CN108754339B - Npr锚杆钢材料的生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种NPR锚杆钢材料的生产方法，步骤包括中频冶炼工序、精炼工序、连续模铸工序、加热炉加热工序、连续热轧工序、连续冷轧工序。本发明的NPR锚杆钢材料的生产方法有效地解决了现有技术中的锚杆抗拉强度低、有效延伸率低问题。本发明NPR锚杆钢材料屈服强度在500‑1100MPa范围内可调，延伸率在10‑80％可调。

Description

NPR锚杆钢材料的生产方法

技术领域

本发明涉及采矿设备材料技术领域，具体而言，涉及一种NPR锚杆钢材料的生产方法。

背景技术

随着经济建设对能源需求量的增加，以及开采强度的不断加大，浅部资源日益枯竭，国内外矿山相继进入深部开采状态。目前世界上许多金属矿上开采深度已超过1000米，如瑞士，加拿大，澳大利亚，南非等国家的大部分金属矿开采深度已超过1000米，有的甚至超过3000米。在中国，部分金属及有色金属矿山开采深度在800-1000米范围。预计未来20年，我国许多煤矿开采深度将达到1000-2000米。进入深部开采，受高地应力、高地温、高岩溶水压和采矿扰动(“三高一扰动”)等复杂地质条件的影响，工程岩体大都表现为软岩大变形力学状态，工程开挖后，巷道围岩都表现出大变形破坏的特点，具体表现为软岩大变形、岩爆大变形、瓦斯突出大变形等。目前，国内外矿山煤层巷道广泛采用传统锚杆、锚索、U型钢可缩支架等传统材料为基础的支护方式。据统计，我国煤矿巷道以8000km/年的速度增长，其中锚杆支护约占80％，每年数以亿计的锚杆应用于巷道围岩支护。但是，这些锚杆均属于传统泊松比材料，即为塑性硬化材料，变形量小，强度、延伸率及可伸缩量等性能均较低，已经不能适应深部巷道围岩非线性大变形破坏特征，在受到冲击载荷作用下瞬间达到其屈服强度出现锚杆破断失效，而失去承载防护能力，从而造成巷道多次返修、钢架扭曲变形、浇注混凝土开裂等破坏现象。因此，矿山开采深度的不断增加也给深部巷道支护材料的研究提出了严峻的挑战，现已成为国内外岩土力学与地下工程领域研究的热点。传统锚杆材料可分为三类：两点锚固锚杆(如膨胀壳锚杆)、全长锚固锚杆(如螺纹钢，螺纹钢，具有较高的支护阻力，但变形量小，不能适应巷道围岩大变形破坏而被拉断失效)、摩擦型锚杆(通过杆体与孔壁之间的摩擦作用适应围岩弹塑性变形，但承载力较小，无法提供足够的支护阻力)。因此，理想的巷道支护体系不但应当具有足够的强度，还应具有较大的变形量以适应深部巷道围岩非线性大变形破坏特征。近20多年以来，为了控制巷道围岩大变形破坏，国内外研究者开始致力于能量吸收型锚杆的研究。目前，世界上主要的能量吸收型锚杆包括：锥形锚杆(Cone bolt)，Garford锚杆，Roffex锚杆(恒阻力80-90kN，最大变形量300mm)，MCBconebolt(延伸量最大可达180mm)，D型锚杆(恒阻力100-210kN，变形量110-167mm)等。但是由于这些能量吸收锚杆主要通过改变杆体材料或者通过摩擦结构来达到其支护性能，无法同时提供高恒阻力和大变形量，仍无法在实际工程应用中控制深部巷道软岩大变形、岩爆大变形等工程灾害。

综上所述，现有技术中锚杆钢存在的材料问题，导致现有技术中的锚杆抗拉强度低、有效延伸率低。在巷道支撑过程中，现有技术的锚杆不能满足围岩大变形的要求，在使用过程中会出现锚杆断裂的情况。

发明内容

本发明实施例中提供一种NPR锚杆钢材料的生产方法，以解决现有技术中的锚杆抗拉强度低、有效延伸率低问题。

为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了一种NPR锚杆钢材料，NPR锚杆钢材料的组分及重量百分比含量为：C：0.4～0.7％，Mn：15～20％，Si：≤0.1％，Cu：≤0.03％，Cr：≤0.01％，Ni：≤0.02％，S：≤0.001％，P：≤0.001％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

进一步地，所述NPR锚杆钢材料的热轧态屈服强度500MPa-1100MPa、抗拉强度950MPa-1200MPa、均匀延伸率≥10-80％，并且，所述NPR锚杆钢材料的泊松比值为0.003-0.01。

