CN112647027A

CN112647027A - Npr锚杆或锚索新材料转炉及连铸小方坯的生产方法

Info

Publication number: CN112647027A
Application number: CN202011280202.8A
Authority: CN
Inventors: 何满潮; 夏敏; 郭洪燕
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-11-16
Filing date: 2020-11-16
Publication date: 2021-04-13

Abstract

本发明公开了一种NPR锚杆或锚索新材料转炉及连铸小方坯的生产方法，NPR锚杆或锚索的元素及其质量百分含量分别为C：0.4～0.9％，Mn：14～22％，Al：0～4％，Cr：0.1～10％，Si：0.1～3％，NPR晶体0～2％，Ca：0.01～0.25％，Cu：≤0.09％，Ni：≤0.09％，S：≤0.001％，P：≤0.001％，其余为Fe和不可避免的杂质元素，生产方法包括以下工序：转炉炼钢工序；LF精炼工序；VD精炼工序；小方坯连铸工序；轧钢的加热工序；轧钢的轧制工序。本发明提供的NPR锚杆或锚索新材料转炉及连铸小方坯的生产方法有效地解决了现有技术中NPR锚杆或锚索钢材料的生产方法生产成本高、生产效率低的问题。

Description

NPR锚杆或锚索新材料转炉及连铸小方坯的生产方法

技术领域

本发明涉及岩石力学用支护材料技术领域，具体而言，涉及一种NPR锚杆或锚索新材料转炉及连铸小方坯的生产方法。

背景技术

随着经济建设对能源需求量的增加，煤炭安全生产己成为制约我国煤矿发展的突出问题之一。我国煤炭资源储藏的地质开采条件相对差、埋藏深、煤层稳定性较差，地质构造1/3属复杂或极复杂，煤矿开采多数是在地层深处作业以及开采强度的不断加大，浅部资源日益枯竭，国内外矿山相继进入深部开采状态。

国内外矿山煤层巷道广泛采用传统锚杆、锚索、U型钢可缩支架等传统材料为基础的支护方式，但是，这些锚杆均属于传统泊松比材料，即为塑性硬化材料，变形量小，强度、延伸率及可伸缩量等性能均较差，已经不能适应深部巷道围岩非线性大变形破坏特征，在受到冲击载荷作用下瞬间达到其屈服强度出现锚杆破断失效，而失去承载防护能力，从而造成巷道多次返修、钢架扭曲变形、浇注混凝土开裂等破坏现象。因此，随着巷道\隧道深度的不断增加也给深部围岩支护材料的研究提出了严峻的挑战，亟需开发新的支护材料，如NPR钢材料。

现有技术中公开的NPR锚杆或锚索钢材料的生产方法，一般是通过采用中频冶炼、模具浇铸工艺路线进行NPR锚杆或锚索新材料的生产，然而现有技术中的生产方法存在成材率低，生产成本高，生产效率低等问题。因此，开发新型NPR锚杆或锚索新材料大规模、低成本且可以连续生产的工艺流程已成为钢铁材料行业亟待解决的难题。

发明内容

本发明实施例中提供一种NPR锚杆或锚索新材料转炉及连铸小方坯的生产方法，以解决现有技术中NPR锚杆或锚索钢材料的生产方法生产成本高、生产效率低的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种NPR锚杆或锚索新材料转炉及连铸小方坯的生产方法，所述NPR锚杆或锚索的元素及其质量百分含量分别为C：0.4～0.9％，Mn：14～22％，Al：0～4％，Cr：0.1～10％，Si：0.1～3％，NPR晶体0～2％，Ca：0.01～0.25％，Cu：≤0.09％，Ni：≤0.09％，S：≤0.001％，P：≤0.001％，其余为Fe和不可避免的杂质元素，生产方法包括以下工序：

转炉炼钢工序：将符合钢种生产要求的铁水和废钢加入至转炉，采用顶底复合吹炼模式进行冶炼，吹炼过程加入造渣剂，当转炉终点命中钢液成分及温度时停止吹炼，出钢过程中进行钢液脱氧；

LF精炼工序：通过实时监测钢液成分，以NPR锚杆或锚索成分为目标成分进行各类合金添加，调整并稳定控制钢液成分至目标范围内，精炼过程中通过钢包底吹氩气去除钢液中的夹杂物，精炼过程中加入≤2％的NPR晶体；

VD精炼工序：首先对钢液进行喂钙处理，VD精炼过程中保持高真空度，采用强脱气模式；当钢液H、N含量分别低于预定值时，满足钢液破空要求，破空后钢包静置弱搅；

小方坯连铸工序：将经VD精炼的钢液注入中间包，然后将钢液分配至连铸机的各结晶器使之凝固结晶，结晶器采用电磁搅拌并将结晶器中的钢坯拉出，拉坯速度恒定；二冷过程自动配水，连铸过程中对钢液采用全程保护浇注技术防止钢液氧化和吸气，最终将钢液连铸为小方坯；

