ 006 Прокат для изготовления анкеров

ТУ 652 Прокат для изготовления анкерного крепления горных выработок

Прокат винтового профиля для анкерного крепления

К началу страницы

Web-сайт “Термист” (termist.com)
Термомеханическое упрочнение арматурного проката

Отсутствие ссылки на использованный материал является нарушением заповеди "Не укради"

Редактор сайта: Гунькин И.А. (termist.com@gmail.com)