CN115094341A

CN115094341A - 一种煤矿开采挡煤用热轧钢及其制备方法

Info

Publication number: CN115094341A
Application number: CN202210640001.7A
Authority: CN
Inventors: 孙乾; 亓伟伟; 王中学; 张佩; 麻衡; 吴群; 刘智广; 王利
Original assignee: Laiwu Steel Group Yinshan Section Steel Co Ltd
Current assignee: Laiwu Steel Group Yinshan Section Steel Co Ltd
Priority date: 2022-06-08
Filing date: 2022-06-08
Publication date: 2022-09-23

Abstract

本发明公开了一种煤矿开采挡煤用热轧钢及其制备方法，按质量百分比计，组分为：C：0.19％～0.24％，Si：1.30％～1.45％，Mn：1.30％～1.45％，Alt：0.19％～0.24％，P：≤0.035％，S：≤0.035％。制备方法包括：铁水预处理、转炉或电炉冶炼、精炼、软搅拌、板坯连铸，铸坯加热，轧制、冷却。本发明所得钢板或钢带显微组织为铁素体+珠光体，屈服强度≥390MPa，抗拉强度达到530MPa～630MPa，HBW≥175HB，20℃冲击功≥80J。最终成品性能满足煤矿开采巷道挡煤板使用要求，使用寿命是传统聚脂复合材料挡煤板的2倍。本发明充分发挥C、Mn经济性合金元素固溶强化作用，大幅度节约合金成本，在实现性能优化效果的同时简化生产组织，具备较强的实用价值。

Description

一种煤矿开采挡煤用热轧钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种微合金钢技术领域，具体涉及一种煤矿开采挡煤用热轧钢及其制备方法。

背景技术

煤矿开采过程中，为保证落煤的安全运输，加设在巷道溜槽一侧的支撑挡板，即为巷道挡煤板，可有效防止煤炭外溢，增加溜槽装运货载的断面积，提高运输能力，减少煤炭滑落时对支护设备的冲击破坏，延长支护设备使用寿命；明显缩短工人在作业区的滞留时间，降低事故人员伤亡概率，是现代煤矿开采必不可少的安全构件。

传统挡煤材料多为聚乙烯、橡胶板等复合材料板，虽具有较好的耐低温冲击性、自润滑性、耐水性等特质，但其耐热性低、加工成型性差，整体易变形、不耐磨，使用寿命短；随着现代煤矿采掘的飞速发展，高寿命、性能稳定性好、经济性高的钢制挡煤板的开发需求极为迫切，亟需一种高强韧兼顾一定耐磨性及冷弯性的矿用挡煤板。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供高寿命煤矿开采挡煤用高强度热轧钢，用于煤矿采掘过程中，煤矿巷道挡煤板的制造要求高强度、高寿命的同时，具备一定的耐磨性及弯曲性能，以解决现有技术中无法同时兼顾挡煤板的强韧性、耐磨性及使用寿命短的实际问题。本发明能满足煤矿开采巷道挡煤板使用要求，使用寿命是传统聚脂复合材料挡煤板2倍。本发明生产工艺简单，在实现性能优化效果的同时大幅度节约合金成本，简化生产组织，提高经济效益，具备较强的实用价值。

为实现上述发明目的，本发明提供一种煤矿开采挡煤用热轧钢，化学成分以质量百分数计包括：C：0.19％～0.24％；Si：0.25％～0.35％；Mn：1.30％～1.45％；S≤0.030％；P≤0.030％；余量为铁和不可避免的杂质因素。所述热轧钢包括钢板或钢带。

本发明所述钢板或钢带的组织为细小均匀分布的珠光体+铁素体混合组织。其中，本发明中各种元素的作用及配比依据如下：

C：是间隙固溶元素，对钢带或钢板的强度、硬度、韧性影响较大，C含量过低，钢基体固溶强化效果将变差，如置换其它合金将造成成本增加，并且超低碳冶炼会增加转炉负荷；C含量过高会增加钢的强度、硬度，但会严重恶化基体韧性。因此，优选地，C含量控制在0.19％～0.24％。

