转炉连铸小方坯超高强韧性巷道支护锚杆钢及生产方法.pdf

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，属于矿用锚杆技术领域。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。采用转炉粗炼+LF炉精炼+全保护连续浇铸的生产工艺流程钢种具有高纯净度、组织结构致密、细晶粒、钢材物理化学性能稳定，综合力学性能优良和生产操作工艺过程简单，轧材成品无需进行后部热处理可直接使用等优点。

1、  转炉连铸小方坯超高强韧性巷道支护锚杆钢，其特征在于，锚杆钢重量百分比成分为：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。

2、  一种生产权利要求1所述锚杆钢的方法，采用转炉粗炼+LF炉精炼+全保护连铸的生产工艺，其特征在于，转炉中加入L08牌号铁水及1类废钢，铁水与废钢的比例为(95～80)％：(5～20)％，另外，向钢液中，依次加入复合脱氧剂合金：AlFe：Al49％，Fe49％；SiAlBa：20～40％Si，(Ca+Ba)8～20％；碳素铬铁：0.10～0.70％；锰铁：0.5％～2.5％；磷铁：0～0.045％；硫化铁：0～0.045％；硅铁：0.15％～1.20％；氮钒合金和钒铁：钒0.03％～0.35％、氮0.004％～0.015％；钛铁：0～0.10％；硼铁：0～0.010％；铌铁：0.001％～0.20％；SiAlBaCa：45％～50％Si，6％～10％Al，18％～20％Ba，6％～10％Ca；均为重量百分数；钢水经LF炉精炼提纯，精炼温度：1590～1640℃；精炼时间35～70分钟；全程吹氩搅拌；精炼渣碱度(CaO/SiO2)：3.5～6.0；精炼渣料、铁合金块料、脱氧剂分期分批由LF精炼炉加料口顺序加入。
生产锚杆钢的化学成分重量百分比达到：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％、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；在1530～1560℃进行连铸，铸成130mm×130mm方坯。

