礦用高強(qiáng)韌性和高精度錨桿鋼的研發(fā)與生產(chǎn)

張聯(lián)兵， 張存旺， 周玉麗， 徐兵偉

（1.首鋼長鋼生產(chǎn)技術(shù)處， 山西 長治 046031；2 首鋼技術(shù)研究院， 北京 100043）

中國是煤炭大國，年產(chǎn)煤炭39 億t，長期保持世界第一。我國煤礦90%以上為深井煤礦，隨著開采深度和安全性的提高，生產(chǎn)中需要高強(qiáng)度（屈服強(qiáng)度ReL=600 MPa）、高塑韌性（延伸率A5≥20%，沖擊功AKv≥34 J）、高精度（±0.1 mm）錨桿鋼提供保障。項(xiàng)目開發(fā)之初，國內(nèi)沒有滿足要求的同類型產(chǎn)品，國外先進(jìn)企業(yè)生產(chǎn)的600 MPa 級(jí)錨桿鋼無法滿足國內(nèi)深井煤礦支護(hù)對(duì)塑韌性的要求（沖擊功只有7 J）。在此情況下，首鋼長鋼公司、首鋼技術(shù)研究院共同開展礦用高強(qiáng)韌性、高精度錨桿鋼的研發(fā)生產(chǎn)，解決了國內(nèi)沒有MG600 錨桿鋼以及MG500/MG600 塑韌性指標(biāo)差的問題。

1 生產(chǎn)工藝流程

首鋼長鋼生產(chǎn)錨桿鋼和鋼筋的主要設(shè)備包括2座1 080 m3高爐、3 座80 t 轉(zhuǎn)爐、2 座LF 精煉爐、3 臺(tái)小方坯連鑄機(jī)和新建100 萬t 棒材及高速棒材軋鋼產(chǎn)線。其主要工藝流程為：高爐鐵水→80 t 頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐→LF 鋼包精煉→全保護(hù)連鑄→鋼坯檢驗(yàn)→鋼坯加熱→粗軋機(jī)組→中軋機(jī)組（機(jī)間控冷）→預(yù)精軋機(jī)組+機(jī)后控冷→精軋機(jī)組（機(jī)后控冷）→冷床→剪切、檢驗(yàn)等。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 高強(qiáng)度控制技術(shù)研究

有效控溫軋制、軋后立即分段式控冷挖潛細(xì)晶強(qiáng)化及位錯(cuò)強(qiáng)化是提高鋼強(qiáng)度的有效措施，立即和延遲5 s 冷卻材料的位錯(cuò)形貌對(duì)比如圖1 所示。

圖1 立即和延遲5 s 冷卻材料位錯(cuò)形貌對(duì)比

除了控制合理冷速可獲得一定鐵素體比例的多相鋼外，還必須依賴更細(xì)化的第二相納米粒子析出強(qiáng)化，以顯著提高鋼的抗拉強(qiáng)度，理論研究認(rèn)為第二相粒子尺寸控制在≤50 nm 時(shí)，能顯著提高鋼的抗拉強(qiáng)度。本項(xiàng)目得到的邊部與心部V（C，N）納米顆粒析出情況如圖2 所示，邊部尺寸為10～20 nm、心部為15～30 nm，析出強(qiáng)化效果顯著，對(duì)提高鋼強(qiáng)度起到了較好的效果。

圖2 試驗(yàn)鋼邊部與心部V（C，N）納米顆粒析出情況

2.2 高強(qiáng)度基礎(chǔ)上的高塑韌性控制技術(shù)研究

2.2.1 改善高強(qiáng)度錨桿鋼心部組織的控制技術(shù)研究

錨桿鋼要在滿足高強(qiáng)度的基礎(chǔ)上獲得高塑韌性，難度更大，這里從鑄坯質(zhì)量、潔凈度、心部異常組織、組織均勻性、小角度晶界、混晶、晶粒度控制方面加以研究。

為了減少與消除心部的異常組織，通過大數(shù)據(jù)分析、工藝試驗(yàn)、模擬計(jì)算等手段，形成了一套600 MPa級(jí)錨桿鋼的生產(chǎn)工藝路線。通過在連鑄過程中控制拉速、加熱時(shí)間，采用反復(fù)優(yōu)化冷卻工藝等手段，最大程度地降低心部偏析程度，軋后控冷采用多段式分級(jí)冷卻，相鄰兩段冷卻之間有恢復(fù)段，避免心部過冷發(fā)生馬氏體等異常組織轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)了心部異常組織的改善，從而提高了錨桿鋼的沖擊韌性[1]。采用鑄坯均勻化的兩個(gè)手段后，心部偏析的實(shí)施效果對(duì)比如圖3 所示。