根据本发明的另一个方面，提供了一种NPR锚杆钢材料的生产方法，NPR锚杆钢材料为热轧圆钢，所述NPR锚杆钢材料为热轧圆钢或冷轧态，屈服强度500MPa-1100MPa、抗拉强度950MPa-1200MPa、均匀延伸率≥10-80％，并且，所述NPR锚杆钢材料的泊松比值为0.003-0.01；

NPR锚杆钢材料的组分及重量百分比含量为：

C：0.4～0.7％，Mn：15～20％，Si：≤0.1％，Cu：≤0.03％，Cr：≤0.01％，Ni：≤0.02％，S：≤0.001％，P：≤0.001％，其余为Fe和不可避免的杂质元素；

生产方法的步骤包括：

中频冶炼工序：加入NPR锚杆钢材料组分配比的合金元素，通过中频炼钢工艺进行冶炼，在冶炼过程中加入活性石灰、萤石进行调整抄渣，完成后进行在线成分化验、补充合金元素，调整钢水的比例为设计比例，并进行脱氧、脱硫、脱磷；

精炼工序：将中频炉冶炼的钢水吊入精炼炉中，采用底部吹氩精炼造渣，氩气量为3-60L/min，向精炼炉中加入氟化钙、石灰、脱渣剂，进一步进行脱氧、脱硫、脱磷；完成后进行在线成分分析、微调钢水化学成分；

连续模铸工序：将经过精炼炉精炼后钢水的出钢温度控制在1560-1590℃，并将精炼后的钢水导入中间包，钢模预先保温的温度控制在200-250℃，进行模铸，自然冷却后，脱模；

加热炉加热工序：将模铸工序后的铸锭冷装放入加热炉里，在1200℃的炉内温度下保温2-4小时；

连续热轧工序：对钢坯进行热轧处理，其中，开轧温度控制在1050℃±50℃，终轧温度控制在850℃±50℃，轧制速度控制在8-10m/s，钢坯热轧处理后自然冷却至室温。

连续冷轧工序：对热轧圆钢进行连续冷轧，根据不同的屈服强度和延伸率的要求，进行不同的退火温度保温1小时，炉外自然冷却处理。

进一步地，在连续模铸工序之后、加热炉加热工序之前，还包括：钢坯检查工序：按照钢坯的表面检测方法，检测其表面缺陷。

进一步地，所述精炼炉为LF精炼炉。

应用本发明的技术方案，本发明的NPR锚杆钢材料相对于现有技术中传统的NPR锚杆钢材料来说，本发明的技术优点在于，NPR锚杆钢材料的屈服强度500MPa-1100MPa、抗拉强度950MPa-1200MPa、均匀延伸率≥10-80％，并且，所述NPR锚杆钢材料的泊松比值为0.003-0.01。

附图说明

图1是本发明实施例的热轧圆钢的NPR锚杆钢材料进行拉伸的实验曲线示意图。

图2是本发明实施例NPR锚杆钢材料在热轧、冷轧以及600℃连续退火1小时后进行拉伸的实验曲线示意图。

图3是本发明实施例PR锚杆钢材料在热轧、冷轧以及580℃连续退火1小时后进行拉伸的实验曲线示意图。

图4是本发明实施例NPR锚杆钢材料在热轧、冷轧以及550℃连续退火1小时后进行拉伸的实验曲线示意图。

图5是本发明实施例的NPR锚杆钢材料的负泊松比效应示意图。

图6是本发明实施例的NPR锚杆钢材料的生产方法的流程示意图。

图7是现有技术中普通锚杆的拉伸的实验曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。

根据本发明的实施例，提供了一种NPR锚杆钢材料，NPR是指基于负泊松比材料(Negative Poisson’s ratio)，所述NPR锚杆钢材料的组分及重量百分比含量为：

C：0.4～0.7％，Mn：15～20％，Si：≤0.1％，Cu：≤0.03％，Cr：≤0.01％，Ni：≤0.02％，S：≤0.001％，P：≤0.001％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

