CN102251186A - 一种高强度矿山机械用钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高强度矿山机械用钢，其组成按重量百分数为：C：0.32～0.39％、Si：1.10～1.40％、Mn：0.80～1.10％、P：0.005～0.020％、S：0.001～0.025％、Cr：1.10～1.40％、Cu：0.01～0.20％、Ni：0.01～0.30％、Al：0.010～0.060％、O：5～20×10^-6余为Fe和不可避免的杂质。本发明还提供了所述高强度矿山机械用钢的制备方法。本发明钢综合性能优异，制造的掘进机截齿较好地满足了大型矿山机械使用要求，提高了煤炭生产效率和经济效益。

Description

一种高强度矿山机械用钢及其制造方法

技术领域

本发明属于合金结构钢技术领域，具体涉及一种高强度矿山机械用钢及其制造方法。

背景技术

掘进机是煤矿井下巷道铁路和隧道施工的掘进设备。破碎煤岩等硬质物的工作机构截割头是其重要部件之一，掘进机工作时截齿会承受高的压应力、剪切应力和冲击负荷，煤岩中还含有硬的矿料如煤矸石等，会受到很大的冲击并且在采煤和凿岩过程中截齿还有升温问题，导致齿顶材质软化加速了截齿的失效过程。

CN101899624A公开了一种高碳低合金大规格锻造矿用耐磨钢球及其生产方法，该耐磨钢球包含H≤1.5ppm以及下述质量百分比组分：、Si 0.20～0.40、Mn 0.90～1.00、P≤0.020、S≤0.020、Cr 0.90～1.00、Ni 0.05～0.15、Mo 0.06～0.15、Al 0.020～0.050、Cu 0.1～0.25；本生产方法包括将上述热轧圆钢加热至1050～1150℃，保温后剪切成料段、锻造成磨球；待磨球锻后强冷至室温，再重新加热、保温一定时间后出炉；待达到淬火温度时入水淬火，再配以低温回火；本耐磨钢球的直径从125～160mm，其表面硬度可达HRC60～62，而且硬度分布均匀、内外硬度差较小，无淬火软点等缺陷，其冲击性能良好，D125～D160mm磨球的冲击值可以达到10～18J/cm²。

CN101899624A发明是一种适用于选矿用的耐磨钢球用钢，根据选矿用钢工况条件，对钢的要求主要是高硬度和耐磨性。因此，该钢碳含量高，C为0.80～0.90％，但高的碳含量会影响冲击性能(10～18J/cm²)。因此，CN101899624A发明钢不能满足掘进机截割头工况条件，掘进机截割头用钢要求能承受高的压应力、剪切应力和冲击负荷。并且CN101899624A发明钢含有Ni、Mo等元素，会增加钢的制造成本。

发明内容

本发明适应高产高效矿井建设和发展的需要，解决了煤矿掘进机截齿寿命和截割效率低，生产停机时间长，截齿损耗高等问题，提供了一种高强度、高韧性和耐磨性，综合性能优异且承受重载荷的矿山机械用钢及其制造方法。

