孫 乾，亓偉偉，麻 衡，李 艷，李玉功，劉旭東

（1萊蕪鋼鐵集團(tuán)銀山型鋼有限公司技術(shù)中心，山東濟(jì)南 271104；2萊蕪鋼鐵集團(tuán)銀山型鋼有限公司板帶廠，山東濟(jì)南 271104）

1 前言

目前煤礦企業(yè)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(fù)合材料板等，雖具有較好的耐低溫沖擊性、自潤(rùn)滑性、耐水性等特質(zhì)，但其耐熱性（熱變形溫度）低、加工成型性差，同時(shí)表面硬度一般，膨脹系數(shù)偏大，整體易變形、不耐磨，使用壽命短［1-3］。隨著現(xiàn)代煤礦采掘的不斷進(jìn)步，礦業(yè)提出高壽命、性能穩(wěn)定性好的鋼制擋煤板的迫切需求。

針對(duì)煤礦耦合多變的復(fù)雜開采環(huán)境，萊鋼在用戶使用要求的基礎(chǔ)上，結(jié)合擋煤板服役環(huán)境，采用中碳高錳的經(jīng)濟(jì)性成分設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮C、Mn經(jīng)濟(jì)性合金元素固溶強(qiáng)化作用，大幅度節(jié)約合金成本，利用萊鋼1 500 mm熱軋寬帶生產(chǎn)線設(shè)備，通過(guò)控軋控冷工藝成功開發(fā)出9.75 mm厚355 MPa級(jí)別高壽命低合金高強(qiáng)鋼帶。所得鋼帶顯微組織為鐵素體+珠光體，屈服強(qiáng)度≥390 MPa，抗拉強(qiáng)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(tǒng)聚脂復(fù)合材料擋煤板的2倍。在實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)化效果的同時(shí)，大幅度節(jié)約合金成本，簡(jiǎn)化生產(chǎn)組織，提高經(jīng)濟(jì)效益，具備較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

2 鋼帶的開發(fā)試制

2.1 成分及工藝設(shè)定

在對(duì)巷道擋煤板355 MPa級(jí)別鋼帶服役環(huán)境和工程應(yīng)用要求進(jìn)行充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，分析鋼中C、Si、Mn、P、S等主要元素對(duì)鋼帶質(zhì)量及強(qiáng)韌性、硬度、沖擊性能及成型性能的綜合影響，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)及用戶使用要求，設(shè)計(jì)出合理的成分控制方案，并制定相應(yīng)的轉(zhuǎn)爐冶煉終點(diǎn)控制、轉(zhuǎn)爐出鋼脫氧、微合金化、軟吹氬處理、連鑄穩(wěn)定澆注、板坯加熱、軋制等工藝制度。

生產(chǎn)工藝流程：鐵水KR預(yù)脫硫—轉(zhuǎn)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(yàn)—入庫(kù)。

各種元素的作用及配比：C為間隙固溶元素，對(duì)鋼帶強(qiáng)度、硬度、韌性影響較大，C含量過(guò)高會(huì)增加鋼的強(qiáng)度、硬度，但會(huì)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(jiàn)脫氧元素，可溶于鐵素體和奧氏體，具備一定的固溶強(qiáng)化作用，顯著提高鋼基體強(qiáng)度、硬度，但過(guò)高的Si會(huì)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(qiáng)化作用，增加鋼的韌性、強(qiáng)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(qiáng)，并且Mn含量過(guò)高會(huì)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(yán)重?fù)p害鋼的韌塑性，影響基體脆性，硫與錳形成塑性?shī)A雜物硫化錳，導(dǎo)致基體延展性和韌性下降，易導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋；磷嚴(yán)重影響鋼帶的韌性，因此，要求P、S含量應(yīng)越低越好，但考慮實(shí)際生產(chǎn)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(qū)的低溫韌性，彌散析出的AlN可抑制加熱時(shí)奧氏體晶粒長(zhǎng)大、細(xì)化晶粒尺寸，提高沖擊韌性，但過(guò)量的鋁會(huì)帶來(lái)B類夾雜物數(shù)量激增，導(dǎo)致鋼板和鋼帶內(nèi)部質(zhì)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(yīng)用實(shí)際，保證鋼帶的強(qiáng)韌性、耐磨性及一定的沖擊韌性性，是成分設(shè)計(jì)的首要因素，同時(shí)結(jié)合煤礦企業(yè)降本增效的經(jīng)濟(jì)性要求，在強(qiáng)度設(shè)計(jì)上盡可能發(fā)揮C、Mn等廉價(jià)金屬的固溶強(qiáng)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(guò)固溶強(qiáng)化與細(xì)晶強(qiáng)化機(jī)制來(lái)彌補(bǔ)因減少昂貴合金析出強(qiáng)化所帶來(lái)的強(qiáng)度損失；同時(shí)因C、Mn連鑄拉坯過(guò)程中易凝聚，形成心部偏析，需嚴(yán)控鋼中P、S等有害元素含量。綜上所述，鋼帶的設(shè)計(jì)化學(xué)成分及力學(xué)性能見(jiàn)表1、表2。