C：是提高钢材强度最有效的元素，选择0.4～0.7％使其塑性和韧性保持原有水平，保证冲击性能恶化。

Mn：主要是固溶于铁素体中提高材料的强度，其又是良好的脱氧剂和脱硫剂，含有一定量的锰可以消除或减弱因硫引起的脆性，从而改善钢的加工性能。

Si：在钢中不形成碳化物，是以固溶体的形态存在于铁素体或者奥氏体中，显著提高钢的弹性极限、屈服强度和屈强比，故含量偏低，所以选择Si的范围在≤0.1％。

Cu：微量铜的加入可以提高钢的强度和屈强比。

Cr：铬能提高碳素钢轧制状态的强度和硬度，降低伸长率和断面收缩率，含一定量的铬，可以提高钢的强度。

Ni：镍能提高钢的强度、韧性、淬透性，含一定量的镍，可以改善强度和韧性。

P、S：作为有害元素，其含量越低越好。S含量过高，会形成大量的MnS夹杂，降低钢材的延展性和韧性，因此含量越低越好，所以选择S的范围在≦0.001％；P易在晶界偏析，增加钢的脆性，使冲击性能大幅降低，因此含量越低越好，所以选择P的范围在≦0.001％。

图2示出了以本发明提供的NPR锚杆钢材料进行拉伸的实验曲线，可以从图2中看出，热轧、冷轧、以及600度连续退火一小时后NPR锚杆钢材料拉伸前后的拉力-位移曲线，其屈服强度17吨(170KN，600MPa)，抗拉强度27.3吨(273KN，963MPa)，拉伸前的NPR锚杆钢材料长度为810mm，最后伸长距离为463.98mm，均匀延伸率≥57％。由此可见，本发明的NPR锚杆钢材料相对于现有技术中传统的NPR锚杆钢材料来说，本发明的技术优点在于，NPR锚杆钢材料的屈服强度可达到600MPa，抗拉强度950MPa，而且在保持高强度的情况下，还具备57％的延伸率。图7是现有技术中目前大面积使用的普通锚杆的拉伸的实验曲线示意图，其屈服强度520MPa(200KN)，抗拉强度700MPa(272KN)，延伸率15％。

另外，本发明的NPR锚杆钢材料不仅有如上的优点，还能表现出明显的负泊松比效应。参见图5所示，普通锚杆的动态泊松比值，与NPR锚杆材料(即本发明NPR锚杆钢材料)动态泊松比值的测试值；图中阴影区为NPR锚杆材料(即本发明NPR锚杆钢材料)的负泊松比效应区；其泊松比值为0.003，相对于普通锚杆泊松比0.03，表现出明显的负泊松比效应。

综上所述，NPR锚杆钢材料的热轧态屈服强度500MPa-1100MPa、抗拉强度950MPa-1200MPa、均匀延伸率≥10-80％，并且，NPR锚杆钢材料的泊松比值为0.003-0.01。

本发明还提供了一种NPR锚杆钢材料的生产方法的实施例，参见图6，所述NPR锚杆钢材料为热轧圆钢，所述NPR锚杆钢材料的热轧态屈服强度≥600MPa、抗拉强度≥950MPa、均匀延伸率≥57％，并且，所述NPR锚杆钢材料的泊松比值为0.003。图6与图7对比可以看出本发明的NPR锚杆钢材料具有更高的屈服强度、抗拉强度、延伸率、以及均匀延伸、无明显颈缩等特点，其性能大大优于普通的锚杆材料。

所述NPR锚杆钢材料的组分及重量百分比含量为：

C：0.4～0.7％，Mn：15～20％，Si：≤0.1％，Cu：≤0.03％，Cr：≤0.01％，Ni：≤0.02％，S：≤0.001％，P：≤0.001％，其余为Fe和不可避免的杂质元素；

所述生产方法的步骤包括：

中频冶炼工序S10：加入所述NPR锚杆钢材料组分配比的合金元素，通过中频炼钢工艺进行冶炼，在冶炼过程中加入活性石灰、萤石进行调整抄渣，完成后进行在线成分化验、补充合金元素，调整钢水的比例为设计比例，并进行脱氧、脱硫、脱磷。

精炼工序S20：将中频炉冶炼的钢水吊入LF精炼炉中，采用底部吹氩精炼造渣，氩气量为3-60L/min，向LF精炼炉中加入氟化钙、石灰、脱渣剂，进一步进行脱氧、脱硫、脱磷；完成后进行在线成分分析、微调钢水化学成分。

连续模铸工序S30：将经过LF精炼炉精炼后钢水的出钢温度控制在1560-1590℃，并将精炼后的钢水导入中间包，钢模预先保温的温度控制在200-250℃，进行模铸，自然冷却后，脱模。

钢坯检查工序S40：按照钢坯的表面检测方法，检测其表面缺陷。

加热炉加热工序S50：将模铸工序后的铸锭冷装放入加热炉里，在1200℃的炉内温度下保温2-4小时。

连续热轧工序S60：对钢坯进行热轧处理，其中，开轧温度控制在1050℃±50℃，终轧温度控制在850℃±50℃，轧制速度控制在8-10m/s，钢坯热轧处理后自然冷却至室温。

