Q890高强度结构钢在液压支架应用的试验研究

徐亚军，黄书祥，刘成峰，刘国柱，姚连登

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013；3.山东唐口煤业有限公司，山东 济宁 272055；4.中煤北京煤矿机械有限责任公司，北京 102400；5.宝山钢铁股份有限公司，上海 210900)

Q890高强度结构钢在液压支架应用的试验研究

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013；3.山东唐口煤业有限公司，山东 济宁 272055；4.中煤北京煤矿机械有限责任公司，北京 102400；5.宝山钢铁股份有限公司，上海 210900)

[摘要]对Q890高强度结构钢作为液压支架用钢的减重效果进行了分析，并对其焊接性能进行了研究，确定了合理的焊前预热温度和焊后回火温度。在此基础上，将Q890高强钢代替Q690高强钢并作为主要钢材制造了ZFY18000/28/53D样机，并进行了液压支架型式试验。结果表明，Q890高强钢焊接性能能够满足液压支架使用要求。

[关键词]液压支架；高强度结构钢；Q890

进入新世纪以来，伴随着煤炭开采技术的快速发展，液压支架进入了高速发展期。为满足工作面支护需要，液压支架结构高度、中心距、工作阻力和支护强度等参数不断提升[1]。与此同时，液压支架重量也随之不断攀升，支架单重由早期的7～8t，逐渐提高到30～40t，最高甚至达到70t。重量的增加给液压支架下井运输、安装拆除、组织管理和生产维护带来很大难题。为了减轻支架重量，液压支架用钢不断升级换代。从2004年开始，相继采用Q460，Q550和Q690超低碳贝氏钢，目前Q460已全面代替16Mn，成为液压支架最常用钢材，而Q690则是目前高端液压支架主体结构所用强度等级最高的钢材[2-3]。但是对于薄煤层和高工作阻力的强力液压支架，采用Q690钢材已不能满足支架使用要求，为了减轻支架重量，实现支架高强度轻量化的要求，迫切需要开发更高强度的液压支架用钢。本文主要以FY18000/28/53D为例，对液压支架下一步主要用钢——Q890高强度结构钢的焊接性能和减重效果进行了研究，为该材料在液压支架中的推广应用提供技术支持。

1材料化学成分及机械性能

1.1Q890化学成分及机械性能

采用宝山钢铁股份有限公司研发的Q890CFD易焊接性高强度结构钢，化学成分及机械性能如表1所示。

由表1可知，Q890CFD的碳含量相当低，属超低碳钢。由于碳含量的高低对其焊接性能有直接影响，目前对于非调质低合金高强度结构钢，一般采用国际焊接学会(IIW)推荐的碳当量公式CE(IIW)=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15(%)来计算其碳当量。Q890CFD为非调质高强钢，将表1实测均值代入上式，得其碳当量均值为：CE(IIW)=0.43%。研究表明，当CE(IIW)=0.4%～0.6%时，尤其当其大于0.5%时，说明钢材有淬硬倾向，焊前需预热[4]。尽管Q890CFD的碳含量相当低，但是其碳当量为0.43%，说明该钢材有一定淬硬倾向，焊前应采取预热措施。

表1　Q890CFD化学成分与机械性能

1.2焊材机械性能

焊接材料选用宝煊BHG-5，直径1.2mm，机械性能见表2。由表2可知，该焊接材料的抗拉强度为945MPa，与Q890高强度钢板实际屈服强度955MPa基本一致，因此对Q890高强度钢板来说，为等强匹配。

表2　宝煊BHG-5焊材机械性能

2小试样试验

2.1最高硬度试验

热影响区最高硬度试验主要用来检测高强度结构钢冷裂纹敏感性。按照GB4675.5-84《焊接热影响区最高硬度试验方法》对Q890钢板进行了焊接热影响区最高硬度试验。试验采用预热和不预热两种试样，其中，不预热试样为20mm×75mm×200mm的标准试件，预热试样为20mm×150mm×200mm的标准试件。采用富氩气体保护焊进行焊接，焊接规范为280A×28V×280mm/min。焊前预热方法为加热炉方式。试验温度为室温(25～30℃)、75℃。焊缝长度125mm±10mm。试件焊接24h后制作断面检测硬度，试验结果见表3。

试验结果表明，最高硬度位于距熔合线底部切点两侧1～3mm，不预热时最高硬度值为384，预热时最高硬度为375。由于Q890热影响区最高硬度HV>350，说明Q890CFD高强度钢板有一定淬硬倾向，应进行焊前预热和焊后热处理。

表3　HAZ最高硬度试验结果

2.2铁研试验

为了确定Q890焊接预热温度，按照GB4675.1-84《斜Y坡口焊接裂纹试验方法》进行了铁研试验。试验采用富氩气体保护焊进行焊接，焊接规范为280A×28V×300mm/min，每一种试验温度分别焊接3组试样。焊接过程中严格控制试件角变形，拘束焊缝焊接24h后焊接试验焊缝，试验焊缝完成48h后，检测焊缝表面裂纹、断面裂纹和根部裂纹。试验结果见表4。

表4　斜Y坡口焊接裂纹试验结果

由表4可知，其预热温度应不低于75℃。在实际焊接过程中，为了避免钢板预热温度衰减过快，预热温度以120～150℃为宜。

2.3焊接接头试验

为了确定合理的焊后回火温度，进行了焊接接头试验，通过检验焊接接头的抗拉强度来确定合理的回火温度。焊接时选用厚度40mm钢板，120℃焊前预热，试验结果如表5所示。