本发明提供了一种矿山机械用钢，其特征在于其组成按重量百分数为：

C：0.32～0.39％    Si：1.10～1.40％

Mn：0.80～1.10％   P：0.005～0.020％

S：0.001～0.025％  Cr：1.10～1.40％

Cu：0.01～0.20％   Ni：0.01～0.30％

Al：0.010～0.060％ O：5～20×10^-6

余为Fe和不可避免的杂质。

优选的，所述矿山机械用钢的强度≥1500MPa，更优选1500～2000MPa。所述矿山机械用钢的韧性≥70J/cm²，更优选70～100J/cm²。

钢种成分的确定：掘进机截齿作为破碎煤岩的刀具，在工作过程中除了要承受高的压应力、剪切应力和冲击负荷外，还存在随着工作时间增加温度升高，导致截齿软化的问题，加速截齿磨损。钢性能主要取决钢的化学成分、纯洁度和组织均匀性三个方面，其中以化学成分影响最大。碳是钢主要的强化元素，考虑钢高强度和韧性的综合要求，设计C：0.32～0.39％；硅有较好的固溶强化作用，还能改变回火时析出碳化物的数量、尺寸和形态，提高钢的回火稳定性，但含量过高，会助长钢加热时的脱碳、石墨化和晶粒粗化倾向，设计Si：1.10～1.40％；锰显著提高钢的淬透性，强化基体和细化珠光体，提高钢的强度和硬度，铬显著提高钢的淬透性，同时形成铬的碳化物提高钢的耐磨性，Cr-Mn复合更有利钢淬透性，设计Mn：0.80～1.10％、Cr：1.10～1.40％；微量元素Al的加入可以细化晶粒，提高钢的强度和综合性能，设计Al：0.010-0.060％。S、P在钢中视为有害元素，因此，本发明控制S≤0.025％，P≤0.025％；Ni|、Cu为残余元素，为减少危害，控制Ni≤0.30％，Cu≤0.20％；为提高钢的纯净度和疲劳寿命，本发明还对氧提出了控制要求：[O]≤20×10^-6。

在上述优化设计基础上，为保证钢的性能稳定一致，优选的，钢的组成按质量百分数为：C：0.33～0.38％、Si：1.20～1.40％、Mn：0.95～1.10％、Cr：1.25～1.40％、P：0.005～0.025％、S：0.001～0.025％、Cu：0.01～0.20％、Ni：0.01～0.30％、Al：0.015～0.060％、[O]5～20×10^-6，余为Fe和不可避免的杂质。

本发明还提供矿山机械用钢的制备方法，包括以下步骤：

(1)冶炼：采用电炉冶炼，终点[C]0.10～0.15％、[P]≤0.015％，残余元素含量符合设计要求，钢水的出钢温度1630～1640℃；LF炉外精炼，精炼渣碱度3.0～4.5，白渣保持时间18～20分钟；精炼后真空处理，真空度小于67Pa，保持时间15～18分钟，VD后软吹氩时间12～15分钟；氧含量12～17ppm。

(2)浇注：采用连铸全程保护浇注，中包钢水温度控制在1500～1515℃，拉速在0.55～0.75/min。

(3)轧制：对连铸坯进行缓冷后轧制，轧制压缩比30～40。控制加热炉均热温度1210～1230℃，加热时间2.5～3小时，开轧温度1080～1120℃，终轧温度900～1000℃。

LF炉外精炼：钢包炉外精炼，是采用氩气搅拌，在大气下用石墨电极埋弧加热，再加上白渣精炼技术处理的工艺过程；VD：钢包内真空处理钢水的工艺过程。

优选的，步骤(1)中真空度为30～67Pa。

优选的，步骤(2)中中包钢水温度控制在1500～1510℃。

优选的，步骤(2)中拉速按0.60～0.65/min控制。

优选的，步骤(2)中连铸中采用电磁搅拌。

优选的，步骤(1)中，电炉炉料配比为：铁水40～60％，废钢40～60％。

优选的，步骤(1)中采用全程泡沫渣工艺。所述泡沫渣工艺是指在钢的冶炼过程中，在氧化期脱碳产生CO气泡，使熔池沸腾的过程。

优选的，步骤(2)中连铸过程实施全程保护浇注；采用高效碱性大包、中包覆盖剂，即保证了吸附夹杂物作用，又起到良好的保温工作；采用专用保护渣，提高保护渣的碱度，提高保护渣吸附夹杂物能力，净化钢水。

高效碱性大包、中包覆盖剂型号TD-WX，主要理化指标见表1；专用保护渣主要理化指标见表2。

表1TD-WX覆盖剂理化指标

SiO2％	30.75	C％	21.18
				CaO+MgO％	30.81	H2O％	0.23
Al2O3％	2.53	熔点(℃)	1360
				Fe2O3％	0.91	体积密度(g/cm3)	0.67

表2保护渣理化指标

SiO2％	22.74	R％	0.89
				CaO％	20.23	C固％	14.16
MgO％	4.18	H2O％	0.30
				Al2O3％	8.81	熔速(s/1350℃)	41
Fe2O3％	1.84	粘度(Pa.S/1300℃)	0.550
				R2O％	5.91	粒度(0.15-1mm)	95.00
F％	2.26	容重(g/cm3)	0.73

优选的，本发明的矿山机械用钢的制备方法，包括以下步骤：

(1)冶炼

优化电炉炉料结构，石灰质量必须达到二级品或二级品以上才可以才能入厂，电炉配入超过60％的铁水，加入部分铁矿石，合理配入适量的含残余元素低的渣钢渣钢、废钢等，将钢水中残余元素含量降低到较低水平。电炉炉料配比为：铁水40～60％，废钢40～60％。