表1 巷道擋煤板355MPa級(jí)別鋼帶化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

表2 巷道擋煤板355MPa級(jí)別鋼帶力學(xué)性能要求

2.2 生產(chǎn)工藝控制

（1）預(yù)處理。采用KR機(jī)械攪拌法進(jìn)行鐵水預(yù)處理，保證鋼水純凈度，將鐵水中硫含量按質(zhì)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(yù)處理后的鐵水進(jìn)入轉(zhuǎn)爐或電爐冶煉，長(zhǎng)流程采用轉(zhuǎn)爐冶煉，可使用單渣或雙渣工藝冶煉，造渣料在鐵水進(jìn)入轉(zhuǎn)爐的終點(diǎn)前1～5 min內(nèi)加完，終渣堿度控制在R=3.0～3.5，做到初期早化渣，過(guò)程渣化好，終渣化透；終點(diǎn)壓槍時(shí)間60～120 s內(nèi)（如70、100、120 s），確保加入合金在鋼水內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)正好完成，達(dá)到成分均勻化。采用鋁錳鐵或鋁塊脫氧，鋼水出至1/4時(shí)，分批加入硅錳、高錳，進(jìn)行合金化，鋼水出至3/4時(shí)加完，合金加入時(shí)對(duì)準(zhǔn)鋼流沖擊區(qū)；轉(zhuǎn)爐冶煉盡可能降低終點(diǎn)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(jìn)行測(cè)溫、定氧、吹氬，氬氣壓力、流量以渣面輕微翻動(dòng)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(jìn)行造渣，采用鋁粒脫氧劑進(jìn)行脫氧，根據(jù)鋼中鋁含量每爐喂入100～150 m鈣鋁線或70～100 m高鈣線進(jìn)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(hù)澆鑄，即大包至中間包采用長(zhǎng)水口并進(jìn)行氬封保護(hù)；中間包采用覆蓋劑結(jié)合碳化稻殼進(jìn)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(jié)晶器采用浸入式水口并采用氬封保護(hù)；結(jié)晶器液面采用中碳鋼保護(hù)渣；連鑄過(guò)程中，開澆緩慢，根據(jù)提速曲線臺(tái)階式進(jìn)行提速，每30 s速度提高0.05 m，提高到一個(gè)數(shù)值后保持一定時(shí)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(jìn)行，最終提高到所需拉速），提至目標(biāo)拉速后進(jìn)行自動(dòng)控制，密切觀察結(jié)晶器液面波動(dòng)情況，逐步使拉速穩(wěn)定在1.15～1.35 m/min（如拉速過(guò)快，鋼水未凝固便拉鋼易出現(xiàn)漏鋼，拉速過(guò)慢將影響生產(chǎn)效率），使鋼液充分凝固。連鑄工藝通過(guò)對(duì)澆鑄過(guò)熱度的控制來(lái)減輕鑄坯中心偏析程度，通過(guò)對(duì)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(jìn)而提高鑄坯表面與內(nèi)部質(zhì)量，為最終產(chǎn)品的質(zhì)量打下基礎(chǔ)［7］；澆鑄過(guò)熱度是由中間包溫度與液相線溫度之差確定，目標(biāo)控制在10～25℃；控制中間包液面的高度，開澆時(shí)中間包液面的高度不低于600 mm，正常澆注過(guò)程液面高度在700～1 000 mm，嚴(yán)禁低液面澆鑄，防止卷渣；通過(guò)進(jìn)行水冷，降低澆鑄溫度，獲得細(xì)小的晶粒尺寸，并采用結(jié)晶器振動(dòng)，細(xì)化晶粒，鑄坯矯直溫度控制在900℃以上。澆鑄溫度、過(guò)熱度與拉速的合理匹配，使得鋼液凝固過(guò)程中盡可能多的進(jìn)行非均勻形核核心，提高形核率，獲得更為致密的等軸晶，實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化效果，最終獲得性能優(yōu)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(xì)小致密的無(wú)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(jìn)式加熱爐對(duì)鑄坯進(jìn)行加熱，消除鑄坯原有的某些組織缺陷及應(yīng)力，改善金屬內(nèi)部組織以及非金屬夾雜物形態(tài)與分布，便于后續(xù)軋制，從而提高終端產(chǎn)品的塑性并降低變形抗力。加熱爐內(nèi)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(nèi)，并使其具有較高的溫度和足夠的時(shí)間以均化組織和溶解碳化物（熱裝鑄坯在爐保溫時(shí)間不少于100 min，冷裝鑄坯在爐保溫時(shí)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(dá)到1 050～1 200℃后的鑄坯運(yùn)送出爐，進(jìn)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(jīng)5或6或7機(jī)架熱連軋，終軋溫度為850～890℃（如860、870、880℃），軋后經(jīng)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(zhì)量與性能