Si：是钢中常见脱氧元素，可溶于铁素体和奥氏体，具备固溶强化作用，提高钢基体强度、硬度；但过高的Si降低钢的韧性及焊接性能；结合当前业内大型化高炉冶炼铁水Si含量相对稳定，一般均在0.20％～0.50％之间，波动范围较小，针对铁水原料情况，尽可能避免增加铁水预处理脱硅等工序成本增加。因此，优选地，Si含量控制在0.20％～0.35％。

Mn：具有固溶强化作用，锰铁合金经济性高，在不增加昂贵合金成本的前提下，是本发明增加钢基体强韧性的主要贡献元素；但锰的偏析倾向较强，并且锰含量过高会削弱钢基体的抗腐蚀能力，恶化焊接性能，综合考虑到深矿井煤矿开采环境恶劣，需平衡钢基体耐蚀性。因此，Mn含量控制在1.30％～1.45％。

P和S：是冶炼中有害元素，损害钢的韧塑性，影响基体脆性。硫与锰形成塑性夹杂物硫化锰，导致基体延展性和韧性下降，易诱发裂纹；磷严重影响钢带的韧性。考虑实际生产磷、硫深度脱除，工艺成本较高。因此，P含量≤0.030％、S含量≤0.030％。

Alt：本发明工艺简单，钢水不进行真空脱气，空气中N难免溶于钢水，引发蓝脆或铸坯气孔等缺陷，Al可固定钢中自由N，改善钢带基体的低温韧性，弥散析出的AlN可抑制加热时奥氏体晶粒长大、细化晶粒尺寸，提高冲击韧性；同时，Al与N结合，可有效防止应变时效，延长使用寿命；但过量的铝会带来B类夹杂物数量激增，导致钢板和钢带内部质量下降，降低钢带的焊接性及切削性，因此，Alt含量控制在0.015％～0.050％。

本发明提供一种煤矿开采挡煤用热轧钢的制备方法，工艺路线依次包括：铁水KR预脱硫、转炉或电炉初冶炼、炉外精炼、软搅拌、板坯连铸、铸坯加热(板坯再加热)、轧制、冷却。

作为本发明的一种优选技术方案：所述铁水KR预脱硫处理后，铁水S含量≤0.020％。

作为本发明的一种优选技术方案：所述板坯连铸阶段，进行全程氩气保护浇注，铸坯厚度为175mm，中间包钢水过热度控制在10℃～25℃，连铸拉速1.15m/min～1.35m/min。

连铸坯在加热炉中加热，加热温度为1000℃～1310℃，均热段温度控制在1200℃～1310℃，热坯在炉保温时间≥100min，出钢温度达到1060℃～1180℃后出炉轧制。

所述轧制工艺可采用中厚板轧机轧制或者热连轧。中厚板轧机轧制工艺为：粗轧轧制3～7道次，将板坯轧制成40mm～60mm厚度的中间坯，精轧轧制5～14道次，精轧终轧温度为850℃～890℃，轧后空冷或加速冷却，终冷温度为620℃～660℃；空冷过程中或加速冷却后对钢板进行矫直。热连轧工艺为：粗轧轧制3～7道次，将铸坯轧制成30mm～45mm厚度的中间坯，然后经5或6或7机架热连轧，终轧温度为850℃～890℃，轧后经层流冷却后卷取成钢卷，卷取温度为620℃～660℃。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

1)通过上述工艺，本发明适用于在煤矿开采复合耦合环境下巷道挡煤用高强钢板的制备，解决了煤矿开采(尤其是深井等环境恶劣的井下作业)过程中，传统复合材料制巷道挡煤板笨重、耐热性低、耐磨性差、拆卸机动性差、寿命短等实际问题，符合煤矿开采公辅设备减重、质量升级的实际要求。

