礦用高強韌性和高精度錨桿鋼的研發與生產

張聯兵， 張存旺， 周玉麗， 徐兵偉

（1.首鋼長鋼生產技術處， 山西 長治 046031；2 首鋼技術研究院， 北京 100043）

中國是煤炭大國，年產煤炭39 億t，長期保持世界第一。我國煤礦90%以上為深井煤礦，隨著開采深度和安全性的提高，生產中需要高強度（屈服強度ReL=600 MPa）、高塑韌性（延伸率A5≥20%，沖擊功AKv≥34 J）、高精度（±0.1 mm）錨桿鋼提供保障。項目開發之初，國內沒有滿足要求的同類型產品，國外先進企業生產的600 MPa 級錨桿鋼無法滿足國內深井煤礦支護對塑韌性的要求（沖擊功只有7 J）。在此情況下，首鋼長鋼公司、首鋼技術研究院共同開展礦用高強韌性、高精度錨桿鋼的研發生產，解決了國內沒有MG600 錨桿鋼以及MG500/MG600 塑韌性指標差的問題。

1 生產工藝流程

首鋼長鋼生產錨桿鋼和鋼筋的主要設備包括2座1 080 m3高爐、3 座80 t 轉爐、2 座LF 精煉爐、3 臺小方坯連鑄機和新建100 萬t 棒材及高速棒材軋鋼產線。其主要工藝流程為：高爐鐵水→80 t 頂底復吹轉爐→LF 鋼包精煉→全保護連鑄→鋼坯檢驗→鋼坯加熱→粗軋機組→中軋機組（機間控冷）→預精軋機組+機后控冷→精軋機組（機后控冷）→冷床→剪切、檢驗等。

2 關鍵技術研究

2.1 高強度控制技術研究

有效控溫軋制、軋后立即分段式控冷挖潛細晶強化及位錯強化是提高鋼強度的有效措施，立即和延遲5 s 冷卻材料的位錯形貌對比如圖1 所示。

圖1 立即和延遲5 s 冷卻材料位錯形貌對比

除了控制合理冷速可獲得一定鐵素體比例的多相鋼外，還必須依賴更細化的第二相納米粒子析出強化，以顯著提高鋼的抗拉強度，理論研究認為第二相粒子尺寸控制在≤50 nm 時，能顯著提高鋼的抗拉強度。本項目得到的邊部與心部V（C，N）納米顆粒析出情況如圖2 所示，邊部尺寸為10～20 nm、心部為15～30 nm，析出強化效果顯著，對提高鋼強度起到了較好的效果。

圖2 試驗鋼邊部與心部V（C，N）納米顆粒析出情況

2.2 高強度基礎上的高塑韌性控制技術研究

2.2.1 改善高強度錨桿鋼心部組織的控制技術研究

錨桿鋼要在滿足高強度的基礎上獲得高塑韌性，難度更大，這里從鑄坯質量、潔凈度、心部異常組織、組織均勻性、小角度晶界、混晶、晶粒度控制方面加以研究。

為了減少與消除心部的異常組織，通過大數據分析、工藝試驗、模擬計算等手段，形成了一套600 MPa級錨桿鋼的生產工藝路線。通過在連鑄過程中控制拉速、加熱時間，采用反復優化冷卻工藝等手段，最大程度地降低心部偏析程度，軋后控冷采用多段式分級冷卻，相鄰兩段冷卻之間有恢復段，避免心部過冷發生馬氏體等異常組織轉變，實現了心部異常組織的改善，從而提高了錨桿鋼的沖擊韌性[1]。采用鑄坯均勻化的兩個手段后，心部偏析的實施效果對比如圖3 所示。

圖3 采用鑄坯均勻化的兩個手段后的實施效果對比

2.2.2 精細化提高組織性能均勻性的高延伸率塑性控制技術研究

錨桿鋼的組織均勻性、晶界角度、晶粒尺寸等對提高錨桿鋼的塑性至關重要，特別是對高強度錨桿鋼的影響更為明顯。本文設定不同的變形工藝參數，研究其對混晶、晶界角度等影響。此外，從鑄坯偏析、控冷模式等方面加強錨桿鋼組織均勻性的控制。在60%變形條件下，不同變形溫度的晶粒尺度分布如圖4 所示。

圖4 60%變形條件下，不同變形溫度的晶粒尺度分布

通過對不同變形溫度、變形量對晶粒大小的影響進行觀察，得出以下結論：同一種變形溫度條件下，變形量越大，晶粒大小越均勻，但變形量達到40%后，晶粒細化程度開始減弱；同一種變形量條件下，850 ℃變形更利于得到細小均勻的晶粒；950 ℃條件下出現不同程度的混晶。

因此，從獲得均勻細小晶粒的角度講，850 ℃和875 ℃兩種變形溫度條件下，大變形量更易于獲得均勻細小的晶粒。

研究認為，大角度晶界可阻礙裂紋的擴展，可提高實驗鋼的強度，但會惡化韌塑性，小角度晶界（≤15°為小角度晶界）的存在可以提高材料的韌塑性性能。因此大小角度晶界的數量對鋼材塑韌性能的影響很大[2]。