全程泡沫渣工艺，钢水吸气量大大降低；电炉终点控制技术，终点碳含量控制在0.10～0.15％，达到控制终点氧含量的目的；控制精炼炉渣组成，对夹杂的吸附能力提高，并防止了避免炉渣对钢液的二次氧化，精炼渣组成，见表3。

表3冶炼精炼渣组成

种类	∑Fe	SiO2	P2O5	S	CaO	MgO	Al2O3	R
									精炼渣	3.08	11.82	0.006	1.24	49.37	7.20	13.47	4.218

采用智能吹氩技术，不仅有利于钢水成分与温度的均匀、加剧渣、钢界面反应而且有利于夹杂物快速上浮等，避免钢液面裸露和保证精炼炉渣面上惰性气氛，从而减少钢水吸气量。

(2)浇注

连铸过程实施全程保护浇注；采用高效碱性大包、中包覆盖剂，即保证了吸附夹杂物作用，又起到良好的保温工作；采用专用保护渣，提高保护渣的碱度，提高保护渣吸附夹杂物能力，净化钢水。

控制连铸中间包过热度为20～30℃和拉速，应依照过热度高拉速低的原则调整：按照0.55～0.75m/min控制。

结晶器和末端电磁搅拌确保正常使用。

(3)轧制

为保证钢的内部质量，对连铸坯进行缓冷后轧制，轧制压缩比30～40。控制加热炉均热温度1210～1230℃，加热时间2.5～3小时，开轧温度1080～1120℃，终轧温度900～1000℃。

以上制备方法中未加限定的工艺条件均可参照本领域常规技术。

本发明的技术创新点之一在于高性能与低成本的优化设计。与普通结构钢相比，发明钢具有相当高的强度(≥1500MPa)和较好的韧性；同时，由于其主要采用Cr、Mn、Si廉价合金元素，制造成本相对低廉。本发明的技术特点之二在于合理的生产工艺，提高钢的纯净度，保证钢的性能质量及对氧含量的控制。

本发明研究开发了一种适用于掘进机截齿用高强度钢，满足了新型掘进机械的要求，解决传统掘进机截齿消耗量大、截效率低等技术问题，提高了其使用寿命和工作可靠性，以及硬岩掘进机的截割效率，大大降低了截齿损耗和生产停机时间，大幅度提高了煤炭生产效益，很好地适应高产高效矿井建设和发展的需要。采用本发明钢制造的掘进机截齿消耗降低50％以上，显著提高了煤矿经济效益。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于此。

实施例1～4，有关工艺数据列于表4、5中。

一种高强度矿山机械用钢，采用UHP超过功率电炉、LF炉外精炼、VD真空脱气处理工艺冶炼，连铸浇注铸坯、轧制成材工艺生产钢材。实施例是以Φ36mm规格钢材的生产工艺来具体说明本发明是如何实施的。

生产工艺如下：

(1)冶炼：采用电炉冶炼，终点[C]≥0.10％、[P]≤0.015％，残余元素含量符合设计要求，钢水的出钢温度1630～1640℃；LF炉外精炼，精炼渣碱度4.2，白渣保持时间18分钟；精炼后真空处理，真空度小于67Pa，保持时间15～18分钟，VD后软吹氩时间12～15分钟。氧含量12～17ppm。

(2)浇注：采用连铸全程保护浇注，连铸中应采用电磁搅拌。中包钢水温度控制在1500～1515℃，拉速在0.65±0.02/min，铸坯质量良好。

(3)轧制：对连铸坯进行缓冷后轧制，控制加热炉均热温度1210～1230℃，加热时间2.5～3小时，开轧温度1080～1120℃，终轧温度900～1000℃。

发明钢经实验测定有关成分、性能数据列于表6、7中，测试方法采用国际通用方法。

表4冶炼工艺条件

表5连铸、轧钢工艺条件

表6实施例化学成分(重量，％)

编号	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Cu	Al
										实施例1	0.34	1.22	0.96	0.016	0.002	1.25	0.02	0.02	0.046
实施例2	0.34	1.26	0.95	0.013	0.004	1.26	0.01	0.02	0.049
										实施例3	0.34	1.26	0.94	0.013	0.002	1.29	0.02	0.02	0.021
实施例4	0.34	1.19	0.95	0.014	0.006	1.28	0.02	0.02	0.020