2)本发明所得钢板基体组织为铁素体、珠光体，晶粒细小均匀，晶粒度≥8级，厚度规格为8mm～12mm，屈服强度≥390MPa，抗拉强度达到530MPa～630MPa，HBW≥175HB，20℃冲击功≥80J；力学性能均匀，综合性能良好，满足矿开采复合耦合环境下巷道高性能钢制挡煤板的制造及使用要求。

3)本发明采用经济性较高的中碳、高锰成分体系设计，充分发挥C、Mn经济性合金元素固溶强化作用；并且依据铁水原料情况，尽可能缩短冶炼流程，不添加Nb、V、Ti、Ni、Cu等昂贵合金元素，在降低合金成本的同时配合高效率轧制，成本控制最大化，具备较好的经济性，所得钢板具备极大的推广应用价值。

附图说明

下面结合附图，对本发明做进一步阐述。

图1为本发明实施例1中轧制后的钢带标尺为100μm金相组织图。

图2为本发明实施例1中轧制后的钢带标尺为25μm的扫描电镜组织图。

图3为本发明实施例1中轧制后的钢带标尺为25μm的扫描电镜下韧性拉伸断口图。

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说明。

根据本发明的实施例，提供了一种煤矿开采挡煤用热轧钢板和钢带及其制备方法。按重量百分比，包括如下成分：C：0.19％～0.24％；Si：0.25％～0.35％；Mn：1.30％～1.45％；S≤0.030％；P≤0.030％，其余为铁和不可避免的杂质。本发明所得钢板或钢带显微组织为铁素体+珠光体，其屈服强度≥390MPa，抗拉强度达到530MPa～630MPa，HBW≥175HB，20℃冲击功≥80J。该挡煤用钢采用中碳、高锰成分设计，冶炼及工艺成本低廉，在保证高强度的同时具备一定的冲击韧性、冷弯性能及耐磨性，综合性能优良。

所述煤矿开采挡煤用热轧钢板或钢带的制备方法，包括：铁水预处理、转炉或电炉冶炼、精炼、板坯连铸，铸坯加热，轧制、冷却。

预处理，主要对原料铁水进行脱硫处理，保证钢水纯净度，实施例采用KR机械搅拌法进行铁水预处理。将铁水中硫含量按质量百分比控制在0.020％以下(如0.001％、0.003％、0.006％、0.009％、0.012％、0.015％、0.018％)，脱硫温度为1230℃～1330℃(如1250℃、1258℃、1267℃、1275℃、1290℃、1305℃、1318℃、1327℃)，脱硫完毕扒净铁水表面的渣。一般来讲，钢铁冶炼中硫是有害元素，诱发钢集体产生热脆现象，导致其延展性、韧性降低，轧制时极易出现裂纹，并影响焊接性能。

冶炼，预处理后的铁水进入转炉或电炉冶炼冶炼，实施例采用转炉冶炼，采用单渣或双渣工艺冶炼，实施例采用单渣冶炼，造渣料在铁水进入转炉的终点前1min～5min内加完，终渣碱度控制在R＝3.0～3.5，做到初期早化渣，过程渣化好，终渣化透；终点压枪时间60s～120s内(如70s、80s、90s、100s、110s、120s)，确保加入合金在钢水内的化学反应正好完成，达到成分均匀化。时间＜60s，反应不充分，时间＞120s，影响生产效率；采用铝锰铁或铝块脱氧，加入量：铝锰铁2.0kg/t钢或铝块1.2kg/t钢，钢水出至1/4时，分批加入硅锰、高锰，进行合金化，钢水出至3/4时加完，合金加入时对准钢流冲击区；转炉冶炼尽可能降低终点磷、硫含量，合理控制碳含量，确保钢水纯净度。

