CN104805355A - 一种锚杆钢及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种锚杆钢，所述锚杆钢的屈服强度≥650MPa，抗拉强度≥800MPa，20℃时的冲击功值大于等于50J，所述锚杆钢的化学成分质量百分百包括：C：0.28～0.32％、Si：1.5～1.8％、Mn：0.8～1.2％、P≤0.035％、S≤0.035％、V：0.10～0.14％、Als：0.01～0.03％、Ti：0.015～0.03％、B：0.001～0.003％其余为Fe和杂质元素。上述锚杆钢的屈服强度≥650MPa，抗拉强度≥800MPa，20℃时的冲击功值大于等于50J，该锚杆钢强度富余量充足，冲击韧性好，脱碳层厚底薄，表面质量更优，组织细小，能满足锚杆钢的使用要求，至少部分解决了现有技术中的钢材料的冲击韧性低、屈服强度不能达到使用要求的技术问题。

Description

一种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。

中国专利申请号为CN201310593620.6的专利文献，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φ8mm或φ24mm，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。上述生产方法工艺复杂，不利于批量化生产；而且要求加热炉加热温度高，在未采取措施的情况下，易造成钢材表面脱碳严重，性能达不到要求。

中国专利申请号为CN201310234760.4的专利文献，公开了一种高强度低屈强比矿用锚杆钢微合金钒控制析出方法，采用转炉初炼→钢包钒微合金化→LF炉精炼→全保护浇注→连铸，以铁水、废钢及钒氮合金元素做原料，生产出钒的质量百分比在0.05-0.15范围内，P、S洁净钢控制质量百分比在0.01以内的高强度低屈强比矿用锚杆钢。在轧制工艺中控制如下技术参数：采用950℃-1050℃温度区间开轧，通过4架无孔型轧机+8架孔型轧机进行连续轧制，控制精轧温度在780℃-830℃范围内，上冷床温度在700℃-750℃范围内，上冷床后在550℃-750℃缓冷，使V的析出率提高15-20％，使锚杆钢的平均强度提高20-40Mpa、屈强比达到0.72、屈服强度Rel≥600Mpa、抗拉强度Rm≥800Mpa、延伸率A％≥20％、室温冲击功≥40J。但上述钢材料的室温冲击韧性低，不满足标准中对超高强度锚杆钢筋要求；且屈服强度不能完全达到使用要求。

发明内容

本申请提供一种锚杆钢及其生产方法，至少部分解决了现有技术中的钢材料的冲击韧性低、屈服强度不能达到使用要求，且生产方法工艺复杂，且需要加热炉加热温度高的技术问题。

本申请提供一种锚杆钢，所述锚杆钢的屈服强度≥650MPa，抗拉强度≥800MPa，20℃时的冲击功值大于等于50J，所述锚杆钢的化学成分质量百分百包括：

C：0.28～0.32％、Si：1.5～1.8％、Mn：0.8～1.2％、P≤0.035％、S≤0.035％、V：0.10～0.14％、Als：0.01～0.03％、Ti：0.015～0.03％、B：0.001～0.003％其余为Fe和杂质元素。

优选地，所述锚杆钢的金相组织为珠光体+铁素体。

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：

冶炼并连铸成铸坯；

对铸坯加热，控制均热段温度为1000℃～1100℃，加热时间115min～130min；

进行热轧，控制开轧温度为950℃～1050℃，终轧温度800℃～880℃；

自然空冷。

优选地，所述自然空冷具体为：在步进齿条式冷床上自然空冷。

本申请有益效果如下：

上述锚杆钢的屈服强度≥650MPa，抗拉强度≥800MPa，20℃时的冲击功值大于等于50J，该锚杆钢强度富余量充足，冲击韧性好，脱碳层厚底薄，表面质量更优，组织细小，能满足锚杆钢的使用要求，至少部分解决了现有技术中的钢材料的冲击韧性低、屈服强度不能达到使用要求的技术问题。

上述生产所述的锚杆钢的方法工艺简单，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冲击韧性；适当的延长加热时间10-15min，有利于合金元素充分的溶解和扩散，轧钢时，采用强力变形，通过多轴变形、大变形量轧制，降低终轧温度，有利于提高V的固溶强化和析出强化效果以及Ti的细化晶粒强化，得到良好的综合性能。

C：C是提高钢材强度最有效的元素，但是当其含量低于0.28％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0.32％，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0.28～0.32％。

Si：是一种廉价的置换强化元素，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，所以选择Si的范围在1.5～1.8％。

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0.8～1.2％；

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，所以选择S的范围在≦0.025％；P易在晶界偏析，增加钢筋的脆性，使冲击性能大幅下降，因此含量越低越好，所以选择P的范围在≦0.035％。

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。当硼的含量小于0.001％时，其对钢的效果不明显；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0.001～0.003％范围。

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0.10％时，析出强化效果不能够满足力学性能要求，V高于0.14％时，析出强化使强度太高而导致韧性变差，V的控制量在0.10～0.14％范围。

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Als的范围在0.01～0.03％，

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0.015～0.03％。

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℃的措施是为了减少铸坯烧损，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。

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的流程图。

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，所述锚杆钢的屈服强度≥650MPa，抗拉强度≥800MPa，20℃时的冲击功值大于等于50J。

所述锚杆钢的化学成分质量百分百包括：C：0.28～0.32％、Si：1.5～1.8％、Mn：0.8～1.2％、P≤0.035％、S≤0.035％、V：0.10～0.14％、Als：0.01～0.03％、Ti：0.015～0.03％、B：0.001～0.003％其余为Fe和杂质元素。

