煤礦巷道擋煤用熱軋鋼帶的開發生產

孫 乾，亓偉偉，麻 衡，李 艷，李玉功，劉旭東

（1萊蕪鋼鐵集團銀山型鋼有限公司技術中心，山東濟南 271104；2萊蕪鋼鐵集團銀山型鋼有限公司板帶廠，山東濟南 271104）

1 前言

目前煤礦企業常用的擋煤板材料多為聚乙烯、橡膠板、合成工塑板、夾芯樹脂板、聚脂復合材料板等，雖具有較好的耐低溫沖擊性、自潤滑性、耐水性等特質，但其耐熱性（熱變形溫度）低、加工成型性差，同時表面硬度一般，膨脹系數偏大，整體易變形、不耐磨，使用壽命短［1-3］。隨著現代煤礦采掘的不斷進步，礦業提出高壽命、性能穩定性好的鋼制擋煤板的迫切需求。

針對煤礦耦合多變的復雜開采環境，萊鋼在用戶使用要求的基礎上，結合擋煤板服役環境，采用中碳高錳的經濟性成分設計，充分發揮C、Mn經濟性合金元素固溶強化作用，大幅度節約合金成本，利用萊鋼1 500 mm熱軋寬帶生產線設備，通過控軋控冷工藝成功開發出9.75 mm厚355 MPa級別高壽命低合金高強鋼帶。所得鋼帶顯微組織為鐵素體+珠光體，屈服強度≥390 MPa，抗拉強度530～630 MPa，HBW≥175，20℃沖擊功≥80 J；最終成品性能滿足煤礦開采巷道擋煤板使用要求，使用壽命是傳統聚脂復合材料擋煤板的2倍。在實現性能優化效果的同時，大幅度節約合金成本，簡化生產組織，提高經濟效益，具備較強的實用價值。

2 鋼帶的開發試制

2.1 成分及工藝設定

在對巷道擋煤板355 MPa級別鋼帶服役環境和工程應用要求進行充分調研的基礎上，分析鋼中C、Si、Mn、P、S等主要元素對鋼帶質量及強韌性、硬度、沖擊性能及成型性能的綜合影響，結合標準及用戶使用要求，設計出合理的成分控制方案，并制定相應的轉爐冶煉終點控制、轉爐出鋼脫氧、微合金化、軟吹氬處理、連鑄穩定澆注、板坯加熱、軋制等工藝制度。

生產工藝流程：鐵水KR預脫硫—轉爐或電爐初冶煉—爐外精煉、軟攪拌—板坯連鑄—（鑄坯清理）—鑄坯再加熱—控制軋制—冷卻—卷取—取樣、檢驗—入庫。

各種元素的作用及配比：C為間隙固溶元素，對鋼帶強度、硬度、韌性影響較大，C含量過高會增加鋼的強度、硬度，但會惡化基體韌性［4］，因此，C含量控制在0.19%～0.24%。Si是鋼中常見脫氧元素，可溶于鐵素體和奧氏體，具備一定的固溶強化作用，顯著提高鋼基體強度、硬度，但過高的Si會降低鋼的韌性及焊接性能［5］，因此，Si含量控制在0.20%～0.35%。Mn具有一定的固溶強化作用，增加鋼的韌性、強度，提高鋼的淬透性，改善鋼的熱加工性能，但Mn的偏析傾向較強，并且Mn含量過高會削弱鋼基體的抗腐蝕能力，惡化焊接性能［6］，因此，Mn含量控制在1.30%～1.45%。P和S是冶煉中有害元素，嚴重損害鋼的韌塑性，影響基體脆性，硫與錳形成塑性夾雜物硫化錳，導致基體延展性和韌性下降，易導致產生裂紋；磷嚴重影響鋼帶的韌性，因此，要求P、S含量應越低越好，但考慮實際生產中，P、S均難以完全避免［4-6］，P含量≤0.035%、S含量≤0.035%。Alt可固定鋼中自由N，改善鋼帶基體、焊接熱影響區的低溫韌性，彌散析出的AlN可抑制加熱時奧氏體晶粒長大、細化晶粒尺寸，提高沖擊韌性，但過量的鋁會帶來B類夾雜物數量激增，導致鋼板和鋼帶內部質量下降，降低鋼帶的焊接性及切削性［4-6］，因此，Alt含量控制在0.015%～0.050%。