表7实施例物理性能

编号	规格，mm	Rel，MPa	Rm，MPa	A，％	Z，％	Aku，J
							1	36	1550	1800	11	49	78
2	36	1520	1780	11	40	74
							3	36	1570	1830	11	44.5	78
4	36	1510	1760	12	46	72

Claims (10)

1.一种高强度矿山机械用钢，其组成按重量百分数为：

C：0.32～0.39％       Si：1.10～1.40％

Mn：0.80～1.10％      P：0.005～0.020％

S：0.001～0.025％     Cr：1.10～1.40％

Cu：0.01～0.20％      Ni：0.01～0.30％

Al：0.010～0.060％    O：5～20×10^-6

余为Fe和不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的高强度矿山机械用钢，其特征在于，所述矿山机械用钢的强度≥1500MPa，更优选1500～2000MPa。所述矿山机械用钢的韧性≥70J/cm²，更优选70～100J/cm²。

3.如权利要求1所述的高强度矿山机械用钢，其特征在于，钢的组成按质量百分数为：

C：0.33～0.38％        Si：1.20～1.40％

Mn：0.95～1.10％       Cr：1.25～1.40％

P：0.005-0.025％       S：0.001-0.025％

Cu：0.01-0.20％        Ni：0.01-0.30％

Al：0.015-0.060％      O：5～20×10^-6

余为Fe和不可避免的杂质。

4.如权利要求1～3任一项所述的高强度矿山机械用钢的制备方法，包括以下步骤：

(1)冶炼：采用电炉冶炼，终点[C]0.10～0.15％、[P]≤0.015％，残余元素含量符合设计要求，钢水的出钢温度1630～1640℃；LF炉外精炼，精炼渣碱度3.0～4.5，白渣保持时间18～20分钟；精炼后真空处理，真空度小于67Pa，保持时间15～18分钟，VD后软吹氩时间12～15分钟；氧含量12～17ppm；

(2)浇注：采用连铸全程保护浇注，中包钢水温度控制在1500～1515℃，拉速在0.55～0.75/min；

(3)轧制：对连铸坯进行缓冷后轧制，轧制压缩比30～40。控制加热炉均热温度1210～1230℃，加热时间2.5～3小时，开轧温度1080～1120℃，终轧温度900～1000℃。

5.如权利要求4所述的高强度矿山机械用钢的制备方法，其特征在于，步骤(1)中真空度为30～67Pa。

6.如权利要求4所述的高强度矿山机械用钢的制备方法，其特征在于，步骤(2)中中包钢水温度控制在1500～1510℃。

7.如权利要求4所述的高强度矿山机械用钢的制备方法，其特征在于，步骤(2)中拉速按0.60～0.65/min控制；步骤(2)中连铸中采用电磁搅拌。

8.如权利要求4所述的高强度矿山机械用钢的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，电炉炉料配比为：铁水40～60％，废钢40～60％。

9.如权利要求4所述的高强度矿山机械用钢的制备方法，其特征在于，步骤(1)中采用全程泡沫渣工艺。

10.如权利要求4所述的高强度矿山机械用钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)冶炼

电炉炉料配比为：铁水40～60％，废钢40～60％。

全程泡沫渣工艺；电炉终点控制技术，终点碳含量控制在0.10～0.15％，达到控制终点氧含量的目的；控制精炼炉渣组成，精炼渣组成，见下表。

冶炼精炼渣组成

  种类   ∑Fe   SiO₂   P₂O₅   S   CaO   MgO   Al₂O₃   R   精炼渣   3.08   11.82   0.006   1.24   49.37   7.20   13.47   4.218

采用智能吹氩技术；

(2)浇注

连铸过程实施全程保护浇注；采用高效碱性大包、中包覆盖剂；采用专用保护渣；

中包钢水温度控制在1500～1510℃，拉速依照过热度高拉速低的原则调整，按照0.55～0.75m/min控制；结晶器和末端采用电磁搅拌；

(3)轧制

为保证钢的内部质量，对连铸坯进行缓冷后轧制，轧制压缩比30～40。控制加热炉均热温度1210～1230℃，加热时间2.5～3小时，开轧温度1080～1120℃，终轧温度900～1000℃。