基于創新方法研發煤礦液壓支架用高強度調質鋼

李 娜 藺學浩 劉廣超

（1.安陽鋼鐵集團有限責任公司； 2.安陽鋼鐵股份有限公司）

0 前言

在競爭日益激烈的國際市場環境下，技術創新是鋼鐵企業取得成功并求得生存的重要手段。“自主創新、方法先行”，安陽鋼鐵以創新驅動為引領，綜合運用以TRIZ 方法為主、六西格瑪為輔，多種創新方法相結合以獲取問題求解的新思路，給科技工作者指出了求解方向，不僅提高了鋼鐵企業解決技術問題的能力，也縮短了產品的研發周期，降低了研發成本，提高了企業的創新效率和產出效率，使企業技術創新的方向具有可預見性，大大降低了企業技術創新的風險[1]。

1 背景

安陽鋼鐵是煤機支架用鋼的主要供應商，最高強度級別可達960 MPa，多年以來在煤機行業市場占有率保持第一。眾所周知，能源是經濟發展的源動力。2019 年中國能量消耗中煤炭占主導地位，而煤礦液壓支架是現代化采煤過程中不可或缺的設備，其工作環境十分惡劣：粉塵量大、承壓承重、環境潮濕、磨損較高。隨著我國煤炭工業的飛速發展，特大型礦井、高產工作面出現，超高大采高8.8 m 液壓支架應勢而生。

超大采高8.8 m 液壓支架是全國乃至全世界最高的支架，其支護高度、工作阻距、支護中心距均創世界之最。因此，某大型煤機企業對8.8 m 煤機液壓支架用鋼提出了遠高于行業供貨標準的“客戶標準”，強度波動范圍要求在150 MPa，不同強度級別的屈強比也做了相應的規定，平直度≤3 mm/m，其生產技術代表了一個冶金企業綜合技術的先進水平。安陽鋼鐵煤礦液壓支架用鋼的強度波動范圍在150 MPa 之內的性能合格率僅為88.30%，平均屈強比為0.985，這給煤礦液壓支架用鋼的生產帶來了極大的挑戰。

2 問題分析

安陽鋼鐵生產煤礦液壓支架用鋼的工藝流程為：鐵水預處理—150 t 頂底復吹轉爐—LF 精煉爐—VD真空脫氣爐—3 250 mm 寬板坯連鑄機—3 500 mm 爐卷軋機—熱處理機組。

流分析是指從物質、能量、信息三個維度上對系統實現功能的情況進行分析，構建系統分析之流模型的過程。依據工藝流程從煉鋼工藝到最終產品的交付對各工序進行了流分析，如圖1 所示。冶煉過程中精煉成分波動范圍大，造成鋼板最終強度波動范圍大，屬于過度流；連鑄過程偏析、晶粒大小不均勻、淬火過程相變不均勻會引起鋼板組織不一致，屬于三個有害流。鋼板在生產過程從冶煉開始到最終成型的過程中，上一道工序形成的過度流、有害流等缺陷造成的質量問題會遺傳到下一工序，進而惡化鋼板的最終使用性能。

圖1 流分析

3 QC 及六西格瑪管理

QC 在ISO 9000:2015 對 質 量 管 理(Quality Management)定義是“在質量方面指揮和控制組織的協調的活動”，主要是針對特定的工作失誤或品質不良展開分析討論。六西格瑪是一種管理策略，可為創新項目整個過程的開展提供宏觀指導，關注創新活動的整體流程分析、過程中各種數據的關系分析、結果的可靠性分析、結果的控制情況等[2]。利用QC 工具對強度波動范圍大的問題進行了系統分析、層層剖解。從排列圖中找到的影響強度波動范圍大的主要因素是成分波動范圍大，接著利用魚骨圖從人、機、料、法、環、測六方面對造成強度波動范圍最大的影響因素進行進一步分析，造成成分波動范圍大的各種影響因素如圖2、圖3所示。從精益管理的角度出發，基于六西格瑪采用DMADOV 流程（即界定-測量-分析-設計-優化-驗證）對現有產品成分體系結合現有工況條件重新設計 [C]、[Mn]含量的控制范圍，借助數據統計分析工具minitable 對煤礦液壓支架用鋼的強度控制能力進行研究，回歸影響成分波動的系數公式，結合自動控制系統實現煉鋼窄成分的精準控制，具體內容見圖4、圖5。

圖2 排列圖

圖3 魚骨圖

圖4 煉鋼成分精確自動控制模型

圖5 屈服強度控制能力

4 TRIZ 創新方法

TRIZ 理論成功地揭示了創造發明的內在規律和原理，可大大加快創造發明的進程，得到高質量的創新產品。在創新活動遇到某個技術難點或瓶頸問題時，運用TRIZ 理論可以擴展思路，用創造性的思維解決問題，不但能大大加快人們創造發明的進程而且能得到高質量的創新產品，因此，TRIZ 在創新活動 中的“點金”作用越來越重要。

