矿用U 型钢加工开裂原因分析

供稿|凌含聪，李建春，张万庆 /

作者单位：河钢集团唐钢新区，河北 唐山 063611

随着煤炭开采深度的增加，尤其中原地区部分煤矿已开采到地下千米深，开采井下环境越来越复杂，巷道断面不断增大，巷道承受矿压也明显增加，对巷道支护强度提出越来越高的要求。经过长期的实践，矿用U 型钢加工成的可伸缩性拱形金属支架获得了广泛的应用，该支架具有承载能力强、有一定的可伸缩性、维修量小、复用次数高等一系列优点，还可以延长巷道使用寿命，改善安全生产。

唐钢中型作业区1964 年开始研制、生产矿用支护型钢，先后开发18U、25U、29U、36U、40U，材质主要为20MnK、Q400。唐钢中型作业区着力于U 型钢的标准制定，工艺技术的完善，产品规格系列化，建立了按国际先进标准组织生产的工艺生产路线，形成了年产系列矿用U 型钢40 万t 的生产能力，产品在国内的覆盖面达40%以上，成为我国矿用U 型钢最早也是最主要的生产厂家。

生产工艺

U 型钢作为制造煤矿巷道柔性金属支架的主要型钢，具有诸多优点：优良的力学性能、较高的抗拉、抗压强度和良好的韧性性能，有利于提高支架承载能力。唐钢生产矿用U 型钢成分和性能如表1和表2。U 型钢的抗弯截面模量在纵向和横向上比较接近，材料使用比较经济，同时有利于提高支架的稳定性。U 型钢连锁后在锁紧和受力过程中，上下型钢能内外吻合，接触面积大，滑移平稳，并使其受力良好。U 型钢的几何形状还有利于钢材轧制、支架的加工制造以及修理、搬运[1]。因此矿用U 型钢在国内外得到广泛使用。

表1 U 型钢成分(质量分数，%)

表2 U 型钢性能

U 型钢生产工艺流程如图1 所示。

图1 U 型钢生产工艺流程

开裂原因分析

矿用U 型钢拱形支架是由三节(或多节)U 型钢构件组成，并用螺栓箍紧如图2 所示。U 型钢可缩性支架具有良好的伸缩性，连接(卡紧)装置有一定摩擦力，支架足够的初撑力，断面利用率高，承载能力比同规格的金属支架大，稳定性好等优点。

图2 U 型钢拱形支架

U 型钢加工工艺：拱形支护的制造设备有滚压成型和液压成型两种加工方法，由于20MnK 材质U 型钢硬度、强度相对较高，用户在加工过程中出现的主要问题为加工开裂，因此，本文对唐钢U 型钢产品近几年发生的开裂问题进行分类汇总，找出造成加工开裂的主要原因，并制定相关解决措施。

加工开裂

U 型钢存在异常组织导致加工过程中出现开裂，且开裂多以纵向开裂为主。U 型钢主要材质20MnK，轧制后随空冷主要组织为铁素体、珠光体，如图3 所示。

图3 U 型钢成品组织(铁素体+珠光体)

母材异常组织

2014 年3 月份用户反映U 型钢加工过程中出现顶端锯口处纵向裂纹，如图4 所示，断口周边未出现明细表面损伤。

图4 纵向裂纹

取断口试样进行分析，边部存在异常组织索氏体(图5)。由于索氏体组织强度较高、塑性差，造成组织的不均匀，U 型钢在弯曲过程中端部横向的拉应力导致撕裂。

图5 边部组织(铁素体+珠光体+索氏体)

经分析，缺陷产生的原因为原材料问题。生产现场调查发现，生产时间均为2 月份，北方天气比较寒冷，在锯切过程中，锯片冷却水浇在钢表面，加快了冷却速度，造成异常组织的存在。采取措施：生产过程中，加强生产工艺管理，杜绝非工艺冷却水喷洒到钢材上。

火切空冷造成组织异常

U 型钢加工过程相对较简易，针对切定尺采用火焰切割的加工厂家，在冷弯的过程中出现从火焰切割处发生的纵向开裂如图6 所示，取开裂部位样品，进行金相分析，断口边部出现针状贝氏体组织如图7所示，内部组织为正常组织铁素体+珠光体如图8所示。