精炼，采用LF精炼，钢包到精炼后立即进行测温、定氧、吹氩，氩气压力、流量以渣面轻微翻动不露钢水为宜，精炼周期≥42min，全程底吹氩搅拌，软吹氩气≥12min，软吹时要求包内钢液微动，钢水不得裸露；加石灰进行造渣，采用铝粒脱氧剂进行脱氧，根据钢中铝含量每炉喂入100m～150m钙铝线或70m～100m高钙线进行钙化处理；出站前顶渣必须为白渣，白渣保持时间10min～30min(如12min、18min、24min、30min)，白渣保持时间过短，终渣未化透，保持时间过长，影响生产效率，终渣碱度控制在R＝2.5～4.0。LF精炼将进一步进行钢液的脱硫、脱氧、去夹杂，调节钢液成分、温度，获得较好的钢液质量。

板坯连铸，即连续铸钢，将装有精炼好钢水的钢包运至回转台，回转台转动到浇注位置后，将钢水注入中间包，中间包再由水口将钢水分配到各个结晶器中去。在板坯连铸过程中，采用全程保护浇铸，即大包至中间包采用长水口并进行氩封保护；中间包采用覆盖剂结合碳化稻壳进行覆盖，保证液面覆盖良好，使钢水与空气隔绝，避免二次氧化；中间包至结晶器采用浸入式水口并采用氩封保护；结晶器液面采用中碳钢保护渣(按重量百分比，主要成分为21.5％≤SiO₂≤31.5％、33％≤CaO≤43％、0％≤MgO≤5％、6.5％≤Al₂O₃≤12.5％)，注意保护渣吸附夹杂情况，并及时换渣；连铸过程中，开浇缓慢，根据提速曲线台阶式进行提速，每30s速度提高0.05m，提高到一个数值后保持一定时间(具体操作是0.4m/min保持1分钟，0.6m/min保持2分钟，如此进行，最终提高到所需拉速)，提至目标拉速后，进行自动控制，密切观察结晶器液面波动情况，逐步使拉速稳定在1.15m/min～1.35m/min(如拉速过快，钢水未凝固便拉钢易出现漏钢，拉速过慢，将影响生产效率)，使钢液充分凝固。

连铸环节主要通过对浇铸过热度的控制来减轻铸坯中心偏析程度，通过对冷却水和矫直温度的合理控制，减少或避免连铸坯表面裂纹，进而提高铸坯表面与内部质量，为最终产品的质量打下基础；浇铸过热度是由中间包温度与液相线温度之差确定，目标控制在10℃～25℃；控制中间包液面的高度，开浇时中间包液面的高度不低于600mm，正常浇注过程液面高度在700mm～1000mm之间，严禁低液面浇铸，防止卷渣；通过进行水冷，降低浇铸温度，获得细小的晶粒尺寸，并采用结晶器振动，细化晶粒，铸坯矫直温度控制在900℃以上。

浇铸温度、过热度与拉速的合理匹配，使得钢液凝固过程中尽可能多的进行非均匀形核核心，提高形核率，获得更为致密的等轴晶，实现晶粒细化效果，最终获得性能优异的175mm断面连铸铸坯。本发明锰元素含量较高，为降低心部偏析可能，为获得组织更为细小致密的无缺陷铸坯，可配合轻压下工艺(即对带液芯的铸坯施加小的压力的工艺方法)，压下量控制在2mm～3.5mm为宜，本发明实施例，为提高经济性，优化生产流程，未采用轻压下工艺。

铸坯加热，实施例采用步进式加热炉对铸坯进行加热，即将连铸所得铸坯作为原料，送入步进式加热炉进行加热，消除铸坯原有的某些组织缺陷及应力，改善金属内部组织以及非金属夹杂物形态与分布，便于后续轧制，从而提高终端产品的塑性并降低变形抗力；加热炉内加热温度为1000℃～1310℃，均热段温度控制在1200℃～1310℃，使铸坯加热到奥氏体单相固溶组织温度范围内，并使其具有较高的温度和足够的时间以均化组织和溶解碳化物(热装铸坯在炉保温时间不少于100min，冷装铸坯在炉保温时间不少于120min)，从而得到塑性高、变形抗力低、加工性能好的金属组织，出钢温度达到1060℃～1180℃后的铸坯运送出炉，进行轧制。实施例1～3为加快生产节奏，提高生产效率，节约能耗，均采用热装。

