煤矿巷道挡煤用热轧钢带的开发生产

2023-01-12亓伟伟李玉功刘旭东

山东冶金 2022年6期

孙乾，亓伟伟，麻衡，李艳，李玉功，刘旭东

（1莱芜钢铁集团银山型钢有限公司技术中心，山东济南 271104；2莱芜钢铁集团银山型钢有限公司板带厂，山东济南 271104）

1 前言

目前煤矿企业常用的挡煤板材料多为聚乙烯、橡胶板、合成工塑板、夹芯树脂板、聚脂复合材料板等，虽具有较好的耐低温冲击性、自润滑性、耐水性等特质，但其耐热性（热变形温度）低、加工成型性差，同时表面硬度一般，膨胀系数偏大，整体易变形、不耐磨，使用寿命短［1-3］。随着现代煤矿采掘的不断进步，矿业提出高寿命、性能稳定性好的钢制挡煤板的迫切需求。

针对煤矿耦合多变的复杂开采环境，莱钢在用户使用要求的基础上，结合挡煤板服役环境，采用中碳高锰的经济性成分设计，充分发挥C、Mn经济性合金元素固溶强化作用，大幅度节约合金成本，利用莱钢1 500 mm热轧宽带生产线设备，通过控轧控冷工艺成功开发出9.75 mm厚355 MPa级别高寿命低合金高强钢带。所得钢带显微组织为铁素体+珠光体，屈服强度≥390 MPa，抗拉强度530～630 MPa，HBW≥175，20℃冲击功≥80 J；最终成品性能满足煤矿开采巷道挡煤板使用要求，使用寿命是传统聚脂复合材料挡煤板的2倍。在实现性能优化效果的同时，大幅度节约合金成本，简化生产组织，提高经济效益，具备较强的实用价值。

2 钢带的开发试制

2.1 成分及工艺设定

在对巷道挡煤板355 MPa级别钢带服役环境和工程应用要求进行充分调研的基础上，分析钢中C、Si、Mn、P、S等主要元素对钢带质量及强韧性、硬度、冲击性能及成型性能的综合影响，结合标准及用户使用要求，设计出合理的成分控制方案，并制定相应的转炉冶炼终点控制、转炉出钢脱氧、微合金化、软吹氩处理、连铸稳定浇注、板坯加热、轧制等工艺制度。

生产工艺流程：铁水KR预脱硫—转炉或电炉初冶炼—炉外精炼、软搅拌—板坯连铸—（铸坯清理）—铸坯再加热—控制轧制—冷却—卷取—取样、检验—入库。

各种元素的作用及配比：C为间隙固溶元素，对钢带强度、硬度、韧性影响较大，C含量过高会增加钢的强度、硬度，但会恶化基体韧性［4］，因此，C含量控制在0.19%～0.24%。Si是钢中常见脱氧元素，可溶于铁素体和奥氏体，具备一定的固溶强化作用，显著提高钢基体强度、硬度，但过高的Si会降低钢的韧性及焊接性能［5］，因此，Si含量控制在0.20%～0.35%。Mn具有一定的固溶强化作用，增加钢的韧性、强度，提高钢的淬透性，改善钢的热加工性能，但Mn的偏析倾向较强，并且Mn含量过高会削弱钢基体的抗腐蚀能力，恶化焊接性能［6］，因此，Mn含量控制在1.30%～1.45%。P和S是冶炼中有害元素，严重损害钢的韧塑性，影响基体脆性，硫与锰形成塑性夹杂物硫化锰，导致基体延展性和韧性下降，易导致产生裂纹；磷严重影响钢带的韧性，因此，要求P、S含量应越低越好，但考虑实际生产中，P、S均难以完全避免［4-6］，P含量≤0.035%、S含量≤0.035%。Alt可固定钢中自由N，改善钢带基体、焊接热影响区的低温韧性，弥散析出的AlN可抑制加热时奥氏体晶粒长大、细化晶粒尺寸，提高冲击韧性，但过量的铝会带来B类夹杂物数量激增，导致钢板和钢带内部质量下降，降低钢带的焊接性及切削性［4-6］，因此，Alt含量控制在0.015%～0.050%。

考虑挡煤板应用实际，保证钢带的强韧性、耐磨性及一定的冲击韧性性，是成分设计的首要因素，同时结合煤矿企业降本增效的经济性要求，在强度设计上尽可能发挥C、Mn等廉价金属的固溶强化作用，减少Nb-Ti-Ni等昂贵金属的使用。配合控轧控冷工艺，通过固溶强化与细晶强化机制来弥补因减少昂贵合金析出强化所带来的强度损失；同时因C、Mn连铸拉坯过程中易凝聚，形成心部偏析，需严控钢中P、S等有害元素含量。综上所述，钢带的设计化学成分及力学性能见表1、表2。

表1 巷道挡煤板355MPa级别钢带化学成分（质量分数）%

表2 巷道挡煤板355MPa级别钢带力学性能要求

2.2 生产工艺控制

（1）预处理。采用KR机械搅拌法进行铁水预处理，保证钢水纯净度，将铁水中硫含量按质量百分比控制在0.020%以下（如0.006%、0.009%、0.012%），脱硫温度为1 230～1 330℃（如1 250、1 275、1 318℃），脱硫完毕扒净铁水表面的渣。

