摘  要：为满足对高强韧矿用树脂锚杆钢筋的需求，山东石横特钢集团有限公司通过合理的化学成分及生产工艺设计，成功地开发出σ_s＞600MPa、δ₅>18%、A_k>25J的优质树脂锚杆钢筋。该钢筋在煤矿巷道中支护效果明显，可比普通强度锚杆钢筋用量减少5％以上。

关键词：高强韧树脂锚杆钢筋；成分设计；丁艺设计；产品开发

l  前言

    锚杆支护是煤矿井巷中应用广泛的一项重要支护技术，树脂锚杆的杆体(锚杆钢筋)按力学性能分为3类：普通锚杆(σ_s<340MPa)、高强度锚杆(σ_s=340～600MPa)、超高强度锚杆(σ_s>600MPa)。目前国内绝大多数井巷使用335MPa级的普通锚杆，使用锚杆强度最高的为500MPa级，δ₅一般要求大于20％；国外煤巷锚杆支护多采用经过热处理的超高强度锚杆钢

筋，其塑性指标较低(δ₅≤15 0／oo)，难以在我国复杂的地矿条件下使用。为了进一步提高煤炭开采效率及生产的安全性，煤炭行业提出使用600MPa高强韧树脂锚杆钢筋的要求。为此，石横特钢集团有限公司于2004年7月开始研制，经不断优化工艺，成功地开发出综合性能优良、成本低的产品，填补了国内空白，并于2006年5月申报了国家发明专利。

2  技术要求与难点分析

2．1  技术要求

    (1)力学性能要求

    要求高强韧树脂锚杆的σ_s≥600MPa，σ_b ≥81 5MPa，且δ₅≥18％；使用时，不得发生低应力脆断，20℃冲击功A_k≥25J。

    (2)外观质量要求

    钢筋表面无纵肋，横肋为单向左旋，具体要求与同规格普通强度锚杆钢筋相同，具体尺寸要求见表1，外形特点见图1。

2．2难点分析

    通常，随拉伸强度的提高，伸长率降低。因而，强度水平的提高受到塑性需求的制约；塑性降低还导致缺口敏感性增加，冲击韧性随拉伸强度提高而降低。因此，设计合理的化学成分和生产工艺才能生产出成本低、质量优良的产品。

3  方案设计

3．1  设计原理

    设计时遵循以下原理：

    首先，根据C、Si、Mn含量对性能的影响，合理地设计钢种成分。由于电炉钢通常[N]含量较高，[N]>80×10^-6，而σ_s>400MPa的高强度棒材和钢筋多采用含V、Nb的微合金化钢，当钢中V、N含量较高时，极易形成V(CN)、Nb(CN)化物，起到很强的沉淀析出强化作用，其中V微合金化更有效，生产工艺最稳定，所以采用适量的V微合金化来提高锚杆钢筋的强度；其次，提高塑性最重要的方法是提高钢的纯洁度，因此要降低S、P等杂质含量；冲击韧性是高强韧钢的最重要性能之一，其随抗拉强度的提高而降低，并随纯洁度提高而大为改善口]。再有，利用控轧控冷原理，采用降低开、终轧温度及轧后控冷工艺来细化晶粒，细晶强化可进一步提高产品的综合力学性能。

3．2化学成分设计

    目前500MPa级锚杆钢筋的主要化学成分：0．18％～0．25％C、0．40％～0．70％Si、1．30％～1．60％Mn。力学性能：屈服强度545～580MPa、抗拉强度680～735MPa、伸长率21％～23％。

    通过对Φ22mmHRB400带肋钢筋进行化学成分与力学性能回归分析，得出每增加0．01％C，屈服强度可提高10～12MPa。但由于增加C含量不利于钢筋强度以外的所有性能，因此在保证强度前提下应尽可能降低C含量。根据500MPa锚杆钢筋的性能情况，确定C含量为0．25％～0．28％。

    为确保强度指标达到目标要求，Si、Mn含量按500MPa高强度锚杆的成分上限控制。

    根据Φ22mmHRB335与HRB400(其成分为HRB335成分加0．04％～0．06％V构成)的性能统计分析可知，每增加0．0l%V，屈服强度可提高12～14MPa；同时根据控轧控冷工艺对性能的影响，综合考虑后决定在500MPa高强度锚杆钢筋基础上增加0．03％的V。