轧制，本发明提供钢板和钢带两种钢材产品的轧制工艺，其中，所述钢板轧制采用热机械轧制(即TMCP轧制：通过对钢坯加热温度、轧制温度、变形量、变形速率、终轧温度和轧后冷却工艺等诸参数的合理控制，以获得良好的组织从而明显提高材料强韧性的技术)，粗轧前出炉铸坯要经过高压水除鳞，除去铸坯表面的氧化铁皮，保证后续产品较好的表面质量，粗轧轧制3～7道次，因开轧前的高压水除鳞，使铸坯粗轧开轧温度相较于出炉温度会有所降低，粗轧开轧温度1020℃～1100℃(如1030℃、1050℃、1070℃、1090℃)，粗轧终轧温度940℃～1030℃(如950℃、960℃、980℃、1000℃、1020℃)，较高的轧制温度为铸坯再结晶提供较好的温度条件，并使轧制过程变形抗力降低，减少轧机损害，便于铸坯裂纹、疏松、孔隙等缺陷的消除及夹杂物的球化，并促使形变渗透到中心，使形变更均匀，提高了板坯的塑性，保证了粗轧阶段的总压缩比(粗轧总压缩比≥66％)；将板坯轧制成40mm～60mm厚度的中间坯，精轧轧制5～14道次，精轧开轧温度为930℃～1020℃(如950℃、980℃、1000℃、1020℃)，精轧终轧温度为850℃～890℃(如860℃、870℃、880℃)；实施例3生产过程中粗轧、精轧均采用四辊可逆式轧机，轧后空冷或加速冷却，终冷温度为620℃～660℃，空冷过程中或加速冷却后对钢板进行矫直；实施例3为空冷。

所述钢带轧制采用热连轧工艺(即：用连铸板坯或初轧板坯作原料，经步进式加热炉加热，高压水除鳞后进入粗轧机，粗轧料(中间坯)经切头、尾、再进入精轧机，实施计算机控制轧制，终轧后即经过层流冷却(计算机控制冷却速率)和卷取机卷取、成为直发钢卷)。粗轧轧制3～7道次，将铸坯轧制成30mm～45mm厚度的中间坯，然后经5或6或7机架热连轧，终轧温度为850～890℃(如860℃、870℃、880℃)，轧后经层流冷却后卷取成钢卷，卷取温度为620℃～660℃(如630℃、640℃、650℃)。

实施例1、例2均为粗轧5道次后经过7机架热连精轧。

实施例1

本实施例中化学成分按质量分数配比如下：C：0.19％，Si：0.25％，Mn：1.43％，P：0.030％，S：0.009％，Al：0.0029％，余量为Fe及不可避免的杂质。制造工艺：按质量百分数配制钢种成分、铁水KR预脱硫、转炉冶炼、LF精炼、软搅拌、板坯连铸、板坯再加热、采用热连轧轧机轧制，层流冷却、卷取、入库，其中KR脱硫处理后，原料铁水S含量为0.034％；转炉出钢温度1644℃，LF精炼34min，其中，软吹搅拌时间12min，钢液S含量为0.008％，出钢温度1579℃；板坯连铸阶段，进行无氧化保护浇注，中间包过热度控制在18℃，拉速1.15m/min；板坯再加热阶段，出钢温度1191℃，精轧终轧温度884℃，经层流冷却后卷取，卷取温度640℃，轧制厚度8mm。