轧钢的加热工序：将小方坯连铸工序生产的钢坯转入加热炉进行加热，当钢坯加热后出炉；

轧钢的轧制工序：将加热完并经高压水除鳞后的钢坯传送至轧制生产线进行快速轧制，控制开轧温度、终轧温度和轧制速度，钢坯热轧处理后自然冷却至室温。

进一步地，所述钢种成分需在冶炼过程进行窄成分控制，所述转炉炼钢工序和所述LF精炼工序中，将钢液碳含量控制在C目标±0.03％。

进一步地，所述LF精炼工序中，全程采用动态底吹氩气模式，供气流量5～35NL/(min·t)，所述LF精炼工序中添加电解铝、锰铁、硅铁、铬铁合金，并调整至目标成分。

进一步地，所述VD精炼工序中真空度应保持在57-77Pa；所述强脱气模式中底吹单元流量为0.3～8NL/(min·t)。

进一步地，所述小方坯连铸工序中，结晶器电磁搅拌频率设置为5～20Hz，电流强度200～400A；采用二冷动态配水，浇铸拉速恒定为0.3～2.5m/min，比水量0.5～1.3L/kg钢。

进一步地，所述小方坯连铸工序的连铸过程中，小方坯的断面为：152mm*152mm。

采用本发明的NPR锚杆或锚索新材料转炉及连铸小方坯的生产方法，小方坯连铸工序的生产效率高，成材率高；而且小方坯连铸工序也与NPR材料的特性相匹配，能够通过连铸工序进行生产。克服了现有技术中采用中频冶炼、模具浇铸工艺路线进行NPR锚杆或锚索新材料的生产技术中，模具浇铸存在成材率低，生产成本高，生产效率低等问题。初步核算其生产成本相对与中频模具浇铸降低约1500元/吨钢，可大幅降低生产成本。

附图说明

图1是本发明实施例的NPR锚杆或锚索新材料转炉及连铸小方坯的生产方法的流程示意图；

图2是本发明实施例的NPR锚杆或锚索新材料转炉及连铸小方坯的生产方法制备的NPR锚杆或锚索新材料的应力应变曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。

参见图1所示，根据本发明的实施例，提供了一种NPR锚杆或锚索新材料转炉及连铸小方坯的生产方法，所述NPR锚杆或锚索的元素及其质量百分含量分别为C：0.4～0.9％，Mn：14～22％，Al：0～4％，Cr：0.1～10％，Si：0.1～3％，NPR晶体0～2％，Ca：0.01～0.25％，Cu：≤0.09％，Ni：≤0.09％，S：≤0.001％，P：≤0.001％，其余为Fe和不可避免的杂质元素，生产方法包括以下工序：

转炉炼钢工序S1：将符合钢种生产要求的铁水和废钢加入至转炉，采用顶底复合吹炼模式进行冶炼，吹炼过程加入造渣剂，当转炉终点命中钢液成分及温度时停止吹炼，出钢过程中进行钢液脱氧；

LF精炼工序S2：通过实时监测钢液成分，以NPR锚杆或锚索成分为目标成分进行各类合金添加，调整并稳定控制钢液成分至目标范围内，精炼过程中通过钢包底吹氩气去除钢液中的夹杂物，精炼过程中加入≤2％的NPR晶体；

VD精炼工序S3：首先对钢液进行喂钙处理，VD精炼过程中保持高真空度，采用强脱气模式；当钢液H、N含量分别低于预定值时，满足钢液破空要求，破空后钢包静置弱搅；

小方坯连铸工序S4：将经VD精炼的钢液注入中间包，然后将钢液分配至连铸机的各结晶器使之凝固结晶，结晶器采用电磁搅拌并将结晶器中的钢坯拉出，拉坯速度恒定；二冷过程自动配水，连铸过程中对钢液采用全程保护浇注技术防止钢液氧化和吸气，最终将钢液连铸为小方坯；

轧钢的加热工序S5：将小方坯连铸工序生产的钢坯转入加热炉进行加热，当钢坯加热后出炉；

轧钢的轧制工序S6：将加热完并经高压水除鳞后的钢坯传送至轧制生产线进行快速轧制，控制开轧温度、终轧温度和轧制速度，钢坯热轧处理后自然冷却至室温。

采用本发明的NPR锚杆或锚索新材料转炉及连铸小方坯的生产方法，小方坯连铸工序的生产效率高，成材率高；而且小方坯连铸工序也与NPR材料的特性相匹配，能够通过连铸工序进行生产。克服了现有技术中采用中频冶炼、模具浇铸工艺路线进行NPR锚杆或锚索新材料的生产技术中，模具浇铸存在成材率低，生产成本高，生产效率低等问题。初步核算其生产成本相对与中频模具浇铸降低约1500元/吨钢，可大幅降低生产成本。不仅如此，本发明的NPR锚杆或锚索新材料转炉及连铸小方坯的生产方法与普通的连铸大方坯工艺相比，还具有以下优点：1)小方坯连铸可以很大程度上避免由于钢液Mn含量高造成的大方坯偏析；2)钢液铝含量高，与大方坯工序相比，增加VD脱气后，连铸小方坯时渣量更少，因此对渣的性能影响更小；3)钢坯截断面更小，更容易轧制，避免大方坯可能出现的内外性能差异。4)小方坯连铸避免了大方坯的开坯工序，提高了生产效率，与连铸大方坯相比，吨钢节约成本约200-300元。