根据以上分析确定了BHRB600的化学成分。

3．3生产工艺方案设计

3．3．1生产工艺流程

70tConsteel电弧炉冶炼→70tLF炉精炼→R9m4机4流弧形连铸→150mm×150mm方铸坯检验→上料→钢坯加热→18架平立交替轧机无扭轧制→飞剪分段→冷却→定尺、打捆→检验、入库。

3．3．2铸坯质量及冶炼工艺控制

    (1)铸坯质量控制。

    对BHRB600锚杆化学成分的内控要求：C：0．25％～0．28％，Si：0．40％～0．60％，Mn：1．45％～1．60％，Cr+Ni+Cu≤0．20％，参照特级优质钢的要求确定P、S≤0．020％，控制[O]≤40×10一、[N]≤70×lO一。夹杂物的控制要求：脆性夹杂物≤2．5级，塑性夹杂物≤2．5级，二者合计≤4．5级。铸坯缩孔≤2级。

    (2)冶炼工艺控制要点

    钢铁料要求加入单一中型废钢和铁水，废钢控制比例为10％～15％，铁水和生铁加入比例控制在85％～90％，严禁采用非标生铁。有以下情况之一者不得冶炼本钢种：新炉前5炉和补炉后第1炉，新钢包前两炉，原材料潮湿，连铸结晶器漏水。

    为保证钢的洁净度，采用全保护浇注，精炼出钢后进行软吹氩，严禁钢水裸露，钢水液面波动直径控制在20crn左右，且软吹氩时间不小于10min。整个精炼期间均需保持精炼炉内的还原性气氛，防止吸气。结晶器钢液面距上口80～100mm，液面实行自动控制。

    为避免铸坯出现缩孔、裂纹缺陷，过热度控制在20～35℃，为防止铸坯中心成分偏析，确保铸坯内部质量，采用结晶器电磁搅拌和铸坯凝固末端电磁搅拌。要确保连铸拉速波动小于0．1m／min；二冷段采用气雾冷却，保证铸坯冷却均匀。

3．3．3  轧制工艺参数的确定

结合设备能力确定开轧温度为950～990℃，采用降速方式使终轧温度控制在930～950℃，由于粗、中轧之间无控冷水箱，因此终轧速度超过10m／s时，成品会有一定温升。根据实测，终轧速度为8．5m／s时，可保证要求的终轧温度。另外，轧后采用弱穿水工艺。其余要求与同规格的普通锚杆钢筋相同。

4  试制结果

    随机抽检4个批次的20支锚杆钢筋试样进行尺寸、成分、组织和性能检验。

4．1外形尺寸及质量

    对产品的外形尺寸、表面质量等外观质量进行检验，钢筋表面无缺陷，外形尺寸合格。

4．2  化学成分

    实际锚杆的化学成分见表2。[O]、[N]实际控制范围分别为30～38×10^-6、48～65×10^-6。

4．3非金属夹杂物

    实际锚杆内含非金属夹杂物：脆性夹杂物为1．0～1．5级，无塑性夹杂物。

4．4  力学性能

    力学性能检验结果见表3。南表3可见，钢筋的屈强比较好，有较高的安全性。冷弯性能检验，采用90mm弯心直径弯曲180℃后，受弯曲部位表面没有产生裂纹，冷弯性能良好。

4．5  金相组织

    钢筋的金相组织均为珠光体+少量铁素体，晶粒度达到8．5～9．0级，见图2。

    以上检验结果表明，BHRB600达到高强韧锚杆钢筋设计指标。

5  工艺改进

    为进一步降低生产成本，进行了如下工艺优化：

    (1)根据粗轧机的电机负荷情况决定进一步降低开轧温度20℃，在未再结晶区轧制，以进一步细化晶粒；

    (2)利用超快速穿水冷却工艺，使终轧温度由940℃迅速降到相变温度，抑制终轧后奥氏体晶粒尺寸的粗化。

通过以上工艺优化，可使材料的晶粒度细化1．5～2．0级，使钒的用量降低到500MPa锚杆钢筋水平并可适当降低Mn含量，产品的综合性能指标完全达到设计要求。将BHRB600锚杆钢筋加工成树脂锚杆后在兖矿集团有限公司材料试验中心检验合格，产品质量达到用户要求。

6  结语

BHRB600高强韧微合金化树脂锚杆钢筋综合性能优良，用于煤矿巷道支护具有较高的安全系数，与普通强度锚杆钢筋相比，开采效率提高10％以上，因此该产品具有安全、高效、经济的优点。该锚杆还可用于其他矿山巷道、各类隧道等岩土工程支护与加固。