实施例2

本实施例中化学成分按质量分数配比如下：C：0.23％，Si：0.33％，Mn：1.33％，P：0.018％，S：0.007％，Al：0.0019％，余量为Fe及不可避免的杂质。制造工艺：按质量百分数配制钢种成分、铁水KR预脱硫、转炉冶炼、LF精炼、软搅拌、板坯连铸、板坯再加热、采用热连轧轧机轧制，层流冷却、卷取、入库，其中KR脱硫处理后，铁水S含量为0.013％；转炉出钢温度1634℃，LF精炼45min，其中，软吹搅拌时间13min，钢液S含量为0.004％，出钢温度1578℃；板坯连铸阶段，进行无氧化保护浇注，中间包过热度控制在15℃，拉速1.20m/min；板坯再加热阶段，出钢温度1181℃，精轧终轧温度873℃，经层流冷却后卷取，卷取温度640℃，轧制厚度9.75mm。

实施例3

本实施例中化学成分按质量分数配比如下：C：0.21％，Si：0.23％，Mn：1.38％，P：0.016％，S：0.004％，Al：0.0025％，余量为Fe及不可避免的杂质。制造工艺：按质量百分数配制钢种成分、铁水KR预脱硫、转炉冶炼、LF精炼、软搅拌、板坯连铸、板坯再加热、粗轧、精轧、钢板快速冷却、钢板热矫、上冷床冷却、剪切、入库，其中KR脱硫处理后，铁水S含量为0.019％；转炉出钢温度1640℃，LF精炼39min，其中，软吹搅拌时间13min，钢液S含量为0.005％，出钢温度1576℃；板坯连铸阶段，进行无氧化保护浇注，中间包过热度控制在17℃，拉速1.15m/min；板坯再加热阶段，出钢温度1187℃，1181℃，精轧终轧温度877℃，轧制厚度12mm，钢板快速冷却阶段，终冷温度644℃；钢板快速冷却后，上冷床冷却到不大于80℃。

表1本发明实施例与常规Q235B力学性能与耐磨性检测对比

本发明未详细说明的内容均可采用本领域的常规技术知识。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种煤矿开采挡煤用热轧钢，其特征在于，所述热轧钢，由以下质量百分含量的成分组成C：0.19％～0.24％，Si：0.20％～0.35％，Mn：1.30％～1.45％，Alt：0.015％～0.050％，P：≤0.030％，S：≤0.030％，其余为Fe和不可避免的夹杂物。

2.根据权利要求1所述的煤矿开采挡煤用热轧钢，其特征在于，所述热轧钢包括钢板和钢带，其厚度为8mm～12mm；其组织以铁素体+珠光体组织为主，晶粒度≥8级。

3.根据权利要求2所述的煤矿开采挡煤用热轧钢，其特征在于，所述钢板或钢带的屈服强度≥390MPa，抗拉强度达到530MPa～630MPa，HBW≥175HB，20℃冲击功≥80J。

4.一种基于权利要求1～3中任一项所述煤矿开采挡煤用热轧钢的制备方法，包括以下步骤：

1)钢水经铁水预处理脱硫、转炉或电炉初炼、LF炉外精炼处理后，将所得精炼钢水送板坯连铸机，进行板坯连铸；

2)连铸板坯后依次进行加热，轧制，冷却，其中，加热温度为1000℃～1310℃，均热段温度控制在1200℃～1310℃，热坯在炉保温时间不少于100min；出钢温度达到1060℃～1180℃后出炉轧制。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中进行全程氩气保护浇注，铸坯厚度为175mm，连铸拉速为1.15m/min～1.35m/min。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中轧制工艺为中厚板轧机轧制或热连轧。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述厚板轧机轧制工艺为：粗轧轧制3～7道次，将板坯轧制成40mm～60mm厚度的中间坯，精轧轧制5～14道次，精轧终轧温度为850℃～890℃，轧后空冷或加速冷却，终冷温度为620℃～660℃；空冷过程中或加速冷却后对钢板进行矫直。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述热连轧工艺为：粗轧轧制3～7道次，将铸坯轧制成30mm～45mm厚度的中间坯，然后经5或6或7机架热连轧，终轧温度为850℃～890℃，轧后经层流冷却后卷取成钢卷，卷取温度为620℃～660℃。