CN104946977A - 一种耐低温的高强度锚杆钢及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种耐低温的高强度锚杆钢及其生产方法，所述锚杆钢的质量百分比包括：C 0.20～0.28％、Si 1.2～1.6％、Mn 1.0～1.5％、P≦0.015％、S≦0.015％、V 0.03～0.04％、Als 0.01～0.03％、Nb 0.015～0.025％、N 0.005～0.0080％、Ti 0.015～0.03％、B 0.002～0.003％、Ni 0.55～0.75％、Ca 0.003～0.005％其余为Fe和杂质元素。上述锚杆钢利用钒、铌与氮形成钒、铌的析出物来强化基体，起到提高钢材的强度，降低了合金添加量，减少了合金成本，Al的添加能够消除过多氮的危害，改善冲击功，而且细化晶粒；添加的少量B能够显著改善材料的性能，也改善夹杂物的形态和分布，添加的镍元素能够改善钢的低温韧性，添加的Ca能够净化钢液，从而显著提高钢的耐低温冲击性能。

Description

一种耐低温的高强度锚杆钢及其生产方法

技术领域

本发明涉及钢材料技术领域，尤其涉及一种耐低温的高强度锚杆钢及其生产方法。

背景技术

锚杆是锚固在煤、岩体内维持围岩稳定的杆状物。锚杆支护是煤矿巷道首选的、安全性高的主要支护方式，与其它支护相比，它属于一种主动支护形式，具有支护工艺简单、支护效果好、材料消耗和支护成本低、运输和施工方便等优点。随着国家煤炭工业的迅速发展和开采规模的不断扩大，煤炭安全生产已成为制约我国煤矿发展的突出问题之一，煤炭行业迫切期待更高强度级别的矿用支护锚杆。

由于煤矿资源只要集中在北方，温度变化巨大，局部地区冬季极端气温甚至低于-40℃，如果锚杆钢因温度低而引起脆断将严重影响正常的生产以及所带来矿区崩塌而带来的人员伤亡。因此，开发出一种耐低温锚杆钢是具有极其重要的经济和社会效益。

现有技术公开了一种630MPa级以上高强钢筋，该高强钢筋的重量百分比成分为：碳:0.28％-0.38％、硅:0-0.35％、锰:0-0.90％、铬:0.80％-1.50％、镍:3.00％-4.00％、钼:0.40％-0.60％、磷:0-0.015％、硫:0-0.015％、氢:0-2.0ppm、钒:0.10％-0.20％、钛:0-0.025％、铜:0-0.20％、铝:0-0.05％、0-0.50％残余元素，其余为Fe；该高强钢筋的生产工艺为：步骤(1)：以铬镍钼合金结构钢为坯料，并对其进行扩氢热处理；步骤(2)：将上述扩氢热处理后的钢筋放入加热炉内加热到1350-1390℃，出加热炉后采用水冷以23-25℃/s的冷却速率将钢筋水冷至925-945℃，然后在淬火装置内用水或淬火液进行淬火，然后在回火加热炉内加热到620-640℃进行回火，再通过第一冷却工艺冷却到常温；步骤(3)：将钢筋进行初步热轧，所述初步热轧温度为1100-1150℃，所述初步热轧完成后通过第二冷却工艺将钢筋冷却至室温，然后对钢筋回热至1050℃，对钢筋进行二次热轧，二次热轧后的钢筋直径为或所述二次热轧完成温度为850℃，二次热轧后对所述钢筋进行水冷/空冷二次循环间歇淬火工艺进行淬火热处理；步骤(4)：将冷却后的钢筋放入回火加热炉加热到560-580℃，保温0.1-0.2h；步骤(5)：对保温后的钢筋使用高压喷射水或淬火液以13-15℃/s的速度冷却至150-200℃，然后在冷床上冷却至室温；步骤(6)：进行检验入库。