转炉连铸小方坯超高强韧性巷道支护锚杆钢及生产方法
技术领域
本发明属于矿用锚杆技术领域，特别是涉及一种转炉连铸小方坯生产超高强韧性巷道支护锚杆钢及其方法，适用于矿用巷道的支护。
背景技术
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。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。与世界各产煤国相比，不但煤系地层构造复杂，而且瓦斯、水、火、顶板等灾害因素增多，矿井事故频繁发生。除矿井瓦斯和透水事故外，顶板事故(俗称：冒顶)排在第三位，这种事故的发生和事故隐患的存在，给国家财产带来重大损失和对个人生命安全造成极大的威胁。发生事故的主要原因为：矿井巷道、掘进和回采工作面岩土层构造复杂，锚固技术装备水平落后，锚固钢强度低韧性差。
近年来，随着煤炭矿井开采要求的日益复杂化，井下支护变得越来越困难，对支护材料的品种、质量、性能要求也愈来愈高。目前国内使用的锚固材均为普碳钢，存在着加工简单粗、整体强度和韧性低(屈服强度σs＜600Mpa，δ5＜20％)、安全可靠性差等问题。超高强韧性大规格锚固钢就是一种能满足多种支护条件、可以代传统锚固钢筋的新型支护材料。总之，采用超高强度、大延伸率锚固钢以及对锚杆施加一定的初锚力(预应力)，有利于控制围岩变形和增加围压，在国外已成共识。对于初锚力达60～70kN以上时，可基本阻止巷道顶板下沉；初锚力越大，其锚固组合梁的垂曲就愈小。总之，采用高强度预应力锚杆加固体系在煤炭安全开采已呈趋势。
转炉连铸小方坯生产的超高强韧性(ReL≥600mpa、δ5≥20％、Akv≥27J)大规格锚固钢，完全可满足煤炭安全生产的需要，该钢种化学成分简单，钢质纯净，有害元素、夹杂物和气体含量低，组织结构致密、均匀、细小和优良的表面质量，性能稳定，具有良好的加工工艺性能，且生产成本低。超高强韧锚固钢用于矿井岩土加固可比传统材料节约金属材料，即增大锚固钢之间距离，加固层结构安全稳定。
在国内目前尚无统一矿用锚固钢国家标准规范，煤矿锚固支护用钢混乱，通常使用强度等级低、安全性差的普通钢种。由于传统钢种生产制造工艺方法落后，一般钢种的化学成分范围要求无法满足超高强度、韧性矿用大规格锚固钢制造的实际性能指标要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种转炉连铸小方坯生产超高强韧性巷道支护锚杆钢及其方法，采用不同的成分设计生产出600MPa以上级别的高强韧锚杆钢，解决了高强度与高延塑性和高冲击性能同时匹配的难题。满足矿用大规格超高强韧性技术性能要求，冶炼工艺过程简单，生产成本低廉，满足现代煤矿巷道、掘进、回采工作面岩土锚固支护的钢种。
本发明的锚杆钢成分重量百分比为：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％、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≥37J)、破断载荷≥300KN。
本发明的生产工艺为：
采用转炉粗炼+LF炉精炼+全保护连铸的生产工艺，其特征在于，转炉中加入L08牌号铁水及1类废钢，铁水与废钢的比例为(95～80)％∶(5～20)％，另外，向钢液中，依次加入复合脱氧剂合金：AlFe：Al49％，Fe49％；SiAlBa：20～40％Si，(Ca+Ba)8～20％；碳素铬铁：0.10～0.70％；锰铁：0.5％～2.5％；磷铁：0～0.045％；硫化铁：0～0.045％；硅铁：0.15％～1.20％；氮钒合金和钒铁：钒0.03％～0.35％、氮0.004％～0.015％；钛铁：0～0.10％；硼铁：0～0.010％；铌铁：0.001％～0.20％；SiAlBaCa：45％～50％Si，6％～10％Al，18％～20％Ba，6％～10％Ca；均为重量百分数。钢水经LF炉精炼提纯，精炼温度：1590～1640℃；精炼时间35～70分钟；全程吹氩搅拌；精炼渣碱度(CaO/SiO2)：3.5～6.0；精炼渣料、铁合金块料、脱氧剂分期分批由LF精炼炉加料口顺序加入。
控制化学成分重量百分比达到：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％、铜0～0.30％、钒0.03～0.40％、铝0.01～0.2％、钛0～0.20％、硼0～0.010％、铌0.001～0.20％、氮0.004～0.020％、  铁余量；在1530～1570℃进行连铸，铸成130mm×130mm方坯。
生产出的钢的服强度(Rel≥600Mpa)、伸率(δ5≥20％)、冲击韧性(20℃，Akv≥27J)、破断载荷≥300kN超高强韧性。
采用转炉粗炼+LF炉精炼+全保护连续浇铸的生产工艺流程钢种具有高纯净度(全氧含量T.[O]≤20ppm)、组织结构致密、细晶粒、钢材物理化学性能稳定，综合力学性能优良和生产操作工艺过程简单，轧材成品无需进行后部热处理可直接使用等优点。该钢种主要用于矿井巷道和回采工作面围岩支护、露天矿岩土护坡用锚固结构件的制造。还可用于隧道岩壁、水库坝基、坝体和坡体防护设施的结构件等领域。
另外，本钢种也可经调质热处理，满足高强度高韧性的钢结构件的性能要求，制造各种高性能要求的机械结构零件和部件。
本发明利用现有钢种的生产工艺装备条件，通过合理选择搭配化学成分、优化生产工艺等手段，达到锚杆钢超高强韧性能不同等级控制的目标技术要求。该锚杆钢产品安全可靠性大幅提高，完全可满足现代煤炭矿井掘进、开采的岩土锚固支护需要。
具体实施方式
实施例1
1.1炼钢合金加入量：
转炉中加入L08(牌号)铁水及1类废钢，铁水与废钢的比例为195∶12。依次加入复合脱氧剂合金：AlFe(49％Al)，加入量0.5kg/t；SiAlBaCa(45％Si、8％Al，18％Ba、7％Ca、Fe余量)，加入量1.5kg/t；铁合金：锰铁：(68％Mn)，加入量24.56kg/t；硅铁(75％Si)，加入量15.47kg/t；钒铁(52％V)，加入量0.88kg/t。
1.2转炉冶炼主要工艺参数：
采用双渣操作，早化渣去磷。终点控制钢水终点C：0.10-0.15％，P含量合格。出钢温度1665-1685℃。出钢时间4-7min。采用挡渣出钢，下渣量渣厚≤70mm。
1.3LF炉冶炼主要工艺参数：
钢水经LF炉精炼提纯，精炼温度：1590～1640℃；精炼时间：35～70分钟；全程吹氩搅拌；精炼渣碱度(CaO/SiO2)：3.5～6.0；精炼渣料(加入量1.5t)、铁合金块料、脱氧剂分期分批由LF精炼炉加料口顺序加入。
1.4连铸主要工艺参数：
控制化学成分进行有效合理搭配达到技术要求界限后，在1535～1545℃进行连铸，钢水过热度30±5℃；结晶器采用电磁搅拌，频率8Hz，电流强度190A；拉速2.2m/min，二冷自动配水，比水量1.01/kg钢；铸成130mm×130mm方坯。
1.5轧钢主要工艺参数：
轧材主要化学成分为：0.36％C、1.03％Si、1.57％Mn、0.041％V、0.0020％O、0.0093％N、余量％Fe、其它元素为微量或痕迹。
表1轧钢工艺参数