考慮擋煤板應用實際，保證鋼帶的強韌性、耐磨性及一定的沖擊韌性性，是成分設計的首要因素，同時結合煤礦企業降本增效的經濟性要求，在強度設計上盡可能發揮C、Mn等廉價金屬的固溶強化作用，減少Nb-Ti-Ni等昂貴金屬的使用。配合控軋控冷工藝，通過固溶強化與細晶強化機制來彌補因減少昂貴合金析出強化所帶來的強度損失；同時因C、Mn連鑄拉坯過程中易凝聚，形成心部偏析，需嚴控鋼中P、S等有害元素含量。綜上所述，鋼帶的設計化學成分及力學性能見表1、表2。

表1 巷道擋煤板355MPa級別鋼帶化學成分（質量分數）%

表2 巷道擋煤板355MPa級別鋼帶力學性能要求

2.2 生產工藝控制

（1）預處理。采用KR機械攪拌法進行鐵水預處理，保證鋼水純凈度，將鐵水中硫含量按質量百分比控制在0.020%以下（如0.006%、0.009%、0.012%），脫硫溫度為1 230～1 330℃（如1 250、1 275、1 318℃），脫硫完畢扒凈鐵水表面的渣。

（2）冶煉。預處理后的鐵水進入轉爐或電爐冶煉，長流程采用轉爐冶煉，可使用單渣或雙渣工藝冶煉，造渣料在鐵水進入轉爐的終點前1～5 min內加完，終渣堿度控制在R=3.0～3.5，做到初期早化渣，過程渣化好，終渣化透；終點壓槍時間60～120 s內（如70、100、120 s），確保加入合金在鋼水內的化學反應正好完成，達到成分均勻化。采用鋁錳鐵或鋁塊脫氧，鋼水出至1/4時，分批加入硅錳、高錳，進行合金化，鋼水出至3/4時加完，合金加入時對準鋼流沖擊區；轉爐冶煉盡可能降低終點磷、硫含量，合理控制碳含量，確保鋼水純凈度。

（3）精煉。采用LF精煉，鋼包到精煉后立即進行測溫、定氧、吹氬，氬氣壓力、流量以渣面輕微翻動不露鋼水為宜，精煉周期≥42 min，全程底吹氬攪拌，軟吹氬氣≥12 min；加石灰進行造渣，采用鋁粒脫氧劑進行脫氧，根據鋼中鋁含量每爐喂入100～150 m鈣鋁線或70～100 m高鈣線進行鈣化處理；終渣堿度控制在R=2.5～4.0。

（4）連鑄。采用全程保護澆鑄，即大包至中間包采用長水口并進行氬封保護；中間包采用覆蓋劑結合碳化稻殼進行覆蓋，保證液面覆蓋良好，使鋼水與空氣隔絕，避免二次氧化；中間包至結晶器采用浸入式水口并采用氬封保護；結晶器液面采用中碳鋼保護渣；連鑄過程中，開澆緩慢，根據提速曲線臺階式進行提速，每30 s速度提高0.05 m，提高到一個數值后保持一定時間（具體操作是0.4 m/min保持1 min，0.6 m/min保持2 min，如此進行，最終提高到所需拉速），提至目標拉速后進行自動控制，密切觀察結晶器液面波動情況，逐步使拉速穩定在1.15～1.35 m/min（如拉速過快，鋼水未凝固便拉鋼易出現漏鋼，拉速過慢將影響生產效率），使鋼液充分凝固。連鑄工藝通過對澆鑄過熱度的控制來減輕鑄坯中心偏析程度，通過對冷卻水和矯直溫度的合理控制，減少或避免連鑄坯表面裂紋，進而提高鑄坯表面與內部質量，為最終產品的質量打下基礎［7］；澆鑄過熱度是由中間包溫度與液相線溫度之差確定，目標控制在10～25℃；控制中間包液面的高度，開澆時中間包液面的高度不低于600 mm，正常澆注過程液面高度在700～1 000 mm，嚴禁低液面澆鑄，防止卷渣；通過進行水冷，降低澆鑄溫度，獲得細小的晶粒尺寸，并采用結晶器振動，細化晶粒，鑄坯矯直溫度控制在900℃以上。澆鑄溫度、過熱度與拉速的合理匹配，使得鋼液凝固過程中盡可能多的進行非均勻形核核心，提高形核率，獲得更為致密的等軸晶，實現晶粒細化效果，最終獲得性能優異的175 mm斷面連鑄鑄坯。因該鋼帶錳元素含量較高，為降低心部偏析，獲得組織更為細小致密的無缺陷鑄坯，配合輕壓下工藝，壓下量控制在2～3.5 mm為宜。