圖3 采用鑄坯均勻化的兩個(gè)手段后的實(shí)施效果對(duì)比

2.2.2 精細(xì)化提高組織性能均勻性的高延伸率塑性控制技術(shù)研究

錨桿鋼的組織均勻性、晶界角度、晶粒尺寸等對(duì)提高錨桿鋼的塑性至關(guān)重要，特別是對(duì)高強(qiáng)度錨桿鋼的影響更為明顯。本文設(shè)定不同的變形工藝參數(shù)，研究其對(duì)混晶、晶界角度等影響。此外，從鑄坯偏析、控冷模式等方面加強(qiáng)錨桿鋼組織均勻性的控制。在60%變形條件下，不同變形溫度的晶粒尺度分布如圖4 所示。

圖4 60%變形條件下，不同變形溫度的晶粒尺度分布

通過對(duì)不同變形溫度、變形量對(duì)晶粒大小的影響進(jìn)行觀察，得出以下結(jié)論：同一種變形溫度條件下，變形量越大，晶粒大小越均勻，但變形量達(dá)到40%后，晶粒細(xì)化程度開始減弱；同一種變形量條件下，850 ℃變形更利于得到細(xì)小均勻的晶粒；950 ℃條件下出現(xiàn)不同程度的混晶。

因此，從獲得均勻細(xì)小晶粒的角度講，850 ℃和875 ℃兩種變形溫度條件下，大變形量更易于獲得均勻細(xì)小的晶粒。

研究認(rèn)為，大角度晶界可阻礙裂紋的擴(kuò)展，可提高實(shí)驗(yàn)鋼的強(qiáng)度，但會(huì)惡化韌塑性，小角度晶界（≤15°為小角度晶界）的存在可以提高材料的韌塑性性能。因此大小角度晶界的數(shù)量對(duì)鋼材塑韌性能的影響很大[2]。

通過統(tǒng)計(jì)不同變形溫度條件下的大小角度晶界比例（圖5—圖7），可以得出：

圖5 850 ℃變形條件下變形量對(duì)大小角度晶界的影響

圖6 900 ℃變形條件下變形量對(duì)大小角度晶界的影響

圖7 950 ℃變形條件下變形量對(duì)大小角度晶界的影響

1）在850 ℃變形條件下，三種工藝的小角度晶界比率為：60%＞20%＞40%。

2）在900 ℃變形條件下，三種工藝的小角度晶界比率為：20%≥40%＞60%。

3）在950 ℃變形條件下，三種工藝的小角度晶界比率為：20%≈40%＞60%。

通過對(duì)不同工藝條件下大小角度晶界比率的結(jié)果分析表明，可以得出結(jié)論：低溫、大變形量更易于獲得更多的小角度晶界比例。獲得最優(yōu)的晶粒尺寸、最優(yōu)化的尺寸角度晶界比率的軋制工藝參數(shù)為：變形溫度以875 ℃±20 ℃為宜，變形量以40%～50%為宜。

2.3 錨桿鋼尺寸精度控制研究

2.3.1 增加規(guī)圓孔型

傳統(tǒng)的規(guī)圓孔型主要用于高精度圓鋼的軋制，具體方法是在原有的成品孔型后增加1～2 個(gè)小壓下量的圓孔型。成品軋件經(jīng)過規(guī)圓孔型后，軋件斷面尺寸和通長尺寸的不均勻現(xiàn)象得以規(guī)范，使圓鋼產(chǎn)品最終尺寸精度得到提高。

由于錨桿鋼本身帶有橫肋，不適合成品軋件的軋后規(guī)圓。借助常規(guī)規(guī)圓孔型的思路，通過將成品前K3、K4 道次的孔型設(shè)計(jì)為規(guī)圓孔型，以及穩(wěn)定和提高成品前K3 孔型軋件的尺寸精度，最終達(dá)到提高錨桿鋼成品孔型軋件精度的目的。錨桿鋼原有孔型和規(guī)圓孔型的對(duì)照如圖8 所示，由于增加了2 個(gè)規(guī)圓孔，總軋制道次增加2 道。

圖8 錨桿鋼規(guī)圓孔型系統(tǒng)

從圖8 可見，規(guī)圓孔型系統(tǒng)是將原有孔型系統(tǒng)的K3、K4 孔型前移到K5、K6（其他道次也相應(yīng)前移），將K3、K4 孔型設(shè)計(jì)為規(guī)圓孔型。

