基于創(chuàng)新方法研發(fā)煤礦液壓支架用高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)鋼

李 娜 藺學(xué)浩 劉廣超

（1.安陽(yáng)鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司； 2.安陽(yáng)鋼鐵股份有限公司）

0 前言

在競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的國(guó)際市場(chǎng)環(huán)境下，技術(shù)創(chuàng)新是鋼鐵企業(yè)取得成功并求得生存的重要手段。“自主創(chuàng)新、方法先行”，安陽(yáng)鋼鐵以創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)為引領(lǐng)，綜合運(yùn)用以TRIZ 方法為主、六西格瑪為輔，多種創(chuàng)新方法相結(jié)合以獲取問(wèn)題求解的新思路，給科技工作者指出了求解方向，不僅提高了鋼鐵企業(yè)解決技術(shù)問(wèn)題的能力，也縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期，降低了研發(fā)成本，提高了企業(yè)的創(chuàng)新效率和產(chǎn)出效率，使企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的方向具有可預(yù)見(jiàn)性，大大降低了企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的風(fēng)險(xiǎn)[1]。

1 背景

安陽(yáng)鋼鐵是煤機(jī)支架用鋼的主要供應(yīng)商，最高強(qiáng)度級(jí)別可達(dá)960 MPa，多年以來(lái)在煤機(jī)行業(yè)市場(chǎng)占有率保持第一。眾所周知，能源是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的源動(dòng)力。2019 年中國(guó)能量消耗中煤炭占主導(dǎo)地位，而煤礦液壓支架是現(xiàn)代化采煤過(guò)程中不可或缺的設(shè)備，其工作環(huán)境十分惡劣：粉塵量大、承壓承重、環(huán)境潮濕、磨損較高。隨著我國(guó)煤炭工業(yè)的飛速發(fā)展，特大型礦井、高產(chǎn)工作面出現(xiàn)，超高大采高8.8 m 液壓支架應(yīng)勢(shì)而生。

超大采高8.8 m 液壓支架是全國(guó)乃至全世界最高的支架，其支護(hù)高度、工作阻距、支護(hù)中心距均創(chuàng)世界之最。因此，某大型煤機(jī)企業(yè)對(duì)8.8 m 煤機(jī)液壓支架用鋼提出了遠(yuǎn)高于行業(yè)供貨標(biāo)準(zhǔn)的“客戶標(biāo)準(zhǔn)”，強(qiáng)度波動(dòng)范圍要求在150 MPa，不同強(qiáng)度級(jí)別的屈強(qiáng)比也做了相應(yīng)的規(guī)定，平直度≤3 mm/m，其生產(chǎn)技術(shù)代表了一個(gè)冶金企業(yè)綜合技術(shù)的先進(jìn)水平。安陽(yáng)鋼鐵煤礦液壓支架用鋼的強(qiáng)度波動(dòng)范圍在150 MPa 之內(nèi)的性能合格率僅為88.30%，平均屈強(qiáng)比為0.985，這給煤礦液壓支架用鋼的生產(chǎn)帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。

2 問(wèn)題分析

安陽(yáng)鋼鐵生產(chǎn)煤礦液壓支架用鋼的工藝流程為：鐵水預(yù)處理—150 t 頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐—LF 精煉爐—VD真空脫氣爐—3 250 mm 寬板坯連鑄機(jī)—3 500 mm 爐卷軋機(jī)—熱處理機(jī)組。

流分析是指從物質(zhì)、能量、信息三個(gè)維度上對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能的情況進(jìn)行分析，構(gòu)建系統(tǒng)分析之流模型的過(guò)程。依據(jù)工藝流程從煉鋼工藝到最終產(chǎn)品的交付對(duì)各工序進(jìn)行了流分析，如圖1 所示。冶煉過(guò)程中精煉成分波動(dòng)范圍大，造成鋼板最終強(qiáng)度波動(dòng)范圍大，屬于過(guò)度流；連鑄過(guò)程偏析、晶粒大小不均勻、淬火過(guò)程相變不均勻會(huì)引起鋼板組織不一致，屬于三個(gè)有害流。鋼板在生產(chǎn)過(guò)程從冶煉開(kāi)始到最終成型的過(guò)程中，上一道工序形成的過(guò)度流、有害流等缺陷造成的質(zhì)量問(wèn)題會(huì)遺傳到下一工序，進(jìn)而惡化鋼板的最終使用性能。