优选地，如图1所示，所述锚杆钢的金相组织为珠光体+铁素体。

C：C是提高钢材强度最有效的元素，但是当其含量低于0.28％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0.32％，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0.28～0.32％。

Si：是一种廉价的置换强化元素，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，所以选择Si的范围在1.5～1.8％。

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0.8～1.2％；

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，所以选择S的范围在≦0.025％；P易在晶界偏析，增加钢筋的脆性，使冲击性能大幅下降，因此含量越低越好，所以选择P的范围在≦0.035％。

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。当硼的含量小于0.001％时，其对钢的效果不明显；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0.001～0.003％范围。

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0.10％时，析出强化效果不能够满足力学性能要求，V高于0.14％时，析出强化使强度太高而导致韧性变差，V的控制量在0.10～0.14％范围。

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Als的范围在0.01～0.03％，

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0.015～0.03％。

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℃的措施是为了减少铸坯烧损，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。

上述锚杆钢的屈服强度≥650MPa，抗拉强度≥800MPa，20℃时的冲击功值大于等于50J，该锚杆钢强度富余量充足，冲击韧性好，脱碳层厚底薄，表面质量更优，组织细小，能满足锚杆钢的使用要求，至少部分解决了现有技术中的钢材料的冲击韧性低、屈服强度不能达到使用要求的技术问题。

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，用于生产所述的锚杆钢，如图2所示，所述方法包括以下步骤：

步骤S10，冶炼并连铸成铸坯；

步骤S20，对铸坯加热，控制均热段温度为1000℃～1100℃，加热时间115min～130min；

步骤S30，进行热轧，控制开轧温度为950℃～1050℃，终轧温度800℃～880℃；

步骤S40，自然空冷，具体地，所述自然空冷为在步进齿条式冷床上自然空冷。

所述冶炼并连铸成铸坯具体包括：

①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。

②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1660～1690℃；出钢时间3～9min，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、钛铁和碳粉；钢水出至3/4时合金、增碳剂必须全部加入，C、Si、Mn、V、Ti、B成分按内控范围的下限控制。

③、氩站：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C、Si、Mn、V、Ti、B成分调整按目标值控制。

④、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。

⑤、铸坯冷却，采用自然堆垛冷却方式，严禁向铸坯表面浇水。

上述生产所述的锚杆钢的方法工艺简单，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冲击韧性；适当的延长加热时间10-15min，有利于合金元素充分的溶解和扩散，轧钢时，采用强力变形，通过多轴变形、大变形量轧制，降低终轧温度，有利于提高V的固溶强化和析出强化效果以及Ti的细化晶粒强化，得到良好的综合性能。

以下就具体实验进行说明。

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：0.28％、Si：1.57％、Mn：0.93％、P：0.015％、S：0.019％、Ti：0.018％、V：0.109％、Als：0.0157％，B：0.0018％，余量为Fe。对铸坯加热时控制均热段温度为1000℃，加热时间117min，进行热轧时控制开轧温度为950℃，终轧温度为800℃，上冷床后自然空冷，获得如下表性能的锚杆钢，具体性能如下表所示。

直径/mm	屈服强度/MPa	抗强强度/MPa	δ5/％	冲击性能/J/20℃
					18	669	842	21.5	129

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：0.295％、Si：1.65％、Mn：1.04％、P：0.011％、S：0.013％、Ti：0.022％、V：0.127％、Als：0.0273％，B：0.00192％，余量为Fe。对铸坯加热时控制均热段温度为1050℃，加热时间为120min，不得过热、过烧，进行热轧时控制开轧温度为1000℃，终轧温度为835℃，上冷床后自然空冷，获得如下表性能的锚杆钢，具体性能如下表所示。

直径/mm	屈服强度/MPa	抗强强度/MPa	δ5/％	冲击性能/J/20℃
					20	661	837	20.5	135

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：0.311％、Si：1.63％、Mn：1.16％、P：0.012％、S：0.016％、Ti：0.030％、V：0.137％、Als：0.0321％，B：0.0025％，余量为Fe。对铸坯加热时控制均热段温度为1100℃，加热时间为130min，进行热轧时控制开轧温度为1050℃，终轧温度为880℃，上冷床后自然空冷，获得如下表性能的锚杆钢，具体性能如下表所示。

直径/mm	屈服强度/MPa	抗强强度/MPa	δ5/％	冲击性能/J/20℃
					22	651	826	20	127

从上述实验可知，上述锚杆钢的具有良好的屈服强度、抗拉强度和冲击功值，能满足锚杆钢的使用要求。

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，则可对这些实施例作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 (4)

1.一种锚杆钢，其特征在于，所述锚杆钢的屈服强度≥650MPa，抗拉强度≥800MPa，20℃时的冲击功值大于等于50J，所述锚杆钢的化学成分质量百分百包括：

C：0.28～0.32％、Si：1.5～1.8％、Mn：0.8～1.2％、P≤0.035％、S≤0.035％、V：0.10～0.14％、Als：0.01～0.03％、Ti：0.015～0.03％、B：0.001～0.003％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，所述锚杆钢的金相组织为珠光体+铁素体。

3.一种锚杆钢的生产方法，用于生产如权利要求1-2中任一权利要求所述的锚杆钢，其特征在于，所述方法包括：

冶炼并连铸成铸坯；

对铸坯加热，控制均热段温度为1000℃～1100℃，加热时间115min～130min；

进行热轧，控制开轧温度为950℃～1050℃，终轧温度800℃～880℃；

自然空冷。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述自然空冷具体为：在步进齿条式冷床上自然空冷。