CN104073720A - 一种屈强比≤0.8的矿山用锚杆钢及生产方法 - Google Patents

Abstract

一种屈强比≤0.8的矿山用锚杆钢，其组分及wt%为：C：0.18～0.22%、Si：0.5～0.7%、Mn：1.2～1.35%、P≦0.015%、S≦0.02%、Ti：0.01～0.04%、V：0.08～0.12%、Nb：0.01～0.025%、Als：0.015～0.035%，N：0.009～0.015%；生产步骤：常规冶炼并铸坯；对铸坯自然堆垛冷却至室温；对铸坯加热；粗轧；精轧；自然空冷至室温待用。本发明不仅屈强比小于0.8，延伸率A≥20%，冲击性能AKV2＞50J，有效的提高了延伸塑性和耐冲击性能，在高变形负荷下未因塑性变形而断裂，也未因铸坯低倍缺陷而引起的改判事故或者质量问题。

Description

一种屈强比≤0.8的矿山用锚杆钢及生产方法

技术领域

本发明涉及一种高强度锚杆钢及其生产方法，具体属于一种屈强比≤0.8的矿山用锚杆钢其生产方法。 

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。 

巷道中，锚杆钢在矿井下要承受岩层的错层和位移带来的巨大切应力下，因此需要很高强度的同时具有很好的延伸塑性和耐冲击性能。在严酷的变形负荷下，锚杆钢的塑性变形一致性是关键，而提高塑性变形性能的有效方法是降低钢的屈强比，屈强比越低，材料从开始塑性变形到最终断裂所需要的形变量越大，因而提高了其塑性变形能力。 

经检索：中国专利申请号为CN201210376645.6 的专利文献，公开了一种超高强度热轧树脂锚杆钢筋，按重量百分比由以下元素组成C：0.26~0.30%；Mn：1.60~1.80%；Si：0.65~0.85%；V：0.11~0.14%；N：0.020~0.040%；S≤0.020%；P≤0.0255；残余元素：Cr≤0.10%、Cu≤0.10%、Ni≤0.10%，且Cr+Cu+Ni≤0.20%；其余为Fe和不可避免的杂质。其屈强比虽小于0.8，但是冲击韧性较低，同时N元素含量过高，易造成连铸坯低倍缺陷级别增加，即缺陷级别增到1.5～2.5级，影响成品质量及合格率，进而影响冲击性能。 

中国专利申请号为CN200910089349.6的专利文献，公开了一种转炉连铸小方坯超高强韧性巷道支护锚杆钢及生产方法。锚杆钢的成分重量百分比：碳0.05～0.70％、硅 0.15～1.20％、锰0.50～2.50％、磷≤0.045％、硫≤0.045％、铬0～1.00 ％、镍0～1.00％、钼0～1.00％、铜0～0.30％、钒0.03～0.40％、铝0.01～0.2％、钛0～0.10％、硼0～0.010％、铌0.001～0.20％、氮0.004～0.020 ％、铁余量，屈服强度Rel≥600MPa、延伸率δ5≥20％、冲击韧性20℃， Akv≥27J、破断载荷≥300KN。其缺点是添加的合金成分范围广，性能波动大,大于700MPa强度的高强度锚杆钢屈强比＞0.8，同时利用回火工艺易使得表面产生马氏体组织，损害冲击韧性，冲击功基本都在50J以下。 

发明内容

本发明针对上述现有技术存在的不足，提供一种在保证其力学性能：Rel大于600Mpa，延伸率A≥20%，常温冲击功Akv＞50J下，显著降低铸坯低倍缺陷级别，级别由1.5～2.5级降至0～0.5级，提高轧制合格率的屈强比≤0.8的的矿山用锚杆钢及生产方法。 

本申请为了实现上述目的，对实现本申请的目的的起影响或者关键作用的合金元素及工艺进行了深入的研究其结果，为了即使在保证Rel大于600Mpa，延伸率A≥20%，常温冲击功Akv＞50J下性能的前提下，还能实现降低铸坯低倍缺陷级别，级别由1.5～2.5级降至0～0.5级，因此提出了严格限定N元素的含量，以能进一步达到最大强化效果，而不会使N元气过多引起铸坯质量问题。其经试验，将N严格控制在0.009～0.015%。本申请工艺方面主要采取了低温轧制，即粗轧开轧温度在：1000～1100℃， 精轧终轧温度不高于880℃的措施。低温轧制是将钢坯加热到低于常规加热温度，其温度太低，一是使微合金化元素固溶不彻底而需要延长加热时间，二是轧制时轧机需要更大轧制力而降低设备的服役时间；温度太高达不到低温的轧制的目的；终轧温度更接近相变温度，钢坯的原始奥氏体晶粒较小，通过轧制变形使相应的轧制终了的奥氏体晶粒也较小，因而使晶粒得到细化、性能得到改善，所以控制终轧温度不高于880℃。 

实现上述目的的措施： 

一种屈强比≤0.8的矿山用锚杆钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.18～0.22%、Si： 0.5～0.7%、Mn：1.2～1.35%、P≦0.015%、S≦0.02%、Ti：0.01～0.04%、V：0.08～0.12%、Nb：0.01～0.025%、Als：0.015～0.035%，N：0.009～0.015%，其余为Fe和杂质元素。