圖1 流分析

3 QC 及六西格瑪管理

QC 在ISO 9000:2015 對(duì) 質(zhì) 量 管 理(Quality Management)定義是“在質(zhì)量方面指揮和控制組織的協(xié)調(diào)的活動(dòng)”，主要是針對(duì)特定的工作失誤或品質(zhì)不良展開(kāi)分析討論。六西格瑪是一種管理策略，可為創(chuàng)新項(xiàng)目整個(gè)過(guò)程的開(kāi)展提供宏觀指導(dǎo)，關(guān)注創(chuàng)新活動(dòng)的整體流程分析、過(guò)程中各種數(shù)據(jù)的關(guān)系分析、結(jié)果的可靠性分析、結(jié)果的控制情況等[2]。利用QC 工具對(duì)強(qiáng)度波動(dòng)范圍大的問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)分析、層層剖解。從排列圖中找到的影響強(qiáng)度波動(dòng)范圍大的主要因素是成分波動(dòng)范圍大，接著利用魚骨圖從人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)六方面對(duì)造成強(qiáng)度波動(dòng)范圍最大的影響因素進(jìn)行進(jìn)一步分析，造成成分波動(dòng)范圍大的各種影響因素如圖2、圖3所示。從精益管理的角度出發(fā)，基于六西格瑪采用DMADOV 流程（即界定-測(cè)量-分析-設(shè)計(jì)-優(yōu)化-驗(yàn)證）對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品成分體系結(jié)合現(xiàn)有工況條件重新設(shè)計(jì) [C]、[Mn]含量的控制范圍，借助數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析工具minitable 對(duì)煤礦液壓支架用鋼的強(qiáng)度控制能力進(jìn)行研究，回歸影響成分波動(dòng)的系數(shù)公式，結(jié)合自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)煉鋼窄成分的精準(zhǔn)控制，具體內(nèi)容見(jiàn)圖4、圖5。

圖2 排列圖

圖3 魚骨圖

圖4 煉鋼成分精確自動(dòng)控制模型

圖5 屈服強(qiáng)度控制能力

4 TRIZ 創(chuàng)新方法

TRIZ 理論成功地揭示了創(chuàng)造發(fā)明的內(nèi)在規(guī)律和原理，可大大加快創(chuàng)造發(fā)明的進(jìn)程，得到高質(zhì)量的創(chuàng)新產(chǎn)品。在創(chuàng)新活動(dòng)遇到某個(gè)技術(shù)難點(diǎn)或瓶頸問(wèn)題時(shí)，運(yùn)用TRIZ 理論可以擴(kuò)展思路，用創(chuàng)造性的思維解決問(wèn)題，不但能大大加快人們創(chuàng)造發(fā)明的進(jìn)程而且能得到高質(zhì)量的創(chuàng)新產(chǎn)品，因此，TRIZ 在創(chuàng)新活動(dòng) 中的“點(diǎn)金”作用越來(lái)越重要。

4.1 因果分析

基于TRIZ 理論，對(duì)鋼板內(nèi)部組織不一致的影響因素建立因果分析，如圖6 所示。通過(guò)因果分析找到引起鋼板內(nèi)部組織不一致的末端主要因素：連鑄過(guò)程枝晶偏析、淬火過(guò)程中冷卻速率不均勻、軟硬相比例。該項(xiàng)目的最終理想解是在不增加任何成本的情況下，鋼板的內(nèi)部各相組織比例恒定且均勻分布。

圖6 因果分析

4.2 技術(shù)矛盾

隨著調(diào)質(zhì)鋼強(qiáng)度的不斷提高，屈強(qiáng)比大大增加。為了降低屈強(qiáng)比，需對(duì)鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部的軟、硬組織間的比例進(jìn)行調(diào)控，獲得比例適當(dāng)?shù)能浵嘟M織是控制屈強(qiáng)比的關(guān)鍵，而調(diào)質(zhì)鋼的生產(chǎn)過(guò)程中回火溫度對(duì)組織結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系起著決定性的作用。隨著回火溫度的升高，屈服強(qiáng)度基本保持穩(wěn)定，而抗拉強(qiáng)度和沖擊功下降，伸長(zhǎng)率和屈強(qiáng)比提高[3]。因此，可以適當(dāng)降低回火溫度來(lái)調(diào)整組織中軟硬相的體積分?jǐn)?shù)，降低屈強(qiáng)比，但同時(shí)又會(huì)惡化鋼板的內(nèi)部應(yīng)力，降低沖擊韌性。

