Размещено на http://www.allbest.ru/

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 ан-керной крепи горных выработок обычной и повышенной не-сущей способности в условиях металлургического комбината «Криворожсталь».

В настоящее время доля затрат на проведение, крепление и поддержание горных выработок дос-тигает 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 оп-тимизации химического состава стали и режимов термического упрочнения [1, 2]. Однако, анали-зируя результаты научных наблюдений, большин-ство исследователей пришли к выводу, что ника-кая технологически выполнимая и экономически целесообразная рамная крепь выработок, прово-димых в горных породах на больших глубинах, не может в полной мере противодействовать горно-му давлению, и поэтому бороться с образовани-ем 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 ан-керные штанги, изготавливаемые из круглого про-ката периодического профиля, отличающегося от строительного (ГОСТ 3760) не только геометри-ческими параметрами, но и более высоким ком-плексом прочностных и пластических характери-стик (табл. 1) [3].

Таблица 1 Требуемые механические свойства периоди-ческого проката для анкерной крепи (не менее)

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

Для решения поставленной задачи проанали-зировали химический состав и механические свой-ства арматурного проката диаметром 22 - 28 мм классов прочности А500С, А400С, 460, произво-димого на меткомбинате “Криворожсталь”. Хими-ческий состав сталей и механические свойства проката приведены в табл. 2.

механический термоупрочненный прокат выработка

Таблица 2 Средние значения содержания химических элементов (%) и механических свойств арматурного проката производства меткомбината “Криворожсталь”

Полученные результаты показывают, что ни один из анализируемых видов проката не соответ-ствует в полной мере необходимому уровню меха-нических свойств, в первую очередь по относи-тельному удлинению.

Прокат из стали 35ГС характеризуется низким относительным удлинением _ средние значения 15.7 ч 17.3 % при требуемом минимальном 20 %. При этом средний предел текучести проката диамет-ром 22 и 28 мм (492 ч 509 Н/мм²) удовлетворяет требованиям к обычному уровню несущей способ-ности проката для анкерной крепи и соответству-ет минимальному значению для повышенного уровня. Несколько выше средний предел текучес-ти проката диаметром 25 мм (541 Н/мм²). Предел прочности большинства партий соответствует тре-буемому для обычного и повышенного уровня несущей способности. Однако можно предполо-жить, 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 содер-жанием 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 пре-дела текучести (средние значения 535 ч 586 Н/мм²) и несколько меньшими значениями предела проч-ности (средние значения 660 ч 705 Н/мм²) по срав-нению с прокатом из стали 35ГС. Такие измене-ния механических свойств объясняются, очевид-но, меньшим содержанием углерода, но большим содержанием хрома. Сопоставляя данные по хи-мическому составу и механическим свойствам классов прочности А500С и 460 можно отметить, что увеличение среднего содержания бора с 0.0004 до 0.0012 ч 0.0016 % в стали 25Г2С с пониженным содержанием кремния практически не изменяет средние значения прочностных свойств, несколь-ко увеличивая их минимальные значения в масси-ве данных _ на 10 ч 20 Н/мм². Однако при этом сни-жается относительное удлинение на 1 ч 2 % (абс.).

Прокат из стали 25Г2С характеризуется наибо-лее высоким относительным удлинением среди ана-лизируемых марок стали (среднее значение 21.8 %). Однако при этом прочностные свойства соответ-ствуют только обычному уровню несущей способ-ности анкерной крепи (среднее значение предела текучести 470 Н/мм², прочности _ 624 Н/мм²). Срав-нение с прокатом из стали 25Г2С с пониженным содержанием кремния класса прочности А400С показывает, что с точки зрения обеспечения проч-ностных свойств снижение среднего содержания хрома с 0.16 до 0.04 % не компенсируется увели-чением содержания марганца с 1.19 до 1.36 % и кремния с 0.03 до 0.40 %.

Прокат из стали СтЗГпс диаметром 22 мм ха-рактеризуется уровнем свойств, близким к прока-ту диаметром 25 мм из стали 25Г2С с понижен-ным содержанием кремния. При этом среднее со-держание марганца в стали несколько уменьшено с 1.11 ч 1.22 % до 0.90 ч 0.95 % и уменьшено содер-жание хрома _ среднее значение 0.03 % по сравне-нию с 0.15 ч 0.16 %.

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 произ-ведение относительного удлинения на предел те-кучести и предел прочности:

K₁ = д₅?у_т/1000,

K₂ = д₅?у_в/1000,

а также отношение предела прочности к пределу текучести

K₃ = у_в/у_т.

Средние значения этих показателей приведе-ны в табл. 3.

Анализируя представленные в таблице дан-ные, можно сделать вывод, что из рассмотренных марок стали по комплексу прочностных и пласти-ческих свойств ни одна в полной мере не соответ-ствует требованиям для повышенного и особо высокого уровня несущей способности анкерной крепи.

Проведенный анализ показал, что для гаран-тированного обеспечения требуемого уровня прочностных и пластических свойств проката для анкерной крепи необходимо оптимизировать хи-мический состав стали. Содержание углерода долж-но быть меньшим, чем в стали 35ГС (менее 0.37 %). Содержание марганца необходимо обеспечить в диапазоне 1.0 ч 1.4 %. Не рекомендуется легирова-ние стали хромом, так как это приводит к повы-шению прочностных свойств с одновременным снижением пластических. Целесообразно легиро-вание стали кремнием, так как этот элемент при увеличении прочностных свойств в меньшей сте-пени влияет на пластические.

