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CN102816971B - 一种冲击功大于100焦耳的超高强度锚杆及其制造工艺 - Google Patents

一种冲击功大于100焦耳的超高强度锚杆及其制造工艺 Download PDF

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Anyang Longteng Special Steel Manufacturing Co., Ltd.
Sun Benrong
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Abstract

本发明公开了一种冲击功大于100焦耳超高强度锚杆及制造工艺。该杆件为直径16-40毫米；长度2-12米，外形可为光圆、无纵肋月牙肋(左旋或右旋)、无纵肋螺纹肋(左旋或右旋)；屈服强度600-830MPa；室温冲击吸收功AKV2不小于100J；成份为C：0.1-0.5％、Si：0.3-1.0％、Mn：0.5-1.5％、S、P：≤0.035％可适量加入V、Ti、Nb，其余成分为Fe。采用快速加热，加热温度不超过850℃，水冷并回火，回火温度不超过550度，再次水冷工艺。得到铁素体、马氏体、残余奥氏体的复相组织，具有良好抗顶板层的压力冲击性能。

Description

一种冲击功大于100焦耳的超高强度锚杆及其制造工艺
技术领域：本发明涉及矿用支护锚杆及其生产方法。
技术背景：中国目前煤矿的煤层开采深度以平均每年增长9m的速度开进，采深大于700m的矿井有50处之多，最深的已超过1000m。而中国煤炭资源总量的53％埋深大于1000m，由于深层开采的高地应力，高冲击地压和大的围岩流变，给巷道锚杆支护带来了严重的困难。
目前国内锚杆，普遍采用的是热轧HRB335和HRB400级的钢筋，HRB500，HRB600级钢筋。这些锚杆特点是HRB335和HRB400级室温冲击功较高，延伸率也较高，但强度太低，HRB600级钢筋强度较高但室温冲击功AKV2仅为30-40焦耳。这些强度级锚杆其性能无法满足当今矿业发展需要。
巷道支护技术是煤炭开采工程中的一项关键技术。煤矿巷道的围岩条件是千变万化的，随着开采深度加大，地质条件会更加复杂和恶劣，压力比较大和煤体比较破碎，是影响巷道支护质量和效果的一个主要因素，采用何种支护方式才能确保巷道的安全使用以及后期工作面的安全回采，是困扰广大工程技术人员的一大技术难题。
随着开采深度增大，开采强度增大，一些煤矿生产地质条件逐渐恶劣，巷道支护也越来越困难。例如漳村煤矿受多次强烈动压影响的巷道、常村煤矿高地压蠕变围岩巷道、五阳煤矿小煤柱动压掘进巷道、余吾煤业破碎围岩巷道等的出现，对锚杆支护材料的强度、冲击韧性及延伸率有了进一步的要求。针对各矿复杂困难巷道支护中所存在的由于锚杆强度不足、冲击韧性不足等原因引起锚杆破断巷道支护失效的问题，亟需寻找一种新型的高强度、高冲击韧性的强力锚杆来满足复杂特殊条件下的巷道支护。锚杆强度和预紧力要求都比较高，以便保证支护系统的强度与刚度能够满足现场需求。
我们最新研发的高强度、高冲击韧性及高延伸率的锚杆--冲击功大于100焦耳超高强度锚杆能够解决复杂困难条件下巷道支护的难题。这种新型锚杆是普通钢筋经过特殊热处理得到的，具有加工简单，强度、冲击韧性及延伸率等综合性能优于目前所存有型号锚杆的优点，还可以施加较高的预应力，提高支护强度，控制复杂困难条件下巷道支护难题，以保证矿井安全生产。
发明内容：本发明的目的是提供一种杆体性能室温冲击功AKV2值100焦耳以上，屈服强度600-830MPa之间，断后伸长率A19％以上，最大力总延伸率Agt9％以上的锚杆以满足复杂困难条件下巷道支护难题要求。
为实现这一目的，本发明提供了如下方案：以热轧铁素体加珠光体钢筋为原料，原料中含有0.1-0.5％的碳、0.3-1.0％的硅、0.5-1.5％的锰、不超过0.035％的硫、磷，按用途需要可适量加入钒、钛、铌等元素，其余成分为铁；外形按用途可为光圆、无纵肋月牙肋螺旋(左旋或右旋)、无纵肋螺纹肋螺旋(左旋或右旋)进行连续特殊热处理。
特殊热处理包括连续感应加热生产线淬火，和回火。淬火和回火加温采用中频加超音频感应加热处理方式。此过程包括：加热温度不超过850℃，保温2-3秒，淬火，160±10℃保温6-12秒，回火温度不超过550℃，冷至室温。在此过程中碳从过饱和的马氏体扩散到残余奥氏体并不发生碳的析出，使富碳的奥氏体在随后冷却到室温的过程中保持稳定而不发生马氏体相变，以达到钢筋超高韧性和伸长率的目的。
成品公称直径为16-40毫米，长度为2-12米，室温冲击吸收功AKV2≥100J，屈服强度等级600-830MPa，A≥19％，Agt≥9％，表面无裂纹。
本发明的优势在于杆体高强高延性高冲击，室温冲击功AKV2值在100焦耳以上，是目前现存传统锚杆所无法相比的，很好解决了高地应力，高冲击地压和大的围岩流变等瞬间强力动载荷的破坏给巷道锚杆支护带来的严重的困难问题。
实施方式：下面结合实例介绍本发明的具体实施方式：
实例1
选择一种335MPa级，直径20mm热轧铁素体加珠光体钢筋含碳0.20％，锰1.35％，硅0.48％，硫0.025％，磷0.022％，其余为铁和微量杂质。在连续不间断式中频加超音频感应加热炉中加热，温度845℃，保温3秒，水冷淬火，在160℃保温10秒，回火温度400℃，水冷至室温，截成所需锚杆长度。
该钢筋经以上生产工艺热处理后，室温冲击功AKV2值为151焦耳，屈服强度为643Mpa、抗拉强度Rm值为835Mpa，断后伸长率A值达到23.5％，最大力总延伸率Agt值达到12.5％，组织为残留奥氏体，铁素体加回火马氏体复项组织(见图1)。
实例2
选择一种335MPa级，直径26mm热轧铁素体加珠光体钢筋含碳0.25％，锰1.40％，硅0.46％，硫0.033％，磷0.026％，钒0.04％其余为铁及杂质。在连续不间断式中频加超音频感应加热炉中加热，温度840℃，保温3秒，水冷淬火，在162℃保温10秒，回火温度450℃，水冷至室温，截成所需锚杆长度。
该钢筋经以上生产工艺热处理后，室温冲击功AKV2值为122焦耳，屈服强度为720Mpa、抗拉强度Rm值为957Mpa，断后伸长率A值达到22.0％，最大力总延伸率Agt值达到11％，组织为铁素体、残留奥氏体加马氏体的复项组织(见图2)。
实例3
选择一种335MPa级，直径22mm热轧铁素体加珠光体钢筋含碳0.22％，锰1.45％，硅0.46％，硫0.013％，磷0.020％，钒0.080％。在连续式中频加超音频感应加热炉中加热，温度840℃，保温3秒，水冷淬火，160℃保温10秒，回火温度500℃，水冷至室温，截成所需锚杆长度。
该钢筋经以上生产工艺热处理后，室温冲击功AKV2值为102焦耳，屈服强度为830Mpa、抗拉强度Rm值为1050Mpa，断后伸长率A值达到19.0％，最大力总延伸率Agt值达到10％，组织为铁素体、残留奥氏体加马氏体的复项组织(见图3)。
附图说明：图1是钢筋显微组织图。
图2是钢筋显微组织图。
图3是钢筋显微组织图。