4.1 因果分析

基于TRIZ 理論，對鋼板內部組織不一致的影響因素建立因果分析，如圖6 所示。通過因果分析找到引起鋼板內部組織不一致的末端主要因素：連鑄過程枝晶偏析、淬火過程中冷卻速率不均勻、軟硬相比例。該項目的最終理想解是在不增加任何成本的情況下，鋼板的內部各相組織比例恒定且均勻分布。

圖6 因果分析

4.2 技術矛盾

隨著調質鋼強度的不斷提高，屈強比大大增加。為了降低屈強比，需對鋼結構內部的軟、硬組織間的比例進行調控，獲得比例適當的軟相組織是控制屈強比的關鍵，而調質鋼的生產過程中回火溫度對組織結構和性能之間的關系起著決定性的作用。隨著回火溫度的升高，屈服強度基本保持穩定，而抗拉強度和沖擊功下降，伸長率和屈強比提高[3]。因此，可以適當降低回火溫度來調整組織中軟硬相的體積分數，降低屈強比，但同時又會惡化鋼板的內部應力，降低沖擊韌性。

通過技術沖突分析，將兩個矛盾運用39 個通用工程參數描述系統技術沖突，確定出改善的參數——物質的量，惡化的參數——應力或者壓強。根據改善的參數和惡化的參數，通過查找沖突矩陣找出相關發明原理4 個：NO.10 預先作用原理；NO.36 相變原理；NO.14 曲面化原理；NO.03 局部質量原理。利用NO.10 預先作用原理，將淬火溫度調整至兩相區，形成馬氏體和一部分貝氏體，經回火得到回火索氏體和貝氏體組織，降低調質鋼的屈強比。金相組織如圖7 所示。

4.3 物理沖突

在噴淋淬火過程中，冷卻水與鋼板表面接觸后在鋼板表面形成氣膜，阻礙鋼板與水之間的傳熱冷卻。為了消除氣膜、保證相變需要增大冷卻速率，但冷卻速率過大，又會使鋼板內部產生應力集中，導致鋼板變形嚴重，尤其是邊部更為嚴重。因此，在淬火過程中，冷卻速率既要大，可以使鋼板快速淬透，又要小，防止組織應力、溫度應力等內部應力造成殘余應力增加。

通過物理沖突分析，利用時間分離的原理將鋼板淬透的時間和消除應力時間進行分離，即采用間隙冷卻的方式，先加快冷卻速率使鋼板快速淬透，然后通過緩慢冷卻釋放應力，如圖8 所示。利用空間分離的原理把噴嘴分割為多個密排水冷卻噴嘴，在淬火過程中用螺旋輥（如圖9 所示）壓緊鋼板表面，依據板面寬度的冷卻速率和溫度設置冷卻速率曲線，并利用導水槽在空間上對冷卻水進行分割、導流，使鋼板表面冷卻均勻。

圖8 間隙冷卻

圖9 螺旋輥

4.4 物質-場模型

連鑄過程中的溶質（碳、硫）在冷卻的過程中存在液析和再分配，為了改善鑄坯中心區域的偏析，需要增強冷卻水的強度，但同時又會使鑄坯表面產生橫向裂紋。根據冷卻水對鑄坯中心偏析存在一個不足的問題建立物質- 場模型，通過查找76 個標準解，應用2.1.2 的模型標準解，增加壓力場、電磁場向雙物質場轉化，利用大壓下、電磁攪拌解決中心偏析的問題，如圖10 所示。

圖10 物質—場模型及解決方案

5 結語

（1）在8.8 m 液壓支架用鋼的生產過程中采取了一系列有效措施，利用QC、六西格瑪和TRIZ等多種創新方法相融合，實現了窄成分的精準控制，配以電磁攪拌、兩相區淬火過程中將螺旋輥表面壓緊鋼板表面、利用導水槽對冷卻水進行導流、分流等手段，有效地保證了8.8 m 液壓支架用鋼的性能要求，性能合格率由88.3%提升到了99.8%，屈強比下降到了0.97 以下。

（2）安陽鋼鐵的8.8 m 液壓支架用高強度調質鋼通過了國內權威機構的焊接評價試驗，并得到了用戶的高度認可。該項目的成功實施實現了煤礦液壓支架用鋼的低屈強比和板形的精準控制，精度遠高于行業控制水平。

（3）世界首個智能超大采高8.8 m 液壓支架的主體材料由安陽鋼鐵獨家供給，并成功應用于神東煤炭集團上灣煤礦，“超大采高、特厚煤層安全高效開采”這一世界性難題被踩在腳下，助推了我國大國重器的升級換代。