2.3.2 改進(jìn)成品及成品前孔型

K1 孔的設(shè)計(jì)不僅要保證軋制出合格的產(chǎn)品，而且還有考慮到槽孔的修復(fù)和使用壽命，因此將基圓直徑設(shè)計(jì)在零線上，以降低不良品鋼材的發(fā)生率。原成品孔型為切線法設(shè)計(jì)，缺點(diǎn)是易產(chǎn)生縱肋，且因縱肋兩側(cè)尺寸超差致使倒槽頻繁，后改為雙半徑圓弧法，取得很好的使用效果，如圖9 所示。

圖9 成品孔型修改前與修改后對(duì)比圖（mm）

成品前孔K2 的設(shè)計(jì)與調(diào)整過程及軋制的穩(wěn)定性與成品質(zhì)量息息相關(guān)，需在保證水平兩側(cè)橫肋充滿的情況下，同時(shí)保證垂直兩側(cè)（寬度方向）為負(fù)差。所以將K2 孔孔型由平橢型改為帶凹度的狗骨狀孔型。具體孔型如圖10 所示。

圖10 成品前孔型修改前與修改后對(duì)比圖（mm）

2.3.3 提高活套控制精度

活套控制的重點(diǎn)是優(yōu)化活套程序設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，優(yōu)化調(diào)整活套起套高度、起套延時(shí)、收套延時(shí)以及活套起套瞬間的軋機(jī)的速降補(bǔ)償。如成品前活套起套高度為280 mm，起套和收套延時(shí)10 ms，效果較好。為提高活套起套的穩(wěn)定性，活套氣缸應(yīng)選用較大型號(hào)，并定期進(jìn)行維修與更換，以保證起套的穩(wěn)定性。

2.3.4 解決成品導(dǎo)衛(wèi)扶料不穩(wěn)現(xiàn)象

更換成品軋機(jī)進(jìn)口滾動(dòng)導(dǎo)衛(wèi)型號(hào)，由GA-30 型改為DR30A 型。后者為前后雙排輪設(shè)計(jì)，可提高軋件咬入瞬間的穩(wěn)定性；成品前軋機(jī)進(jìn)口導(dǎo)衛(wèi)由滾動(dòng)導(dǎo)衛(wèi)改為滑動(dòng)導(dǎo)衛(wèi)型式，可增加入成品軋件的穩(wěn)定性，減少通條尺寸的波動(dòng)。

通過以上尺寸控制技術(shù)的改進(jìn)和實(shí)施，在普通軋機(jī)上實(shí)現(xiàn)了90%以上的錨桿鋼尺寸精度達(dá)到±0.1 mm 的目標(biāo)，合同交貨產(chǎn)品尺寸精度確保100%能夠達(dá)到±0.15 mm。采用錨桿鋼“近終形”尺寸控制，可基本消除縮頸加工過程的擠壓變形和加工硬化，明顯改善螺紋連接部位的性能。

3 生產(chǎn)應(yīng)用及效果

在首鋼長鋼公司80 t 轉(zhuǎn)爐、LF 鋼包精煉爐、全保護(hù)連鑄機(jī)和新建棒材和高棒產(chǎn)線上，實(shí)現(xiàn)了Φ18～Φ25 mm 規(guī)格MG500/MG600 錨桿鋼的批量生產(chǎn)，MG500及以上高強(qiáng)度錨桿鋼年產(chǎn)量在4 萬t 以上。產(chǎn)品具有高強(qiáng)度、高延伸塑性、較高沖擊韌性和高尺寸精度的特點(diǎn)，滿足了國內(nèi)深井煤礦支護(hù)的要求。

在強(qiáng)度等同的情況下，延伸率及沖擊功塑韌性方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，MG500 延伸率A5達(dá)到26%以上，沖擊功（AKv）平均達(dá)到85.5 J；MG600 延伸率A5平均達(dá)到22%，沖擊功（AKv）平均達(dá)到58 J；90%以上產(chǎn)品的尺寸精度能夠達(dá)到±0.1 mm，合同交貨尺寸精度確保100%達(dá)到±0.15 mm。

4 結(jié)論

1）細(xì)晶強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化、析出強(qiáng)化是提高M(jìn)G500/MG600 錨桿鋼強(qiáng)度的有效措施；改善錨桿鋼心部異常組織、提高組織均勻性、細(xì)化晶粒、增加小角度晶界比例，可提高M(jìn)G500/MG600 錨桿鋼的延伸塑性和沖擊韌性。

2）通過應(yīng)用K3、K4 規(guī)圓孔、改進(jìn)成品前和成品孔孔型、調(diào)整活套高度和延時(shí)、改進(jìn)導(dǎo)衛(wèi)裝置，在普通鋼筋產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)了錨桿鋼尺寸±0.1 mm 精度控制水平。