Таблица 3 Средние значения показателей К₁, К₂ и К₃

^*) - сталь с пониженным содержанием кремния

^**) - минимальные рассчитанные значения для уровней несущей способности анкерной крепи

Накопленный опыт производства арматуры подтверждает возможность применения стали, ле-гированной 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, мар-ганца _ 1.28 %) в горячекатаном состоянии имела следующий уровень механических свойств: предел текучести _ 443 Н/мм², предел прочности _ 600 Н/мм², относительное удлинение _ 29 %. В термомеханичес-ки упрочненном состоянии арматура характери-зовалась хорошим сочетанием прочностных свойств и пластичности. При у_в = 900 ч 1000 Н/мм² относи-тельное удлинение металла в прутках диаметром 10 _ 18 мм составило 15 ± 17 % [5]. Приведенные дан-ные показывают, что сталь 10ГС2 имеет хорошее соотношение прочностных и пластических свойств.

Арматура диаметром 10 _ 14 мм из стали 20ГС2 (содержание углерода 0.17 ч 0.22 %, кремния _ 1.7 ч 2.4, марганца _ 1.0 ч 1.5 %) в термоупрочненном состоя-нии (температура самоотпуска 650 °С) имела сле-дующий уровень свойств: предел текучести _ 750 ч 780 Н/мм², предел прочности _ 950 ч 980 Н/мм², относительное удлинение _ 25 ч 28 % [6]. Эти данные позволяют предположить возможность использо-вания в качестве базовой стали 20ГС2 для проката толщиной 22 _ 28 мм, так как при достаточно вы-соком 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 текучес-ти более 500 Н/мм² и относительное удлинение более 20 % в горячекатаном состоянии при изго-товлении ее из стали 20ГСФ. Однако использовать такой прокат для анкерной крепи обычной и по-вышенной несущей способности экономически нецелесообразно.

Таким образом, анализ литературных данных показал возможность получения требуемого ком-плекса механических свойств для обычного и по-вышенного уровней несущей способности анкер-ной крепи на основе низкоуглеродистой стали, легированной марганцем и кремнием. Микроле-гирование стали ванадием значительно увеличи-вает прочностные свойства в прокате при неболь-шом 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 техни-ческой литературы, позволил рекомендовать про-изводить прокат для анкерной крепи обычного и повышенного уровней несущей способности из стали марок 20ГС2 и 30ГС. Для изготовления пер-вых партий анкерной крепи на меткомбинате “Кри-ворожсталь” с участием Института черной метал-лургии были выпущены опытно-промышленные партии периодического проката из стали 30ГС в соответствии с ТУ У_14_4_485_2000 “Прокат арма-турный для изготовления анкерного крепления горных выработок”.

В процессе исследований было установлено, что при среднем и повышенном содержании угле-рода, марганца и кремния в стали марки 30ГС механические свойства горячекатаного арматурно-го проката соответствуют требованиям к обычно-му уровню несущей способности. При содержании углерода и легирующих элементов на минималь-ном уровне возможно невыполнение требований к прочностным свойствам (уровень предела теку-чести снижается до 380 ч 410 Н/мм²). В связи с этим было принято решение о применении незначи-тельного термоупрочнения проката в потоке ста-на. Охлаждение осуществляли в одну стадию до температуры 700 ч 720 єC. Уровень предела текучес-ти при содержании углерода и легирующих эле-ментов на нижнем уровне при этом увеличился до 430 ч 480 Н/мм². Изменение относительного удли-нения при этом не зафиксировали. Общая величи-на общемарочной неоднородности прочностных свойств снизилась с 36 ч 42 Н/мм² до 32 ч 37 Н/мм², пластических _ с 1.32 ч 1.44 % до 1.11 ч 1.32 %. Зафиксировано снижение чувствительности прочностных свойств проката к химическому со-ставу стали.

В результате металлографического исследова-ния установлено, что арматурный прокат имеет у поверхности однослойный темнотравящийся обо-док глубиной примерно 2.7 мм. Структура металла в этой зоне состоит из отпущенного мартенсита (до глубины примерно 1.5 мм), далее _ верхнетем-пературного бейнита и троостита. Затем следует пе-реходная зона глубиной до 0.7 мм, состоящая из троостита, верхнетемпературного бейнита и учас-тков феррита. В основном сечении проката струк-тура состоит из зернистого бейнита, феррита и участков троостита.

Для получения арматурного проката с повы-шенным уровнем несущей способности темпера-туру самоотпуска снизили до 650 ч 670 °С.

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

Таблица 4 Данные по химическому составу и механическим свойствам опытно-промышленных партий проката из стали 30ГС

^*) - Числитель _ среднее значение, знаменатель _ минимальное и максимальное значения

Выводы

В промышленных условиях металлургическо-го комбината “Криворожсталь” показана возмож-ность производства термоупрочненного периоди-ческого проката для анкерной крепи горных вы-работок обычной и повышенной несущей способ-ности. Опытные партии произведены из стали мар-ки 30ГС. Необходимый комплекс прочностных и пластических характеристик достигается при тем-пературах самоотпуска 700 ч 720 и 650 ч 670 °С для обычной и повышенной несущей способности соответственно.

Библиографический список

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

2. Кристаллизация двухслойных стальных слитков и ка-чество многослойного проката специального назна-чения / Н.И.Падун, Т.М.Титова, С.Н.Поля-ков, 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 крепле-ние горных выработок угольных шахт. _ Днепропет-ровск: Ин-т геотехнической механики НАН Украи-ны, 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 ар-матурной 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.Кал-мыков и др. _ М.: Металлургия, 1986. - 272 с.

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

Размещено на Allbest.ru