生产一种屈强比≤0.8的矿山用锚杆钢的方法，其步骤： 

1）常规冶炼并铸坯，控制出钢温度在1660～1690℃，铸坯拉速不高于1.8m/min；

2）对铸坯进行自然堆垛冷却并至室温；

3）对铸坯加热，控制均热段温度为：1050～1150℃，加热时间在100~120min；

4）进行粗轧，并控制其开轧温度在：1000～1100℃；

5）进行精轧，控制其终轧温度不超过860℃，总的压缩比不低于96；

6）自然空冷至室温待用。

本发明中各元素及主要工序的作用 

C：是提高钢材强度最有效的元素，但是当其含量低于0.18%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0.22%，会产生塑性和韧性下降，冲击性能恶化，因此，本发明C选择在0.18~0.22%。

Si：在钢中不形成碳化物，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，故不宜含量太高，，所以选择Si的范围在0.5～0.7% 

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，但锰含量高于1.35%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1.2～1.35%；

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，降低钢材的延展性和韧性，因此含量越低越好，所以选择S的范围在≦0.02%；P易在晶界偏析，增加钢的脆性，使冲击性能大幅降低，因此含量越低越好，所以选择P的范围在≦0.015%。

Nb：是强碳化物形成元素，能够抑制热轧时奥氏体晶粒长大，细化组织，提高钢的强度但不降低钢的冲击韧性。但Nb含量过高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且效果不好。 

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钒的碳化物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，可显著的提高抗拉强度而屈服强度增加不明显，有效降低材料的屈强比。V低于0.08%时，析出强化效果不能够满足力学性能要求，V高于0.12%时，析出强化使强度太高而导致韧性变差， 

Ti:是强氮化物形成元素，其氮化物能有效地钉扎奥氏体晶界，有助于控制奥氏体晶粒的长大，Ti含量过高时，易形成粗大的TiN或者TiC，反而是钉扎作用减弱，对钢的韧性会造成损害，所以选择Ti的范围在0.01～0.04%。

N: 作为V、Nb及Ti析出物必需的组成元素，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，所以选择N的范围在0.009～0.015%。。 

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0.015～0.035%， 

之所以采用低温轧制即粗轧开轧温度在：1000～1100℃， 精轧终轧温度不高于880℃的措施制减少铸坯烧损，降低成本，减少脱碳层，提高成品的表面质量，晶粒细化，改善产品性能等作用。

本发明与现有技术相比，不仅屈强比小于0.8，延伸率A≥20%，冲击性能AKV2＞50J，有效的提高了延伸塑性和耐冲击性能，从而避免了在严酷的变形负荷下锚杆钢因塑性变形而断裂，同时也未因铸坯低倍缺陷而引起的改判事故或者质量问题。 

附图说明

附图1为本发明的金相组织图。 

具体实施方式

下面对本发明予以详细描述： 

除实施例4的铸坯尺寸为280×320mm外，其余均采用200×200mm的方坯；

表1为本发明各实施例及对比例的取值列表；

表2为本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表；

表3为本发明各实施例及对比例性能检测情况列表。

本发明各实施例按照以下步骤生产： 

1）常规冶炼并铸坯，控制出钢温度在1660～1690℃，铸坯拉速不高于1.8m/min；

2）对铸坯进行自然堆垛冷却并至室温；

3）对铸坯加热，控制均热段温度为：1050～1150℃，加热时间在100~120min；

4）进行粗轧，并控制其开轧温度在：1000～1100℃；

5）进行精轧，控制其终轧温度不超过860℃，总的压缩比不低于96；

6）自然空冷至室温待用。

需要说明的是本申请在铸坯坑冷及进行精轧后均严禁向其表面洒水。 

表1    本发明实施例与比较例的化学成分列表（wt%） 

表2   本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表

注：本发明钢种的参考液相温度为1510℃

表3   本发明各实施例及对比例的力学性能对比列表

从表3可以看出，本发明强度虽然与目前生产的钢筋性能相当，但延伸率更高，冲击性能更好，屈强比更小，锚杆钢因塑性变形而断裂倾向更低。

上述实施例仅为最佳例举，而并非是对本发明的实施方式的限定。 

Claims (2)

1.一种屈强比≤0.8的矿山用锚杆钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.18～0.22%、Si： 0.5～0.7%、Mn：1.2～1.35%、P≦0.015%、S≦0.02%、Ti：0.01～0.04%、V：0.08～0.12%、Nb：0.01～0.025%、Als：0.015～0.035%，N：0.009～0.015%，其余为Fe和杂质元素。

2.生产权利要求1所述的一种屈强比≤0.8的矿山用锚杆钢的方法，其步骤：

1）常规冶炼并铸坯，控制出钢温度在1660～1690℃，铸坯拉速不高于1.8m/min；

2）对铸坯进行自然堆垛冷却并至室温；

3）对铸坯加热，控制均热段温度为：1050～1150℃，加热时间在100~120min；

4）进行粗轧，并控制其开轧温度在：1000～1100℃；

5）进行精轧，控制其终轧温度不超过860℃，总的压缩比不低于96；

6）自然空冷至室温待用。