在使用过程中，发现上述锚杆钢的低温韧性不好。

发明内容

本申请提供一种耐低温的高强度锚杆钢及其生产方法，解决了现有技术中的钢低温韧性不好的技术问题。

本申请提供一种耐低温的高强度锚杆钢，所述锚杆钢的质量百分比包括：

C 0.20～0.28％、Si 1.2～1.6％、Mn 1.0～1.5％、P≦0.015％、S≦0.015％、V0.03～0.04％、Als0.01～0.03％、Nb 0.015～0.025％、N0.005～0.0080％、Ti0.015～0.03％、B0.002～0.003％、Ni0.55～0.75％、Ca 0.003～0.005％其余为Fe和杂质元素。

优选地，所述C 0.22～0.26％、Mn 1.15～1.4％、Ni0.6～0.7％。

优选地，所述锚杆刚的金相组织为铁素体和珠光体。

本申请还提供一种锚杆钢的生产方法，用于生产所述的锚杆钢，所述方法包括：

冶炼并浇铸成铸坯；

对所述铸坯进行自然冷却；

对铸坯进行加热，加热时的均热温度为1000～1100℃，加热时间为120min～130min；

对铸坯进行轧制，轧制时的开轧温度为900～1000℃，终轧温度为780～850℃；

自然冷却。

优选地，所述冶炼并浇铸成铸坯包括：铁水脱硫；转炉顶底吹炼；氩站吹氩；浇铸成铸坯。

优选地，所述浇铸成铸坯包括：过热度控制在液相线10～20℃，拉速控制目标1.6～1.8m/min。

优选地，所述转炉顶底吹炼包括：

出钢1/4左右时，随钢流加入硅锰铁、碳化硅等合金脱氧，然后加入然后加入钒铁、氮化硅锰、铌铁、钛铁、镍铁、硼铁和碳粉；

出至3/4时，合金、增碳剂必须全部加入，成分按设计范围的下限控制。

本申请有益效果如下：

所述锚杆钢的各元素的作用如下：

C：C是扩大和稳定奥氏体元素，提高钢材强度最有效的元素，但是当其含量低于0.20％时，会导致力学性能不足而增加合金添加量从而增加了生产成本，当其含量高0.28％，会产生塑性和韧性下降，尤其是冲击韧性明显下降，因此，本发明C选择在0.20～0.28％。

Si：是一种廉价的置换强化元素，是以固溶体的形态存在于铁素体或者奥氏体中，显著提高钢的弹性极限、屈服强度和屈强比，但是Si会严重损害钢的低温韧性，所以不宜太高，选择Si的范围在1.2～1.6％

Mn：主要是固溶于铁素体中提高材料的强度，其又是良好的脱氧剂和脱硫剂，含有一定量的锰可以消除或减弱因硫引起的脆性，从而改善钢的加工性能，但锰含量过高时会使晶粒粗化的倾向，连铸和轧后控冷不当时容易产生白点，所以选择Mn的范围在1.0～1.5％；

P、S：作为有害元素，其含量越低越好。S含量过高，会形成大量的MnS夹杂，降低钢材的机械性能，因此含量越低越好，但为了降低生产成本，在不影响正常性能的情况下，越高越好，所以选择S的范围在≦0.015％；P易在晶界偏析，增加钢筋的脆性，使低温冲击性能大幅下降，因此含量越低越好，但为了降低生产成本，在不影响正常性能的情况下，越高越好，所以选择P的范围在≦0.015％。

B：钢中加入极少量的硼可以显著影响材料的性能，其抑制P、S偏析和沿晶断裂，提高冲击性能，改善夹杂物的形态和分布，硼溶入固溶体中使晶体点阵发生畸变，晶界上的硼又能阻止夹杂物进一步长大，使夹杂物变得细小，圆整，均匀分布于晶界，强化了晶界，使材料的韧性提高。当硼的含量大于0.003％时，其对钢的效果不再随含量的增加而增加，反而增加了成本，硼的控制量在0.002～0.003％范围

Nb：是强碳化物型材元素，能够抑制热轧时奥氏体晶粒长大，细化组织，提高钢筋的综合力学性能，经试验，在本申请中若其Nb含量高于0.025％，易使析出相粗大而弱化析出强化效果，而且会显著增加成本。故选择范围Nb在0.015～0.025％。