Claims (4)

1.一种冲击功大于100焦耳的超高强度锚杆的生产工艺，其特征在于，所述工艺步骤如下： 
（1）选择一种335MPa级，直径20mm热轧铁素体加珠光体钢筋作为原料，其中所述钢筋含碳0.20%，锰1.35%，硅0.48%，硫0.025%，磷0.022%，其余为铁和微量杂质； 
（2）在连续不间断式中频加超音频感应加热炉中加热，温度845℃，保温3秒，水冷淬火，在160℃保温10秒，回火温度400℃，水冷至室温，截成所需锚杆长度； 
其中，所述钢筋经以上生产工艺热处理后，室温冲击功AKV2值为151焦耳，屈服强度为643MPa、抗拉强度Rm值为835MPa，断后伸长率A值达到23.5%，最大力总延伸率Agt值达到12.5%，组织为残留奥氏体，铁素体加回火马氏体复相组织。 
2.一种冲击功大于100焦耳的超高强度锚杆的生产工艺，其特征在于，所述工艺步骤如下： 
（1）选择一种335MPa级，直径26mm热轧铁素体加珠光体钢筋作为原料，其中所述钢筋含碳0.25%，锰1.40%，硅0.46%，硫0.033%，磷0.026%，钒0.04%，其余为铁及杂质； 
（2）在连续不间断式中频加超音频感应加热炉中加热，温度840℃，保温3秒，水冷淬火，在162℃保温10秒，回火温度450℃，水冷至室温，截成所需锚杆长度； 
其中，所述钢筋经以上生产工艺热处理后，室温冲击功AKV2值为122焦耳，屈服强度为720MPa、抗拉强度Rm值为957MPa，断后伸长率A值达到22.0%，最大力总延伸率Agt值达到11%，组织为铁素体、残留奥氏体加马氏体的复相组织。 
3.一种冲击功大于100焦耳的超高强度锚杆的生产工艺，其特征在于，所述工艺步骤如下： 
（1）选择一种335MPa级，直径22mm热轧铁素体加珠光体钢筋作为原料，其中所述钢筋含碳0.22%，锰1.45%，硅0.46%，硫0.013%，磷0.020%，钒0.080%； 
（2）在连续式中频加超音频感应加热炉中加热，温度840℃，保温3秒，水冷淬火，160℃保温10秒，回火温度500℃，水冷至室温，截成所需锚杆长度； 
其中，所述钢筋经以上生产工艺热处理后，室温冲击功AKV2值为102焦耳，屈服强度为830MPa、抗拉强度Rm值为1050MPa，断后伸长率A值达到19.0%，最大力总延伸率Agt值达到10%，组织为铁素体、残留奥氏体加马氏体的复相组织。 
4.根据权利要求1-3任意一项所述的生产工艺，其特征在于：将钢筋在连续热处理生产线上实现从奥氏体区淬火至马氏体相变开始温度与终了温度之间的某一个温度，并在此温度适当保温，使碳从过饱和的马氏体中扩散到残余奥氏体中去，同时保证在这个扩散过程中，不发生碳的析出，从而使富碳的残留奥氏体在随后冷却到室温的 过程中保持稳定而不发生马氏体相变，在淬火和回火工序之间增加这个碳扩散过程，达到提高钢筋韧性和伸长率的目的。
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