CN104946983B - 一种耐腐蚀的高强度锚杆钢的生产方法 - Google Patents
一种耐腐蚀的高强度锚杆钢的生产方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种耐腐蚀的高强度锚杆钢的生产方法，所述锚杆钢的质量百分比包括：C：0.25～0.30％、Si：1.3～1.6％、Mn：0.8～1.2％、P≦0.035％、S≦0.025％、V：0.03～0.05％、N：0.008～0.012％、Als：0.01～0.03％、Nb：0.01～0.025％、Cu：0.25～0.5％、Cr：0.6～0.8％、稀土元素：0.01～0.03％，其余为Fe和杂质元素。上述锚杆钢中利用钒、铌与氮形成钒、铌的析出物来强化基体，起到提高钢材的强度，降低了合金添加量，减少了合金成本，同时，Al的添加能够消除过多氮的危害，改善冲击功，而且细化晶粒；铸坯大变形量配以低温轧制，有利于提高V的固溶强化和析出强化效果以及Nb的细化晶粒强化，得到良好的综合性能，而且，添加的Cu、稀土元素以及Cr能够提高钢耐腐蚀性能，从而提高钢材耐腐蚀的能力。
Description
技术领域
本发明涉及钢材料技术领域，尤其涉及一种耐腐蚀的高强度锚杆钢的生产方法。
背景技术
锚杆是锚固在煤、岩体内维持围岩稳定的杆状物。锚杆支护是煤矿巷道首选的、安全性高的主要支护方式，与其它支护相比，它属于一种主动支护形式，具有支护工艺简单、支护效果好、材料消耗和支护成本低、运输和施工方便等优点。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，煤炭行业迫切期待更高强度级别的矿用支护锚杆。
巷道中，由于潮湿的空气，裸露在外面的锚杆钢会因为表面锈蚀逐渐加重而使得钢的强度降低，减少锚杆钢的服役时间。而目前关于耐腐蚀的锚杆钢未见有相关报道，因此迫切希望能开发出一种能耐腐蚀的高强度锚杆钢。
现有技术公开了一种630MPa级以上高强钢筋，该高强钢筋的重量百分比成分为：碳:0.28％-0.38％、硅:0-0.35％、锰:0-0.90％、铬:0.80％-1.50％、镍:3.00％-4.00％、钼:0.40％-0.60％、磷:0-0.015％、硫:0-0.015％、氢:0-2.0ppm、钒:0.10％-0.20％、钛:0-0.025％、铜:0-0.20％、铝:0-0.05％、0-0.50％残余元素，其余为Fe；该高强钢筋的生产工艺为：步骤(1)：以铬镍钼合金结构钢为坯料，并对其进行扩氢热处理；步骤(2)：将上述扩氢热处理后的钢筋放入加热炉内加热到1350-1390℃，出加热炉后采用水冷以23-25℃/s的冷却速率将钢筋水冷至925-945℃，然后在淬火装置内用水或淬火液进行淬火，然后在回火加热炉内加热到620-640℃进行回火，再通过第一冷却工艺冷却到常温；步骤(3)：将钢筋进行初步热轧，所述初步热轧温度为1100-1150℃，所述初步热轧完成后通过第二冷却工艺将钢筋冷却至室温，然后对钢筋回热至1050℃，对钢筋进行二次热轧，二次热轧后的钢筋直径为或所述二次热轧完成温度为850℃，二次热轧后对所述钢筋进行水冷/空冷二次循环间歇淬火工艺进行淬火热处理；步骤(4)：将冷却后的钢筋放入回火加热炉加热到560-580℃，保温0.1-0.2h；步骤(5)：对保温后的钢筋使用高压喷射水或淬火液以13-15℃/s的速度冷却至150-200℃，然后在冷床上冷却至室温；步骤(6)：进行检验入库。
但是，在使用过程中发现，上述锚杆钢均不具有耐腐蚀性。
发明内容
本申请提供一种耐腐蚀的高强度锚杆钢的生产方法，解决了现有技术中的锚杆钢不具有耐腐蚀性的技术问题。
本申请提供一种耐腐蚀的高强度锚杆钢，所述锚杆钢的质量百分比包括：
C：0.25～0.30％、Si：1.3～1.6％、Mn：0.8～1.2％、P≦0.035％、S≦0.025％、V：0.03～0.05％、N：0.008～0.012％、Als：0.01～0.03％、Nb：0.01～0.025％、Cu：0.25～0.5％、Cr：0.6～0.8％、稀土元素：0.01～0.03％，其余为Fe和杂质元素。
优选地，所述C：0.26～0.28％、Mn：0.9～1.1％、Cu：0.3～0.45％、Cr：0.65～0.8％、稀土元素：0.015～0.025％。
优选地，所述锚杆刚的金相组织包括铁素体和珠光体。
本申请还提供一种锚杆钢的生产方法，用于生产所述的锚杆钢，其特征在于，所述方法包括：