V：是微合金化钢最常用也是最有效的强化元素之一。钒的作用是通过形成VN、V(CN)来影响钢的组织和性能，它主要是在奥氏体晶界的铁素体中沉淀析出，细化铁素体晶粒，从而提高材料的强度和低温韧性。V低于0.03％时，析出强化效果不能够满足力学性能要求，V高于0.04％时，析出强化使强度太高而导致韧性变差。

N:作为VN析出必需的元素，为了保证一定的析出量，因此，其含量有最小的含量，但是N含量过高会影响钢中内部质量，导致低温韧性变差，所以选择N的范围在0.005～0.008％。

Ti：是一种强烈的碳化物和氮化物形成元素，易形成细小的TiC和TiN等粒子，TiC和TiN非常稳定，能够有效的钉扎晶界，细化晶粒，并具有稳定再次加热的组织的作用。少量Ti就能使钢材的强度和低温韧性得到改善，当Ti的含量过高时，形成粗大的碳氮化物，反而对钢的冲击性能不好，故Ti的范围在0.015～0.03％

Ni:和铁无限固溶，镍扩大铁的奥氏体区，是形成稳定奥氏体的主要元素。镍强化铁素体并细化和增多珠光体，提高钢的强度和抗疲劳性，降低钢的低温脆化转变温度，量太少时，对应提高钢的低温冲击性能不明显，由于镍的价格较高，则会提高成本和造成资源的浪费，所以选择Ni的范围在0.55～0.75％。

Al：是作为炼钢时的脱氧定氮剂，Al与钢中的N形成细小难溶AlN质点，起到阻抑作用，进而细化铁素体晶粒，Al含量过低，细化作用不明显，Al含量过高，降低了钢液的流动性，形成大量的Al2O3会在水口结瘤，从而堵住水口，所以选择Al的范围在0.01～0.03％，

Ca：可以净化钢液，提高钢的纯净度，使钢的MnS球化，发挥材料的潜能，其含量过高时，易形成粗大的非金属夹杂物，所以选择范围在0.003～0.005％。

本申请的锚杆钢利用钒、铌与氮形成钒、铌的析出物来强化基体，起到提高钢材的强度，降低了合金添加量，减少了合金成本，同时，Al的添加能够消除过多氮的危害，改善冲击功，而且细化晶粒；铸坯大变形量配以低温轧制，有利于提高V的固溶强化和析出强化效果以及Nb的细化晶粒强化，得到良好的综合性能。而且添加的少量B能够显著改善材料的性能，也改善夹杂物的形态和分布，添加的镍元素能够改善钢的低温韧性，添加的Ca能够净化钢液，从而显著提高钢的耐低温冲击性能。

与现有常规技术相比，本发明的锚杆钢筋性能对于600MPa级标准而言，强度富余量充足，脱碳层厚底薄，表面质量更优，组织细小，在-40℃下低温冲击功大于75J，完全满足在我国任何区域的使用，而且工艺简单，在现有装备无需改动的情况下即可生产。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例。

图1为本申请较佳实施方式一种耐低温的高强度锚杆钢的金相组织图；

图2为本申请另一较佳实施方式一种锚杆钢的生产方法流程图。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

本申请提供一种锚杆钢，所述耐低温的高强度锚杆钢的质量百分比包括：C 0.20～0.28％、Si 1.2～1.6％、Mn 1.0～1.5％、P≦0.015％、S≦0.015％、V0.03～0.04％、Als0.01～0.03％、Nb 0.015～0.025％、N0.005～0.0080％、Ti0.015～0.03％、B0.002～0.003％、Ni0.55～0.75％、Ca 0.003～0.005％其余为Fe和杂质元素。

需要说明的是，在本说明书中，式中的元素符号表示表示钢中该元素的含量(质量％)。

优选地，为了使得所述锚杆刚的低温韧性更加优异，所述C 0.22～0.26％、Mn 1.15～1.4％、Ni0.6～0.7％。另外，所述锚杆刚的金相组织为铁素体和珠光体。