3.1 力學(xué)性能

（1）按照上述工藝生產(chǎn)的巷道擋煤板355 MPa級(jí)別鋼帶表面質(zhì)量良好，板型平整。綜合性能均達(dá)到用戶使用要求，其中屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)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(wú)規(guī)律、不定時(shí)下落，對(duì)鋼帶沖擊韌性及耐磨性能有一定要求，因此對(duì)巷道擋煤板355 MPa級(jí)別鋼帶進(jìn)行20℃沖擊及布氏硬度試驗(yàn)。結(jié)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(jí)別鋼帶與常規(guī)Q235B鋼帶力學(xué)性能與耐磨性檢測(cè)對(duì)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(jìn)行橫向沖擊試驗(yàn)）。

表3 巷道擋煤板355MPa級(jí)別鋼帶與常規(guī)Q235B力學(xué)性能與耐磨性檢測(cè)對(duì)比

3.2 組織分析

組織形態(tài)與分布、晶粒度大小、夾雜物存在情況對(duì)鋼帶基體性能影響極大，巷道擋煤板355 MPa級(jí)別鋼帶的顯微組織及夾雜物抽檢情況見(jiàn)表4。

表4 巷道擋煤板355 MPa級(jí)別鋼帶顯微組織及夾雜物

由表4可知，巷道擋煤板355 MPa級(jí)別鋼帶的鋼質(zhì)純凈度較高，夾雜物總和控制在1.0級(jí)以下；帶狀組織等級(jí)控制在1.0級(jí)以下，晶粒度等級(jí)約在9～10.5級(jí)，晶粒尺寸在8.2～15.7 μm，基體組織為F+P組織，晶粒均勻細(xì)??；金相顯微組織照片及掃描電鏡觀察，結(jié)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(duì)巷道擋煤板355 MPa級(jí)別鋼帶試樣拉伸斷口進(jìn)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?jǐn)嗫诘撞看嬖谏倭繆A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(jié)語(yǔ)

（1）萊鋼生產(chǎn)開發(fā)的巷道擋煤板355 MPa級(jí)別鋼帶，解決了煤礦開采（尤其是深井等環(huán)境惡劣的井下作業(yè)）過(guò)程中，傳統(tǒng)復(fù)合材料制巷道擋煤板笨重、耐熱性低、耐磨性差、拆卸機(jī)動(dòng)性差、壽命短等實(shí)際問(wèn)題，符合煤礦開采公輔設(shè)備減重、質(zhì)量升級(jí)的實(shí)際要求。

（2）9.75 mm的巷道擋煤板355 MPa級(jí)別鋼帶，產(chǎn)品綜合性能良好，力學(xué)性能均勻，其顯微組織為鐵素體+珠光體，屈服強(qiáng)度≥390 MPa，抗拉強(qiáng)度達(dá)到530～630 MPa，HBW≥175，20℃沖擊功≥80 J，各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足用戶使用要求。

（3）巷道擋煤板355 MPa級(jí)別鋼帶采用中碳高錳成分設(shè)計(jì)，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(fā)揮C、Mn等較為廉價(jià)元素固溶強(qiáng)化及細(xì)晶強(qiáng)化作用，實(shí)現(xiàn)了低成本、高性能鋼帶的批量制備。