表 1U型鋼成分（質量分數，%）
-
河鋼集團唐鋼新區，河北 唐山 063611
-
摘要:U型鋼屬于經濟斷面鋼材，也是節能材料。U型鋼常加工成弧形，腿與梁弧形連接做成U型鋼支架。U型鋼支架是一種被動支護，抗拉強度、抗壓強度較高，同時具有良好的韌性性能，支撐力較高，支護強度大，可多次使用，被廣泛地應用于礦山巷道，特別是在深部復雜巷道以及松軟煤層巷道中。U型鋼在冷彎加工過程中出現最多的問題是加工開裂。本文對U型鋼加工過程中出現開裂原因進行分析，指出加工開裂原因為異常組織、表面缺陷、夾雜物超標及井下作業的集中受力并提出相應的解決辦法。
隨著煤炭開采深度的增加，尤其中原地區部分煤礦已開采到地下千米深，開采井下環境越來越復雜，巷道斷面不斷增大，巷道承受礦壓也明顯增加，對巷道支護強度提出越來越高的要求。經過長期的實踐，礦用U型鋼加工成的可伸縮性拱形金屬支架獲得了廣泛的應用，該支架具有承載能力強、有一定的可伸縮性、維修量小、復用次數高等一系列優點，還可以延長巷道使用壽命，改善安全生產。
唐鋼中型作業區1964年開始研制、生產礦用支護型鋼，先后開發18U、25U、29U、36U、40U，材質主要為20MnK、Q400。唐鋼中型作業區著力于U型鋼的標準制定，工藝技術的完善，產品規格系列化，建立了按國際先進標準組織生產的工藝生產路線，形成了年產系列礦用U型鋼40萬t的生產能力，產品在國內的覆蓋面達40%以上，成為我國礦用U型鋼最早也是最主要的生產廠家。
1. 生產工藝
U型鋼作為制造煤礦巷道柔性金屬支架的主要型鋼，具有諸多優點：優良的力學性能、較高的抗拉、抗壓強度和良好的韌性性能，有利于提高支架承載能力。唐鋼生產礦用U型鋼成分和性能如表1和表2。U型鋼的抗彎截面模量在縱向和橫向上比較接近，材料使用比較經濟，同時有利于提高支架的穩定性。U型鋼連鎖后在鎖緊和受力過程中，上下型鋼能內外吻合，接觸面積大，滑移平穩，并使其受力良好。U型鋼的幾何形狀還有利于鋼材軋制、支架的加工制造以及修理、搬運[1]。因此礦用U型鋼在國內外得到廣泛使用。
U型鋼生產工藝流程如圖1所示。
2. 開裂原因分析
礦用U型鋼拱形支架是由三節(或多節)U型鋼構件組成，并用螺栓箍緊如圖2所示。U型鋼可縮性支架具有良好的伸縮性，連接(卡緊)裝置有一定摩擦力，支架足夠的初撐力，斷面利用率高，承載能力比同規格的金屬支架大，穩定性好等優點。
表 2U型鋼性能U型鋼加工工藝：拱形支護的制造設備有滾壓成型和液壓成型兩種加工方法，由于20MnK材質U型鋼硬度、強度相對較高，用戶在加工過程中出現的主要問題為加工開裂，因此，本文對唐鋼U型鋼產品近幾年發生的開裂問題進行分類匯總，找出造成加工開裂的主要原因，并制定相關解決措施。
2.1 加工開裂
U型鋼存在異常組織導致加工過程中出現開裂，且開裂多以縱向開裂為主。U型鋼主要材質20MnK，軋制后隨空冷主要組織為鐵素體、珠光體，如圖3所示。
2.1.1 母材異常組織
2014年3月份用戶反映U型鋼加工過程中出現頂端鋸口處縱向裂紋，如圖4所示，斷口周邊未出現明細表面損傷。
取斷口試樣進行分析，邊部存在異常組織索氏體（圖5）。由于索氏體組織強度較高、塑性差，造成組織的不均勻，U型鋼在彎曲過程中端部橫向的拉應力導致撕裂。
經分析，缺陷產生的原因為原材料問題。生產現場調查發現，生產時間均為2月份，北方天氣比較寒冷，在鋸切過程中，鋸片冷卻水澆在鋼表面，加快了冷卻速度，造成異常組織的存在。采取措施：生產過程中，加強生產工藝管理，杜絕非工藝冷卻水噴灑到鋼材上。