通過統計不同變形溫度條件下的大小角度晶界比例（圖5—圖7），可以得出：

圖5 850 ℃變形條件下變形量對大小角度晶界的影響

圖6 900 ℃變形條件下變形量對大小角度晶界的影響

圖7 950 ℃變形條件下變形量對大小角度晶界的影響

1）在850 ℃變形條件下，三種工藝的小角度晶界比率為：60%＞20%＞40%。

2）在900 ℃變形條件下，三種工藝的小角度晶界比率為：20%≥40%＞60%。

3）在950 ℃變形條件下，三種工藝的小角度晶界比率為：20%≈40%＞60%。

通過對不同工藝條件下大小角度晶界比率的結果分析表明，可以得出結論：低溫、大變形量更易于獲得更多的小角度晶界比例。獲得最優的晶粒尺寸、最優化的尺寸角度晶界比率的軋制工藝參數為：變形溫度以875 ℃±20 ℃為宜，變形量以40%～50%為宜。

2.3 錨桿鋼尺寸精度控制研究

2.3.1 增加規圓孔型

傳統的規圓孔型主要用于高精度圓鋼的軋制，具體方法是在原有的成品孔型后增加1～2 個小壓下量的圓孔型。成品軋件經過規圓孔型后，軋件斷面尺寸和通長尺寸的不均勻現象得以規范，使圓鋼產品最終尺寸精度得到提高。

由于錨桿鋼本身帶有橫肋，不適合成品軋件的軋后規圓。借助常規規圓孔型的思路，通過將成品前K3、K4 道次的孔型設計為規圓孔型，以及穩定和提高成品前K3 孔型軋件的尺寸精度，最終達到提高錨桿鋼成品孔型軋件精度的目的。錨桿鋼原有孔型和規圓孔型的對照如圖8 所示，由于增加了2 個規圓孔，總軋制道次增加2 道。

圖8 錨桿鋼規圓孔型系統

從圖8 可見，規圓孔型系統是將原有孔型系統的K3、K4 孔型前移到K5、K6（其他道次也相應前移），將K3、K4 孔型設計為規圓孔型。

2.3.2 改進成品及成品前孔型

K1 孔的設計不僅要保證軋制出合格的產品，而且還有考慮到槽孔的修復和使用壽命，因此將基圓直徑設計在零線上，以降低不良品鋼材的發生率。原成品孔型為切線法設計，缺點是易產生縱肋，且因縱肋兩側尺寸超差致使倒槽頻繁，后改為雙半徑圓弧法，取得很好的使用效果，如圖9 所示。

圖9 成品孔型修改前與修改后對比圖（mm）

成品前孔K2 的設計與調整過程及軋制的穩定性與成品質量息息相關，需在保證水平兩側橫肋充滿的情況下，同時保證垂直兩側（寬度方向）為負差。所以將K2 孔孔型由平橢型改為帶凹度的狗骨狀孔型。具體孔型如圖10 所示。

圖10 成品前孔型修改前與修改后對比圖（mm）

2.3.3 提高活套控制精度

活套控制的重點是優化活套程序設計參數，結合現場實際，優化調整活套起套高度、起套延時、收套延時以及活套起套瞬間的軋機的速降補償。如成品前活套起套高度為280 mm，起套和收套延時10 ms，效果較好。為提高活套起套的穩定性，活套氣缸應選用較大型號，并定期進行維修與更換，以保證起套的穩定性。

2.3.4 解決成品導衛扶料不穩現象

更換成品軋機進口滾動導衛型號，由GA-30 型改為DR30A 型。后者為前后雙排輪設計，可提高軋件咬入瞬間的穩定性；成品前軋機進口導衛由滾動導衛改為滑動導衛型式，可增加入成品軋件的穩定性，減少通條尺寸的波動。

通過以上尺寸控制技術的改進和實施，在普通軋機上實現了90%以上的錨桿鋼尺寸精度達到±0.1 mm 的目標，合同交貨產品尺寸精度確保100%能夠達到±0.15 mm。采用錨桿鋼“近終形”尺寸控制，可基本消除縮頸加工過程的擠壓變形和加工硬化，明顯改善螺紋連接部位的性能。

3 生產應用及效果

在首鋼長鋼公司80 t 轉爐、LF 鋼包精煉爐、全保護連鑄機和新建棒材和高棒產線上，實現了Φ18～Φ25 mm 規格MG500/MG600 錨桿鋼的批量生產，MG500及以上高強度錨桿鋼年產量在4 萬t 以上。產品具有高強度、高延伸塑性、較高沖擊韌性和高尺寸精度的特點，滿足了國內深井煤礦支護的要求。

在強度等同的情況下，延伸率及沖擊功塑韌性方面具有顯著優勢，MG500 延伸率A5達到26%以上，沖擊功（AKv）平均達到85.5 J；MG600 延伸率A5平均達到22%，沖擊功（AKv）平均達到58 J；90%以上產品的尺寸精度能夠達到±0.1 mm，合同交貨尺寸精度確保100%達到±0.15 mm。

4 結論

1）細晶強化、位錯強化、析出強化是提高MG500/MG600 錨桿鋼強度的有效措施；改善錨桿鋼心部異常組織、提高組織均勻性、細化晶粒、增加小角度晶界比例，可提高MG500/MG600 錨桿鋼的延伸塑性和沖擊韌性。

2）通過應用K3、K4 規圓孔、改進成品前和成品孔孔型、調整活套高度和延時、改進導衛裝置，在普通鋼筋產線實現了錨桿鋼尺寸±0.1 mm 精度控制水平。