对本发明种要生产的NPR锚杆或锚索新材料组分进行说明：

C：保障NPR锚杆或锚索新材料在塑形变形过程由由足够高的强度，选择0.4～0.9％使其塑性和韧性保持原有水平，保证冲击性能恶化。

Mn：主要是奥氏体化形成元素，可降低层错能，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。

Al：含有一定量的Al可以改善材料在服役过程种的延迟开裂性能，同时改善钢的加工性能。

Cr：铬能提高NPR锚杆或锚索新材料的强度和硬度，降低伸长率和断面收缩率，含一定量的铬，可以提高材料的强度，同时改善抗腐蚀性能。

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，故含量偏低。

NPR晶体：一定量的NPR晶体可改善材料在塑形变形过程中的塑形传递方式并改善材料拉速断裂破坏时的应变集中现象，从而提高其吸收变形能量的能力。

Ca：一定量的钙可以脱硫脱氧细化晶粒，改变非金属夹杂物的成分、数量和形态，改善钢水的流动性，以及钢的硬度和持久强度。

Cu：微量铜的加入可以提高钢的强度和屈强比。

Ni：镍能提高钢的强度、韧性、淬透性，含一定量的镍，可以改善强度和韧性。

P、S、H、N：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≦0.001％；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≦0.001％。通过检测生产出的NPR锚杆或锚索新材料转炉及连铸小方坯的生产方法制备的直径7.2mm的NPR锚索单根线材，其屈服强度约880MPa，最大力伸长率约32％，数据如图2。

优选地，上述生产方法中，所述钢种成分需在冶炼过程进行窄成分控制，所述转炉炼钢工序和所述LF精炼工序中，将钢液碳含量控制在C目标±0.03％。控制钢液碳含量是为了避免因化学成分偏差造成的铸坯偏析。

优选地，所述LF精炼工序中，全程采用动态底吹氩气模式，供气流量5～35NL/(min·t)，所述LF精炼工序中添加电解铝、锰铁、硅铁、铬铁合金，并调整至目标成分。

优选地，所述VD精炼工序中真空度应保持在57-77Pa；所述强脱气模式中底吹单元流量为0.3～8NL/(min·t)。

优选地，所述小方坯连铸工序中，为了控制连铸小方坯的表面横裂、角裂等表面缺陷、以及心部开裂等缺陷，结晶器电磁搅拌频率设置为5～20Hz，电流强度200～400A；采用二冷动态配水，浇铸拉速恒定为0.3～2.5m/min，比水量0.5～1.3L/kg钢。

优选地，所述小方坯连铸工序的连铸过程中，小方坯的断面为：152mm*152mm。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

当然，以上是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明基本原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种NPR锚杆或锚索新材料转炉及连铸小方坯的生产方法，所述NPR锚杆或锚索的元素及其质量百分含量分别为C：0.4～0.9％，Mn：14～22％，Al：0～4％，Cr：0.1～10％，Si：0.1～3％，NPR晶体0～2％，Ca：0.01～0.25％，Cu：≤0.09％，Ni：≤0.09％，S：≤0.001％，P：≤0.001％，其余为Fe和不可避免的杂质元素，其特征在于，生产方法包括以下工序：

2.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于，所述钢种成分需在冶炼过程进行窄成分控制，所述转炉炼钢工序和所述LF精炼工序中，将钢液碳含量控制在C目标±0.03％。

3.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于，所述LF精炼工序中，全程采用动态底吹氩气模式，供气流量5～35NL/(min·t)，所述LF精炼工序中添加电解铝、锰铁、硅铁、铬铁合金，并调整至目标成分。

4.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于，所述VD精炼工序中真空度应保持在57-77Pa；

所述强脱气模式中底吹单元流量为0.3～8NL/(min·t)。

5.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于，所述小方坯连铸工序中，结晶器电磁搅拌频率设置为5～20Hz，电流强度200～400A；

采用二冷动态配水，浇铸拉速恒定为0.3～2.5m/min，比水量0.5～1.3L/kg钢。

6.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于，所述小方坯连铸工序的连铸过程中，小方坯的断面为：152mm*152mm。