冶炼并浇铸成铸坯；
对所述铸坯进行自然冷却，严禁向铸坯表面浇水；
对铸坯进行加热，加热时的均热温度为1000～1100℃，加热时间为100～120min；
对铸坯进行轧制，轧制时的开轧温度为950～1050℃，终轧温度为800～880℃；
自然冷却。
优选地，所述冶炼并浇铸成铸坯具体包括：铁水脱硫；转炉顶底吹炼；氩站吹氩；浇铸成铸坯。
优选地，所述转炉顶底吹炼具体包括：出钢1/4时，随钢流加入硅锰铁、碳化硅等合金脱氧，然后加入然后加入钒铁、氮化硅锰、铌铁、铬铁、稀土和碳粉；钢水出至3/4时，合金、增碳剂必须全部加入。
优选地，所述浇铸成铸坯具体包括：过热度控制在液相线10～20℃，拉速控制目标1.6～1.8m/min。
本申请有益效果如下：
所述锚杆钢的各元素的作用如下：
C：C是扩大和稳定奥氏体元素，提高钢材强度最有效的元素，但是当其含量低于0.25％时，会导致力学性能不足而增加合金添加量从而增加了生产成本，当其含量高0.30％，会导致塑性和韧性下降，因此，本发明C选择在0.25～0.30％。
Si：是一种廉价的置换强化元素，可以显著提高钢的屈服强度，但是Si含量过高会提高钢的冲击韧性转变温度，导致冲击韧性性能不合，所以选择Si的范围在1.3～1.6％。
Mn：主要是固溶于铁素体中提高材料的强度，其又是良好的脱氧剂和脱硫剂，含有一定量的锰可以消除或减弱因硫引起的脆性，从而改善钢的加工性能，但锰含量过高时会使晶粒粗化的倾向，连铸和轧后控冷不当时容易产生白点，所以选择Mn的范围在0.8～1.2％；
P、S：作为有害元素，其含量越低越好。S含量过高，会形成大量的MnS夹杂，降低钢材的机械性能，因此含量越低越好，但为了降低生产成本，在不影响正常性能的情况下，越高越好，所以选择S的范围在≦0.025％；P易在晶界偏析，增加钢的脆性，因此含量越低越好，但为了降低生产成本，在不影响正常性能的情况下，越高越好，所以选择P的范围在≦0.035％。
N:作为VN析出必需的元素，为了保证一定的析出量，因此，其含量有最小的含量，但是N含量过高会影响钢中内部质量，所以选择N的范围在0.008～0.012％。
Nb：是强碳化物型材元素，能够抑制热轧时奥氏体晶粒长大，细化组织，提高钢的综合力学性能，Nb低于0.01％时，效果不明显，不能够满足力学性能要求，但Nb含量高于0.025％易使析出相粗大而弱化析出强化效果，而且会显著增加成本。选择范围Nb在0.01～0.025％。
Cu：是提高耐腐蚀性能的主要合金元素，钢中含有一定量的铜，能够有效提高钢的耐腐蚀性能，其含量低于0.25％，效果不明显，超过0.5％时，会出现铜脆现象，而且铜含量达到一定量再增加不会明显的大幅增加耐蚀性，同时恶化其焊接性能，所以铜的控制量在0.25～0.5％范围；
V：是微合金化钢最常用也是最有效的强化元素之一。钒的作用是通过形成VN、V(CN)来影响钢的组织和性能，它主要是在奥氏体晶界的铁素体中沉淀析出，细化铁素体晶粒，提高钢的高温强度。V低于0.03％时，析出强化效果不能够满足力学性能要求，V高于0.05％时，析出强化使强度太高而导致韧性变差，所以选择V的范围在0.03～0.05％。
Cr：铬能显著提高钢的强度、硬度和耐腐蚀性，但同时会降低塑性和韧性；其含量超过一定值才能起到耐腐性的作用，但含量高于0.8％时反而会产生一定量的铬的碳化物，导致耐腐蚀性能下降，所以选择Cr的范围在0.6～0.8％。
Al：是作为炼钢时的脱氧定氮剂，Al与钢中的N形成细小难溶AlN质点，起到阻抑作用，进而细化铁素体晶粒，Al含量低于0.01％，细化作用不明显，Al含量高于0.03％，降低了钢液的流动性，形成大量的Al2O3会在水口结瘤，从而堵住水口以及恶化热塑性，所以，选择Al的范围在0.01～0.03％，
稀土元素：对夹杂物和净化钢质有很大的作用，提高钢的冲击韧性，稀土含量超过一定值才有作用，但含量高于0.03％时反而增加了钢中第二相数量，而对力学性能有不利影响，所以选择范围在0.01～0.03％。
上述锚杆钢中利用钒、铌与氮形成钒、铌的析出物来强化基体，起到提高钢材的强度，降低了合金添加量，减少了合金成本，同时，Al的添加能够消除过多氮的危害，改善冲击功，而且细化晶粒；铸坯大变形量配以低温轧制，有利于提高V的固溶强化和析出强化效果以及Nb的细化晶粒强化，得到良好的综合性能，而且，添加的Cu、稀土元素以及Cr能够提高钢耐腐蚀性能，从而提高钢材耐腐蚀的能力。