（2）冶炼。预处理后的铁水进入转炉或电炉冶炼，长流程采用转炉冶炼，可使用单渣或双渣工艺冶炼，造渣料在铁水进入转炉的终点前1～5 min内加完，终渣碱度控制在R=3.0～3.5，做到初期早化渣，过程渣化好，终渣化透；终点压枪时间60～120 s内（如70、100、120 s），确保加入合金在钢水内的化学反应正好完成，达到成分均匀化。采用铝锰铁或铝块脱氧，钢水出至1/4时，分批加入硅锰、高锰，进行合金化，钢水出至3/4时加完，合金加入时对准钢流冲击区；转炉冶炼尽可能降低终点磷、硫含量，合理控制碳含量，确保钢水纯净度。

（3）精炼。采用LF精炼，钢包到精炼后立即进行测温、定氧、吹氩，氩气压力、流量以渣面轻微翻动不露钢水为宜，精炼周期≥42 min，全程底吹氩搅拌，软吹氩气≥12 min；加石灰进行造渣，采用铝粒脱氧剂进行脱氧，根据钢中铝含量每炉喂入100～150 m钙铝线或70～100 m高钙线进行钙化处理；终渣碱度控制在R=2.5～4.0。

（4）连铸。采用全程保护浇铸，即大包至中间包采用长水口并进行氩封保护；中间包采用覆盖剂结合碳化稻壳进行覆盖，保证液面覆盖良好，使钢水与空气隔绝，避免二次氧化；中间包至结晶器采用浸入式水口并采用氩封保护；结晶器液面采用中碳钢保护渣；连铸过程中，开浇缓慢，根据提速曲线台阶式进行提速，每30 s速度提高0.05 m，提高到一个数值后保持一定时间（具体操作是0.4 m/min保持1 min，0.6 m/min保持2 min，如此进行，最终提高到所需拉速），提至目标拉速后进行自动控制，密切观察结晶器液面波动情况，逐步使拉速稳定在1.15～1.35 m/min（如拉速过快，钢水未凝固便拉钢易出现漏钢，拉速过慢将影响生产效率），使钢液充分凝固。连铸工艺通过对浇铸过热度的控制来减轻铸坯中心偏析程度，通过对冷却水和矫直温度的合理控制，减少或避免连铸坯表面裂纹，进而提高铸坯表面与内部质量，为最终产品的质量打下基础［7］；浇铸过热度是由中间包温度与液相线温度之差确定，目标控制在10～25℃；控制中间包液面的高度，开浇时中间包液面的高度不低于600 mm，正常浇注过程液面高度在700～1 000 mm，严禁低液面浇铸，防止卷渣；通过进行水冷，降低浇铸温度，获得细小的晶粒尺寸，并采用结晶器振动，细化晶粒，铸坯矫直温度控制在900℃以上。浇铸温度、过热度与拉速的合理匹配，使得钢液凝固过程中尽可能多的进行非均匀形核核心，提高形核率，获得更为致密的等轴晶，实现晶粒细化效果，最终获得性能优异的175 mm断面连铸铸坯。因该钢带锰元素含量较高，为降低心部偏析，获得组织更为细小致密的无缺陷铸坯，配合轻压下工艺，压下量控制在2～3.5 mm为宜。

（5）铸坯再加热。采用步进式加热炉对铸坯进行加热，消除铸坯原有的某些组织缺陷及应力，改善金属内部组织以及非金属夹杂物形态与分布，便于后续轧制，从而提高终端产品的塑性并降低变形抗力。加热炉内加热温度为1 000～1 310℃，均热段温度控制在1 180～1 310℃，使铸坯加热到奥氏体单相固溶组织温度范围内，并使其具有较高的温度和足够的时间以均化组织和溶解碳化物（热装铸坯在炉保温时间不少于100 min，冷装铸坯在炉保温时间不少于120 min），从而得到塑性高、变形抗力低、加工性能好的金属组织，出钢温度达到1 050～1 200℃后的铸坯运送出炉，进行轧制。

（6）轧制。采用热连轧工艺，粗轧轧制3～7道次，将铸坯轧制成30～45 mm厚度的中间坯，然后经5或6或7机架热连轧，终轧温度为850～890℃（如860、870、880℃），轧后经层流冷却后卷取成钢卷，卷取温度为620～660℃（如630、640、650℃）。

3 钢带质量与性能

3.1 力学性能

（1）按照上述工艺生产的巷道挡煤板355 MPa级别钢带表面质量良好，板型平整。综合性能均达到用户使用要求，其中屈服强度、抗拉强度、断后伸长率均值分别为406.9 MPa、582.8 MPa、25.96%。

（2）钢带服役于煤矿井下，落煤无规律、不定时下落，对钢带冲击韧性及耐磨性能有一定要求，因此对巷道挡煤板355 MPa级别钢带进行20℃冲击及布氏硬度试验。结果表明，钢带冲击韧性及硬度较好，均值分别121.6 J/cm2、HBW192.8。巷道挡煤板355 MPa级别钢带与常规Q235B钢带力学性能与耐磨性检测对比如表3所示（钢带厚度9.75 mm，冲击试样尺寸为10 mm×7.5 mm×55 mm，冲击缺口v型，进行横向冲击试验）。