所述锚杆钢的各元素的作用如下：

C：C是扩大和稳定奥氏体元素，提高钢材强度最有效的元素，但是当其含量低于0.20％时，会导致力学性能不足而增加合金添加量从而增加了生产成本，当其含量高0.28％，会产生塑性和韧性下降，尤其是冲击韧性明显下降，因此，本发明C选择在0.20～0.28％。

Si：是一种廉价的置换强化元素，是以固溶体的形态存在于铁素体或者奥氏体中，显著提高钢的弹性极限、屈服强度和屈强比，但是Si会严重损害钢的低温韧性，所以不宜太高，选择Si的范围在1.2～1.6％

Mn：主要是固溶于铁素体中提高材料的强度，其又是良好的脱氧剂和脱硫剂，含有一定量的锰可以消除或减弱因硫引起的脆性，从而改善钢的加工性能，但锰含量过高时会使晶粒粗化的倾向，连铸和轧后控冷不当时容易产生白点，所以选择Mn的范围在1.0～1.5％；

P、S：作为有害元素，其含量越低越好。S含量过高，会形成大量的MnS夹杂，降低钢材的机械性能，因此含量越低越好，但为了降低生产成本，在不影响正常性能的情况下，越高越好，所以选择S的范围在≦0.015％；P易在晶界偏析，增加钢筋的脆性，使低温冲击性能大幅下降，因此含量越低越好，但为了降低生产成本，在不影响正常性能的情况下，越高越好，所以选择P的范围在≦0.015％。

B：钢中加入极少量的硼可以显著影响材料的性能，其抑制P、S偏析和沿晶断裂，提高冲击性能，改善夹杂物的形态和分布，硼溶入固溶体中使晶体点阵发生畸变，晶界上的硼又能阻止夹杂物进一步长大，使夹杂物变得细小，圆整，均匀分布于晶界，强化了晶界，使材料的韧性提高。当硼的含量大于0.003％时，其对钢的效果不再随含量的增加而增加，反而增加了成本，硼的控制量在0.002～0.003％范围

Nb：是强碳化物型材元素，能够抑制热轧时奥氏体晶粒长大，细化组织，提高钢筋的综合力学性能，经试验，在本申请中若其Nb含量高于0.025％，易使析出相粗大而弱化析出强化效果，而且会显著增加成本。故选择范围Nb在0.015～0.025％。

V：是微合金化钢最常用也是最有效的强化元素之一。钒的作用是通过形成VN、V(CN)来影响钢的组织和性能，它主要是在奥氏体晶界的铁素体中沉淀析出，细化铁素体晶粒，从而提高材料的强度和低温韧性。V低于0.03％时，析出强化效果不能够满足力学性能要求，V高于0.04％时，析出强化使强度太高而导致韧性变差。

N:作为VN析出必需的元素，为了保证一定的析出量，因此，其含量有最小的含量，但是N含量过高会影响钢中内部质量，导致低温韧性变差，所以选择N的范围在0.005～0.008％。

Ti：是一种强烈的碳化物和氮化物形成元素，易形成细小的TiC和TiN等粒子，TiC和TiN非常稳定，能够有效的钉扎晶界，细化晶粒，并具有稳定再次加热的组织的作用。少量Ti就能使钢材的强度和低温韧性得到改善，当Ti的含量过高时，形成粗大的碳氮化物，反而对钢的冲击性能不好，故Ti的范围在0.015～0.03％

Ni:和铁无限固溶，镍扩大铁的奥氏体区，是形成稳定奥氏体的主要元素。镍强化铁素体并细化和增多珠光体，提高钢的强度和抗疲劳性，降低钢的低温脆化转变温度，量太少时，对应提高钢的低温冲击性能不明显，由于镍的价格较高，则会提高成本和造成资源的浪费，所以选择Ni的范围在0.55～0.75％。