2.1.2 火切空冷造成組織異常
U型鋼加工過程相對較簡易，針對切定尺采用火焰切割的加工廠家，在冷彎的過程中出現從火焰切割處發生的縱向開裂如圖6所示，取開裂部位樣品，進行金相分析，斷口邊部出現針狀貝氏體組織如圖7所示，內部組織為正常組織鐵素體+珠光體如圖8所示。
由于我國北方冬天天氣比較寒冷，火焰切割后會造成切口周圍組織奧氏體化，切割后無保溫措施，空冷速度較快，造成異常組織存在，冷彎過程中，由于切口處斷面存在不利于形變的貝氏體組織，且斷面不規整，受力彎曲加工時易造成由切口引發的開裂。因此，在冬季切定尺時，盡量采用鋸切工藝，如工藝無法滿足，火焰切割后采取保溫緩冷措施，避免造成異常組織形成。
2.2 表面缺陷
造成U型鋼表面損傷的原因有兩種。一種是U型鋼生產、運輸過程中由于磕碰造成表面損傷；一種是U型鋼由于加工不當造成U型鋼表面損失，形成裂紋源，由于20MnK材質U型鋼強度高，加工過程中對裂紋源敏感性高，彎曲過程中易造成開裂。
例如，某U型鋼加工企業在使用唐鋼U型鋼加工過程中反映開裂較多，斷口形狀如圖9。
現場跟蹤用戶加工使用過程發現，在冷彎U型鋼過程中，為了增加U型鋼與加工輪之間的摩擦力，在加工輪表面刻出很多不平整的缺口，如圖10所示，在彎曲過程中加工輪不停轉動導致U型鋼表面出現嚴重挫傷，產生裂紋源，再冷彎過程中發生開裂。控制U型鋼在生產、運輸過程中磕碰現象，用戶在后續加工過程中確保加工輪、加工模具表面光滑，杜絕加工過程中造成U型鋼表面損傷。
2.3 鋼夾雜物超標
2016年10月份用戶反映唐鋼36U型鋼加工發生開裂，現場取缺陷部位試樣做金相和化學成分分析，試樣力學性能未發現明細異常，但鋼中夾雜物明顯超標，如圖11所示，主要為C類夾雜物。
非金屬夾雜物是造成U型鋼冷彎開裂的裂紋源，鋼中非金屬夾雜物的存在大大破壞了鋼基體的連續性和致密性，從而使鋼的橫向和縱向性能出現明顯的差異[2]，U型鋼在受到外力作用時，有夾雜物部分與變形基體間就會出現裂紋，隨著變形進一步加劇，裂紋會持續擴展，直至發生開裂。
為減少夾雜物，降低夾雜物等級，冶煉過程中提高轉爐終點碳，將終點碳控制目標提高至質量分數0.06%以上，減少含鋁脫氧劑使用量；優化軟吹效果，將軟吹時間由3 min，提高至5 min；提高出鋼口擋渣效果，出鋼口更換標準由300爐降低至280爐，減少由爐渣帶入的鋁夾雜。
2.4 其他情況
唐鋼生產20MnK材質U型鋼具備較高強度及硬度，加工成拱形支撐架可承受支撐力大。在使用過程中，會產生表面刮傷或磕碰傷，在受力過程中以表面傷痕處為開裂源隨著受力增加最終導致開裂。這種情況在井下發生較多，由于井下作業空間有限，搬運過程中如果不注意難免發生磕碰。另外，井底地質環境惡劣，U型鋼做支撐時，如果支撐部位不整齊，很容易發生受力集中現象，進而發生開裂，失去支撐效果，危險相對較大。因此注意U型鋼在運輸、加工、使用過程中避免產生磕碰及受力集中現象。
3. 結束語
(1)異常組織易造成U型鋼加工開裂，應杜絕生產過程中由水冷造成異常組織形成；加工過程中，針對火焰切割應在切割部位采取緩冷措施。
(2)U型鋼表面損傷易形成是裂紋源造成冷彎開裂，生產、加工過程中確保U型鋼表面無損壞。
(3)冶煉過程中提高轉爐終點碳，控制含鋁脫氧劑的使用量，降低夾雜物等級。
(4)在巷道支撐作業時，避免受力不均勻導致局部集中受力發生開裂。
來源：金屬世界