（5）鑄坯再加熱。采用步進式加熱爐對鑄坯進行加熱，消除鑄坯原有的某些組織缺陷及應力，改善金屬內部組織以及非金屬夾雜物形態與分布，便于后續軋制，從而提高終端產品的塑性并降低變形抗力。加熱爐內加熱溫度為1 000～1 310℃，均熱段溫度控制在1 180～1 310℃，使鑄坯加熱到奧氏體單相固溶組織溫度范圍內，并使其具有較高的溫度和足夠的時間以均化組織和溶解碳化物（熱裝鑄坯在爐保溫時間不少于100 min，冷裝鑄坯在爐保溫時間不少于120 min），從而得到塑性高、變形抗力低、加工性能好的金屬組織，出鋼溫度達到1 050～1 200℃后的鑄坯運送出爐，進行軋制。

（6）軋制。采用熱連軋工藝，粗軋軋制3～7道次，將鑄坯軋制成30～45 mm厚度的中間坯，然后經5或6或7機架熱連軋，終軋溫度為850～890℃（如860、870、880℃），軋后經層流冷卻后卷取成鋼卷，卷取溫度為620～660℃（如630、640、650℃）。

3 鋼帶質量與性能

3.1 力學性能

（1）按照上述工藝生產的巷道擋煤板355 MPa級別鋼帶表面質量良好，板型平整。綜合性能均達到用戶使用要求，其中屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率均值分別為406.9 MPa、582.8 MPa、25.96%。

（2）鋼帶服役于煤礦井下，落煤無規律、不定時下落，對鋼帶沖擊韌性及耐磨性能有一定要求，因此對巷道擋煤板355 MPa級別鋼帶進行20℃沖擊及布氏硬度試驗。結果表明，鋼帶沖擊韌性及硬度較好，均值分別121.6 J/cm2、HBW192.8。巷道擋煤板355 MPa級別鋼帶與常規Q235B鋼帶力學性能與耐磨性檢測對比如表3所示（鋼帶厚度9.75 mm，沖擊試樣尺寸為10 mm×7.5 mm×55 mm，沖擊缺口v型，進行橫向沖擊試驗）。

表3 巷道擋煤板355MPa級別鋼帶與常規Q235B力學性能與耐磨性檢測對比

3.2 組織分析

組織形態與分布、晶粒度大小、夾雜物存在情況對鋼帶基體性能影響極大，巷道擋煤板355 MPa級別鋼帶的顯微組織及夾雜物抽檢情況見表4。

表4 巷道擋煤板355 MPa級別鋼帶顯微組織及夾雜物

由表4可知，巷道擋煤板355 MPa級別鋼帶的鋼質純凈度較高，夾雜物總和控制在1.0級以下；帶狀組織等級控制在1.0級以下，晶粒度等級約在9～10.5級，晶粒尺寸在8.2～15.7 μm，基體組織為F+P組織，晶粒均勻細?。唤鹣囡@微組織照片及掃描電鏡觀察，結果如圖1、圖2所示。

圖1 鋼帶1/4厚度處金相組織

圖2 鋼帶SEM形貌

3.3 拉伸斷口分析

對巷道擋煤板355 MPa級別鋼帶試樣拉伸斷口進行SEM掃描電鏡觀察，如圖3所示。由圖3可知，S355ML鋼帶的拉伸斷口形貌良好，部分斷口底部存在少量夾雜物，形貌一般為球形，尺寸＜10 μm。

圖3 掃描電鏡下韌性拉伸斷口

4 結語

（1）萊鋼生產開發的巷道擋煤板355 MPa級別鋼帶，解決了煤礦開采（尤其是深井等環境惡劣的井下作業）過程中，傳統復合材料制巷道擋煤板笨重、耐熱性低、耐磨性差、拆卸機動性差、壽命短等實際問題，符合煤礦開采公輔設備減重、質量升級的實際要求。

（2）9.75 mm的巷道擋煤板355 MPa級別鋼帶，產品綜合性能良好，力學性能均勻，其顯微組織為鐵素體+珠光體，屈服強度≥390 MPa，抗拉強度達到530～630 MPa，HBW≥175，20℃沖擊功≥80 J，各項性能指標均滿足用戶使用要求。

（3）巷道擋煤板355 MPa級別鋼帶采用中碳高錳成分設計，未添加Nb、V、Ti、Ni、Cu等昂貴合金元素，配合控軋控冷工藝，充分發揮C、Mn等較為廉價元素固溶強化及細晶強化作用，實現了低成本、高性能鋼帶的批量制備。