表5　焊接接头试验结果

不难发现，采用480℃焊后去回火保温时，焊缝的抗拉强度与母材接近，符合等强匹配要求，说明该钢板合理的焊后回火保温温度为480℃。

3Q890减重效果

为了评测Q890减重效果，以ZY17000/32/72D型大采高综采支架为例，在加载方式和安全系数完全相同条件下，分别采用Q690和Q890作为支架主要结构材料来计算所需板材厚度，以计算支架所需材料重量。表6为上述支架分别采用Q690(减重前)和Q990(减重后)支架主要部件重量变化情况。

表6　ZY17000/32/72D支架减重前后重量对比　kg

由表6可知，ZY17000/32/72D支架若采用Q690作为主要结构材料，单架重量为70290kg，若采用Q890作为主要结构材料，单架重量为63783kg，支架单重减轻6507kg，较减重前减轻9.26%。若不考虑立柱和销轴等非结构件，只考虑主体结构件，采用Q690作为主要结构材料，部件总重量为55.21t，采用Q890作为主要结构材料，部件总重量为48.65t，较减重前减轻11.88%。易知，采用Q890作为液压支架主要结构材料，支架重量可减轻10%左右。

4应用实例

为了检验Q890整体焊接性能，采用Q890作为FY18000/28/53D两柱式综放支架主要材料进行焊接，主要采用厚度为20mm，25mm，30mm，40mm和70mm等几种钢材规格。为了检测该材料的整体焊接性能，按照《GB25974.1-2010煤矿用液压支架通用技术条件》中B类支架要求，对该样机进行液压支架型式试验。样机制作时，采用120℃焊前预热，部件进行480℃去应力回火。由于该支架是在冬天进行焊接，为了避免预热温度衰减过快，焊接时当钢板温度低于80℃就即时再次预热补温，为了避免氢脆，采用300℃焊后保温去氢，各部件补温和去氢次数见表7。型式试验结果表明，该型支架样机整体工况良好，未出现焊缝开裂现象，通过了型式试验。

表7　支架主体结构件补温与去氢汇总

5结论

(1)Q890CFD高强钢为超低碳合金钢，碳当量为0.43%，有一定淬硬倾向，需采取焊接预热和焊后回火热处理工艺。其中，预热温度应不低于120℃；焊后去应力保温温度以480℃比较合理。

(2)研究表明，同等强度下，采用Q890作为液压支架主要结构用钢较采用Q690高强钢，单架支架重量可减轻10%左右，减重效果十分明显。

(3)整架液压支架型式试验结果表明，Q890整体性能优良，试验时支架状态良好，未出现冷裂纹和开焊现象，可以作为支架用钢。但是冬天温度较低时，该材料焊接工序相当繁琐，需频繁加热、保温，费时费力，建议进一步提高钢材的焊接性能，降低生产成本，为该材料的大面积推广应用铺平道路。

[参考文献]

[1]王国法.“十二五”煤矿开采装备技术的发展展望[J].煤矿开采，2011，16(3):19-24.

[2]徐亚军.高强度结构钢的焊接性与液压支架结构强度的研究[D].北京：煤炭科学研究总院，2003.

[3]王国法.液压支架技术体系研究与实践[J].煤炭学报，2010，35(11):1903-1908.

[4]曹良裕，魏战江.钢的碳当量公式及其在焊接中的应用[J].材料开发与应用，1999，14(1):39-42.

[责任编辑：邹正立]

Experimental Research on Q890 High Strength Structural Steel Application in Hydraulic Support

XU Ya-jun1，2，HUANG Shu-xiang3，LIU Cheng-feng1，2，LIU Guo-zhu4，YAO Lian-deng5

(1.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China；2.Mining Research Institute，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China；3.Shangdong Tangkou Mining Co.，Ltd.,Jining 272055，China；4.China Coal Beijing Coal Mining Machinery Co.，Ltd.,Beijing 102400，China；5.Baoshan Iron & Steel Co.，Ltd.,Shanghai 210900，China)

Abstract：Height suppressing effect that Q890 high strength structural steel was applied in hydraulic support was analyzed，still welding performance was also researched，then reasonable preheating temperature before welding and tempering temperature were confirmed.On the basis these，prototype ZFY18000/28/53D was manufactured with Q890 high strength steel instead of Q690 high strength steel，then hydraulic support style experiment was carried out.The results showed that the welding performance of Q890 high strength steel could meet requirements of hydraulic support designing.

Key words：hydraulic support；high strength structural steel，Q890

[收稿日期]2015-12-07[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.03.012

[基金项目]国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2014CB046302)：深部围岩自适应支护原理及系统创新理论；国家高技术研究发展计划(863计划)基金资助项目(2012AA06A407)：两柱式超强力放顶煤液压支架研制；天地科技工艺技术创新基金(KJ-2014-TDKC-06)：Q890～Q1100高强度结构钢焊接性能研究；天地科技公司研发项目(KJ-2014-TDKC-03)：8m超大采高综采总体配套模式与关键技术可行性研究

[作者简介]徐亚军(1971-)，男，安徽枞阳人，研究员，博士，主要从事液压支架结构设计及其优化。

[中图分类号]TD355.41

[文献标识码]A

[文章编号]1006-6225(2016)03-0046-03