Al：是作为炼钢时的脱氧定氮剂，Al与钢中的N形成细小难溶AlN质点，起到阻抑作用，进而细化铁素体晶粒，Al含量过低，细化作用不明显，Al含量过高，降低了钢液的流动性，形成大量的Al2O3会在水口结瘤，从而堵住水口，所以选择Al的范围在0.01～0.03％，

Ca：可以净化钢液，提高钢的纯净度，使钢的MnS球化，发挥材料的潜能，其含量过高时，易形成粗大的非金属夹杂物，所以选择范围在0.003～0.005％。

本申请的锚杆钢利用钒、铌与氮形成钒、铌的析出物来强化基体，起到提高钢材的强度，降低了合金添加量，减少了合金成本，同时，Al的添加能够消除过多氮的危害，改善冲击功，而且细化晶粒；铸坯大变形量配以低温轧制，有利于提高V的固溶强化和析出强化效果以及Nb的细化晶粒强化，得到良好的综合性能。而且添加的少量B能够显著改善材料的性能，也改善夹杂物的形态和分布，添加的镍元素能够改善钢的低温韧性，添加的Ca能够净化钢液，从而显著提高钢的耐低温冲击性能。

与现有常规技术相比，本发明的锚杆钢筋性能对于600MPa级标准而言，强度富余量充足，脱碳层厚底薄，表面质量更优，组织细小，在-40℃下低温冲击功大于75J，完全满足在我国任何区域的使用，而且工艺简单，在现有装备无需改动的情况下即可生产。

基于同样的发明构思，本申请还提供一种锚杆钢的生产方法。图2为本申请较佳实施方式一种锚杆钢的生产方法流程图。所述方法包括：

步骤S10，冶炼并浇铸成铸坯；

步骤S20，对所述铸坯进行自然冷却，采用堆垛方式，严禁向铸坯表面浇水；

步骤S30，对铸坯进行加热，加热时的均热温度为1000～1100℃，加热时间为120min～130min，不得过热、过烧；

步骤S40，对铸坯进行轧制，轧制时的开轧温度为900～1000℃，终轧温度为780～850℃；

步骤S50，自然冷却，可在步进齿条式冷床上自然空冷，严禁对终轧后淋水。

与现有常规技术相比，本发明在所生产的锚杆钢筋性能对于600MPa级标准而言，强度富余量充足，脱碳层厚底薄，表面质量更优，组织细小，在-40℃下低温冲击功大于75J，完全满足在我国任何区域的使用，而且工艺简单，在现有装备无需改动的情况下即可生产。

通过对炼钢过程进行控制，保证合金有高的收得率，以及钢质高的纯净度，从而达到提高锚杆钢筋的耐低温冲击韧性。

所述的步骤S10，即冶炼并浇铸成铸坯具体包括：

步骤S11，铁水脱硫，采用喷镁粉脱硫工艺，控制出站铁水硫含量[S]≤0.010％，罐内脱硫渣要扒干净。

步骤S12，转炉顶底吹炼，废钢装入量占总装入量的10～15％；转炉采用顶-底复合吹炼，终点采用高拉补吹工艺，点吹次数≤2次；终渣碱度目标为2.8～3.8；转炉终点C控制目标0.08～0.10％；出钢温度(目标)为1680～1700℃；出钢时间5～9min，挡渣出钢，钢包渣层厚度≤100mm(目标)；脱氧及合金化：出钢1/4左右时，随钢流加入硅锰铁、碳化硅等合金脱氧，然后加入然后加入钒铁、氮化硅锰、铌铁、钛铁、镍铁、硼铁和碳粉；钢水出至3/4时，合金、增碳剂必须全部加入，成分按设计范围的下限控制。

步骤S13，氩站吹氩，按内控目标值进行成分微调；加入合金后吹氩3min，喂铝线，然后测温、取样，出站成分调整按设计目标值控制。

步骤S14，浇铸成铸坯,连铸采用大罐长水口和结晶器浸入式水口(浸入深度100～150mm)保护浇注；中包保护渣采用碱性保护渣，结晶器保护渣采用中碳钢保护渣；铸坯拉速应与钢水温度匹配，过热度控制在液相线10～20℃，拉速控制目标1.6～1.8m/min。