通過(guò)技術(shù)沖突分析，將兩個(gè)矛盾運(yùn)用39 個(gè)通用工程參數(shù)描述系統(tǒng)技術(shù)沖突，確定出改善的參數(shù)——物質(zhì)的量，惡化的參數(shù)——應(yīng)力或者壓強(qiáng)。根據(jù)改善的參數(shù)和惡化的參數(shù)，通過(guò)查找沖突矩陣找出相關(guān)發(fā)明原理4 個(gè)：NO.10 預(yù)先作用原理；NO.36 相變?cè)恚籒O.14 曲面化原理；NO.03 局部質(zhì)量原理。利用NO.10 預(yù)先作用原理，將淬火溫度調(diào)整至兩相區(qū)，形成馬氏體和一部分貝氏體，經(jīng)回火得到回火索氏體和貝氏體組織，降低調(diào)質(zhì)鋼的屈強(qiáng)比。金相組織如圖7 所示。

4.3 物理沖突

在噴淋淬火過(guò)程中，冷卻水與鋼板表面接觸后在鋼板表面形成氣膜，阻礙鋼板與水之間的傳熱冷卻。為了消除氣膜、保證相變需要增大冷卻速率，但冷卻速率過(guò)大，又會(huì)使鋼板內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致鋼板變形嚴(yán)重，尤其是邊部更為嚴(yán)重。因此，在淬火過(guò)程中，冷卻速率既要大，可以使鋼板快速淬透，又要小，防止組織應(yīng)力、溫度應(yīng)力等內(nèi)部應(yīng)力造成殘余應(yīng)力增加。

通過(guò)物理沖突分析，利用時(shí)間分離的原理將鋼板淬透的時(shí)間和消除應(yīng)力時(shí)間進(jìn)行分離，即采用間隙冷卻的方式，先加快冷卻速率使鋼板快速淬透，然后通過(guò)緩慢冷卻釋放應(yīng)力，如圖8 所示。利用空間分離的原理把噴嘴分割為多個(gè)密排水冷卻噴嘴，在淬火過(guò)程中用螺旋輥（如圖9 所示）壓緊鋼板表面，依據(jù)板面寬度的冷卻速率和溫度設(shè)置冷卻速率曲線，并利用導(dǎo)水槽在空間上對(duì)冷卻水進(jìn)行分割、導(dǎo)流，使鋼板表面冷卻均勻。

圖8 間隙冷卻

圖9 螺旋輥

4.4 物質(zhì)-場(chǎng)模型

連鑄過(guò)程中的溶質(zhì)（碳、硫）在冷卻的過(guò)程中存在液析和再分配，為了改善鑄坯中心區(qū)域的偏析，需要增強(qiáng)冷卻水的強(qiáng)度，但同時(shí)又會(huì)使鑄坯表面產(chǎn)生橫向裂紋。根據(jù)冷卻水對(duì)鑄坯中心偏析存在一個(gè)不足的問(wèn)題建立物質(zhì)- 場(chǎng)模型，通過(guò)查找76 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解，應(yīng)用2.1.2 的模型標(biāo)準(zhǔn)解，增加壓力場(chǎng)、電磁場(chǎng)向雙物質(zhì)場(chǎng)轉(zhuǎn)化，利用大壓下、電磁攪拌解決中心偏析的問(wèn)題，如圖10 所示。

圖10 物質(zhì)—場(chǎng)模型及解決方案

5 結(jié)語(yǔ)

（1）在8.8 m 液壓支架用鋼的生產(chǎn)過(guò)程中采取了一系列有效措施，利用QC、六西格瑪和TRIZ等多種創(chuàng)新方法相融合，實(shí)現(xiàn)了窄成分的精準(zhǔn)控制，配以電磁攪拌、兩相區(qū)淬火過(guò)程中將螺旋輥表面壓緊鋼板表面、利用導(dǎo)水槽對(duì)冷卻水進(jìn)行導(dǎo)流、分流等手段，有效地保證了8.8 m 液壓支架用鋼的性能要求，性能合格率由88.3%提升到了99.8%，屈強(qiáng)比下降到了0.97 以下。

（2）安陽(yáng)鋼鐵的8.8 m 液壓支架用高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)鋼通過(guò)了國(guó)內(nèi)權(quán)威機(jī)構(gòu)的焊接評(píng)價(jià)試驗(yàn)，并得到了用戶的高度認(rèn)可。該項(xiàng)目的成功實(shí)施實(shí)現(xiàn)了煤礦液壓支架用鋼的低屈強(qiáng)比和板形的精準(zhǔn)控制，精度遠(yuǎn)高于行業(yè)控制水平。

（3）世界首個(gè)智能超大采高8.8 m 液壓支架的主體材料由安陽(yáng)鋼鐵獨(dú)家供給，并成功應(yīng)用于神東煤炭集團(tuán)上灣煤礦，“超大采高、特厚煤層安全高效開(kāi)采”這一世界性難題被踩在腳下，助推了我國(guó)大國(guó)重器的升級(jí)換代。