图6 U 型钢加工开裂

图7 断口边部金相组织

图8 内部金相组织

由于我国北方冬天天气比较寒冷，火焰切割后会造成切口周围组织奥氏体化，切割后无保温措施，空冷速度较快，造成异常组织存在，冷弯过程中，由于切口处断面存在不利于形变的贝氏体组织，且断面不规整，受力弯曲加工时易造成由切口引发的开裂。因此，在冬季切定尺时，尽量采用锯切工艺，如工艺无法满足，火焰切割后采取保温缓冷措施，避免造成异常组织形成。

表面缺陷

造成U 型钢表面损伤的原因有两种。一种是U 型钢生产、运输过程中由于磕碰造成表面损伤；一种是U 型钢由于加工不当造成U 型钢表面损失，形成裂纹源，由于20MnK 材质U 型钢强度高，加工过程中对裂纹源敏感性高，弯曲过程中易造成开裂。

例如，某U 型钢加工企业在使用唐钢U 型钢加工过程中反映开裂较多，断口形状如图9。现场跟踪用户加工使用过程发现，在冷弯U 型钢过程中，为了增加U 型钢与加工轮之间的摩擦力，在加工轮表面刻出很多不平整的缺口，如图10所示，在弯曲过程中加工轮不停转动导致U 型钢表面出现严重挫伤，产生裂纹源，再冷弯过程中发生开裂。控制U 型钢在生产、运输过程中磕碰现象，用户在后续加工过程中确保加工轮、加工模具表面光滑，杜绝加工过程中造成U 型钢表面损伤。

图9 断口附近表面有挫伤

图10 加工轮表面不平整的缺口

钢夹杂物超标

2016 年10 月份用户反映唐钢36U 型钢加工发生开裂，现场取缺陷部位试样做金相和化学成分分析，试样力学性能未发现明细异常，但钢中夹杂物明显超标，如图11 所示，主要为C 类夹杂物。

图11 钢中夹杂物C 类粗系 4.0 级

非金属夹杂物是造成U 型钢冷弯开裂的裂纹源，钢中非金属夹杂物的存在大大破坏了钢基体的连续性和致密性，从而使钢的横向和纵向性能出现明显的差异[2]，U 型钢在受到外力作用时，有夹杂物部分与变形基体间就会出现裂纹，随着变形进一步加剧，裂纹会持续扩展，直至发生开裂。

为减少夹杂物，降低夹杂物等级，冶炼过程中提高转炉终点碳，将终点碳控制目标提高至质量分数0.06%以上，减少含铝脱氧剂使用量；优化软吹效果，将软吹时间由3 min，提高至5 min；提高出钢口挡渣效果，出钢口更换标准由300 炉降低至280 炉，减少由炉渣带入的铝夹杂。

其他情况

唐钢生产20MnK 材质U 型钢具备较高强度及硬度，加工成拱形支撑架可承受支撑力大。在使用过程中，会产生表面刮伤或磕碰伤，在受力过程中以表面伤痕处为开裂源随着受力增加最终导致开裂。这种情况在井下发生较多，由于井下作业空间有限，搬运过程中如果不注意难免发生磕碰。另外，井底地质环境恶劣，U 型钢做支撑时，如果支撑部位不整齐，很容易发生受力集中现象，进而发生开裂，失去支撑效果，危险相对较大。因此注意U 型钢在运输、加工、使用过程中避免产生磕碰及受力集中现象。

结束语

(1)异常组织易造成U 型钢加工开裂，应杜绝生产过程中由水冷造成异常组织形成；加工过程中，针对火焰切割应在切割部位采取缓冷措施。

(2)U 型钢表面损伤易形成是裂纹源造成冷弯开裂，生产、加工过程中确保U 型钢表面无损坏。

(3)冶炼过程中提高转炉终点碳，控制含铝脱氧剂的使用量，降低夹杂物等级。

(4)在巷道支撑作业时，避免受力不均匀导致局部集中受力发生开裂。