以下就具体实验比较进行说明。

实施例1

生产Φ18mm规格的钢，选用化学成份按质量百分数为：C 0.20％、Si 1.57％、Mn 1.33％、P0.015％、S0.012％、Ti0.018％、V 0.039％、Nb0.018％、Als0.0157％，B0.0018％、N0.0078％、Ni0.58％、Ca0.0048％，余量为Fe。连轧工艺参数：均热段温度：1000℃，加热时间120min，开轧温度：900℃，终轧温度780℃，上冷床后自由空冷。

钢材性能件下表

实施例2

生产Φ20mm规格的钢，选用化学成份按质量百分数为：C 0.255％、Si 1.45％、Mn 1.41％、P0.011％、S0.008％、Ti0.028％、V 0.032％、Nb0.024％、Als0.0192％，B0.0028％、N0.0063％、Ni0.67％、Ca0.0041％，余量为Fe。连轧工艺参数：均热段温度：1050℃，加热时间120min，不得过热、过烧，开轧温度：950℃，终轧温度800℃，上冷床后自由空冷。

钢材性能件下表

实施例3

生产Φ22mm规格的钢，选用化学成份按质量百分数为：C 0.28％、Si 1.6％、Mn 1.03％、P0.007％、S0.009％、Ti0.023％、V 0.031％、Nb0.015％、Als0.0261％，B0.0030％、N0.0052％、Ni0.69％、Ca0.005％，余量为Fe。连轧工艺参数：均热段温度：1100，加热时间130min，开轧温度：1000℃，终轧温度850℃，上冷床后自由空冷。

钢材性能件下表

上述实施例的钢的屈服强度均在650以上，在-40℃下低温冲击功最小值为80J，因此，本发明在所生产的锚杆钢筋性能对于600MPa级标准而言，强度富余量充足，脱碳层厚底薄，表面质量更优，组织细小，在-40℃下低温冲击功大于75J，完全满足在我国任何区域的使用，而且工艺简单，在现有装备无需改动的情况下即可生产。

实验结果表明，设计的成分和工艺能够满足性能的要求。对比产线销售价格，吨钢可以高500-600元，按照年生产1000吨计算，可以创造50万元的经济效益。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种耐低温的高强度锚杆钢，其特征在于，所述锚杆钢的质量百分比包括：

C 0.20～0.28％、Si 1.2～1.6％、Mn 1.0～1.5％、P≦0.015％、S≦0.015％、V0.03～0.04％、Als0.01～0.03％、Nb 0.015～0.025％、N0.005～0.0080％、Ti0.015～0.03％、B0.002～0.003％、Ni0.55～0.75％、Ca 0.003～0.005％其余为Fe和杂质元素。

2.如权利要求1所述的锚杆钢，其特征在于，所述C 0.22～0.26％、Mn1.15～1.4％、Ni0.6～0.7％。

3.如权利要求1所述的锚杆钢，其特征在于，所述锚杆刚的金相组织为铁素体和珠光体。

4.一种锚杆钢的生产方法，用于生产权利要求1-3中任一权利要求所述的锚杆钢，其特征在于，所述方法包括：

冶炼并浇铸成铸坯；

对所述铸坯进行自然冷却；

对铸坯进行加热，加热时的均热温度为1000～1100℃，加热时间为120min～130min；

对铸坯进行轧制，轧制时的开轧温度为900～1000℃，终轧温度为780～850℃；

自然冷却。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述冶炼并浇铸成铸坯包括：

铁水脱硫；

转炉顶底吹炼；

氩站吹氩；

浇铸成铸坯。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述浇铸成铸坯包括：过热度控制在液相线10～20℃，拉速控制目标1.6～1.8m/min。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述转炉顶底吹炼包括：

出钢1/4左右时，随钢流加入硅锰铁、碳化硅等合金脱氧，然后加入然后加入钒铁、氮化硅锰、铌铁、钛铁、镍铁、硼铁和碳粉；

出至3/4时，合金、增碳剂必须全部加入，成分按设计范围的下限控制。