连续冷轧工序S70：对热轧圆钢进行连续冷轧，根据不同的屈服强度和延伸率的要求，进行不同的退火温度保温1小时，炉外自然冷却处理。

上述的NPR锚杆钢材料生产方法，冶炼成分简单，控制稳定，而且生产成本效果高、生产成本低。解决了现有技术中锚杆生产方法或者生产工艺中程序复杂、生产成本高、生产效率低下的问题。根据上述生产方法得到的NPR锚杆钢材料，相对于现有技术中传统的NPR锚杆钢材料来说，本发明的技术优点在于，NPR锚杆钢材料的屈服强度可达到600MPa，抗拉强度950MPa，而且在保持高强度的情况下，还具备57％的延伸率。而且，基于提供的NPR锚杆钢材料，本发明的还NPR锚杆钢材料具有如下优点：可以根据不同屈服强度和延伸率的要求，变形量控制在20％以内，NPR锚杆钢材料屈服强度在500-1100MPa范围内可调，延伸率在10-80％可调，具体参见图1至图4。其中，图1为热轧圆钢的NPR锚杆钢材料的拉伸前后的拉力-位移曲线，该NPR锚杆钢材料为热轧状态，不经过冷轧退火处理。图2是本发明实施例热轧圆钢+冷轧+600℃连续退火1小时的NPR锚杆钢材料进行拉伸的实验曲线示意图。图3是本发明实施例热轧圆钢+冷轧+580℃连续退火1小时的NPR锚杆钢材料进行拉伸的实验曲线示意图。图4是本发明实施例的热轧圆钢+冷轧+550℃连续退火1小时的NPR锚杆钢材料进行拉伸的实验曲线示意图。根据图1至图4可以看出，在直径可调的NPR锚杆钢材料以及冷轧后不同退火温度的，NPR锚杆钢材料屈服强度还能保持在500-1100MPa范围内，而且还能将NPR锚杆钢材料的延伸率保持在10-80％。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

当然，以上是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明基本原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种NPR锚杆钢材料的生产方法，其特征在于，所述NPR锚杆钢材料为热轧圆钢或冷轧态，所述NPR锚杆钢材料的热轧态屈服强度500MPa-1100MPa、抗拉强度950MPa-1200MPa、均匀延伸率≥10-80％，并且，所述NPR锚杆钢材料的泊松比值为0.003-0.01；

所述NPR锚杆钢材料的组分及重量百分比含量为：

C：0.4～0.7％，Mn：15～20％，Si：≤0.1％，Cu：≤0.03％，Cr：≤0.01％，Ni：≤0.02％，S：≤0.001％，P：≤0.001％，其余为Fe和不可避免的杂质元素；

所述生产方法的步骤包括：

中频冶炼工序(S10)：加入所述NPR锚杆钢材料组分配比的合金元素，通过中频炼钢工艺进行冶炼，在冶炼过程中加入活性石灰、萤石进行调整抄渣，完成后进行在线成分化验、补充合金元素，调整钢水的比例为设计比例，并进行脱氧、脱硫、脱磷；

精炼工序(S20)：将中频炉冶炼的钢水吊入精炼炉中，采用底部吹氩精炼造渣，氩气量为3-60L/min，向精炼炉中加入氟化钙、石灰、脱渣剂，进一步进行脱氧、脱硫、脱磷；完成后进行在线成分分析、微调钢水化学成分；

连续模铸工序(S30)：将经过精炼炉精炼后钢水的出钢温度控制在1560-1590℃，并将精炼后的钢水导入中间包，钢模预先保温的温度控制在200-250℃，进行模铸，自然冷却后，脱模；

加热炉加热工序(S50)：将模铸工序后的铸锭冷装放入加热炉里，在1200℃的炉内温度下保温2-4小时；

连续热轧工序(S60)：对钢坯进行热轧处理，其中，开轧温度控制在1050℃±50℃，终轧温度控制在850℃±50℃，轧制速度控制在8-10m/s，钢坯热轧处理后自然冷却至室温；

连续冷轧工序(S70)：对热轧圆钢进行连续冷轧，根据不同的屈服强度和延伸率的要求，进行不同的退火温度保温1小时，炉外自然冷却处理。

2.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于，在所述连续模铸工序(S30)之后、所述加热炉加热工序(S50)之前，还包括：

钢坯检查工序(S40)：按照钢坯的表面检测方法，检测其表面缺陷。

3.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于，所述精炼炉为LF精炼炉。

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