因此，与现有常规技术相比，本发明的锚杆钢筋性能对于600MPa级标准而言，强度富余量充足，冲击韧性好，脱碳层厚底薄，表面质量更优，组织细小，不用在表面涂上树脂涂料即可具有一定的耐腐蚀性能，解决了现有技术中的钢不具有耐腐蚀性的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例。
图1为本申请较佳实施方式一种锚杆钢的金相组织图；
图2为本申请另一较佳实施方式一种锚杆钢的生产方法流程图。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
本申请提供一种锚杆钢，所述锚杆钢的质量百分比包括：C：0.25～0.30％、Si：1.3～1.6％、Mn：0.8～1.2％、P≦0.035％、S≦0.025％、V：0.03～0.05％、N：0.008～0.012％、Als：0.01～0.03％、Nb：0.01～0.025％、Cu：0.25～0.5％、Cr：0.6～0.8％、稀土元素：0.01～0.03％，其余为Fe和杂质元素。
需要说明的是，在本说明书中，式中的元素符号表示表示钢中该元素的含量(质量％)。
优选地，为了进一步提高锚杆刚的耐腐蚀性，所述C：0.26～0.28％、Mn：0.9～1.1％、Cu：0.3～0.45％、Cr：0.65～0.8％、稀土元素：0.015～0.025％。另外，所述锚杆刚的金相组织包括铁素体和珠光体。
所述锚杆钢的各元素的作用如下：
C：C是扩大和稳定奥氏体元素，提高钢材强度最有效的元素，但是当其含量低于0.25％时，会导致力学性能不足而增加合金添加量从而增加了生产成本，当其含量高0.30％，会导致塑性和韧性下降，因此，本发明C选择在0.25～0.30％。
Si：是一种廉价的置换强化元素，可以显著提高钢的屈服强度，但是Si含量过高会提高钢的冲击韧性转变温度，导致冲击韧性性能不合，所以选择Si的范围在1.3～1.6％。
Mn：主要是固溶于铁素体中提高材料的强度，其又是良好的脱氧剂和脱硫剂，含有一定量的锰可以消除或减弱因硫引起的脆性，从而改善钢的加工性能，但锰含量过高时会使晶粒粗化的倾向，连铸和轧后控冷不当时容易产生白点，所以选择Mn的范围在0.8～1.2％；
P、S：作为有害元素，其含量越低越好。S含量过高，会形成大量的MnS夹杂，降低钢材的机械性能，因此含量越低越好，但为了降低生产成本，在不影响正常性能的情况下，越高越好，所以选择S的范围在≦0.025％；P易在晶界偏析，增加钢的脆性，因此含量越低越好，但为了降低生产成本，在不影响正常性能的情况下，越高越好，所以选择P的范围在≦0.035％。
N:作为VN析出必需的元素，为了保证一定的析出量，因此，其含量有最小的含量，但是N含量过高会影响钢中内部质量，所以选择N的范围在0.008～0.012％。
Nb：是强碳化物型材元素，能够抑制热轧时奥氏体晶粒长大，细化组织，提高钢的综合力学性能，Nb低于0.01％时，效果不明显，不能够满足力学性能要求，但Nb含量高于0.025％易使析出相粗大而弱化析出强化效果，而且会显著增加成本。选择范围Nb在0.01～0.025％。
Cu：是提高耐腐蚀性能的主要合金元素，钢中含有一定量的铜，能够有效提高钢的耐腐蚀性能，其含量低于0.25％，效果不明显，超过0.5％时，会出现铜脆现象，而且铜含量达到一定量再增加不会明显的大幅增加耐蚀性，同时恶化其焊接性能，所以铜的控制量在0.25～0.5％范围；
V：是微合金化钢最常用也是最有效的强化元素之一。钒的作用是通过形成VN、V(CN)来影响钢的组织和性能，它主要是在奥氏体晶界的铁素体中沉淀析出，细化铁素体晶粒，提高钢的高温强度。V低于0.03％时，析出强化效果不能够满足力学性能要求，V高于0.05％时，析出强化使强度太高而导致韧性变差，所以选择V的范围在0.03～0.05％。
Cr：铬能显著提高钢的强度、硬度和耐腐蚀性，但同时会降低塑性和韧性；其含量超过一定值才能起到耐腐性的作用，但含量高于0.8％时反而会产生一定量的铬的碳化物，导致耐腐蚀性能下降，所以选择Cr的范围在0.6～0.8％。
Al：是作为炼钢时的脱氧定氮剂，Al与钢中的N形成细小难溶AlN质点，起到阻抑作用，进而细化铁素体晶粒，Al含量低于0.01％，细化作用不明显，Al含量高于0.03％，降低了钢液的流动性，形成大量的Al2O3会在水口结瘤，从而堵住水口以及恶化热塑性，所以，选择Al的范围在0.01～0.03％，
稀土元素：对夹杂物和净化钢质有很大的作用，提高钢的冲击韧性，稀土含量超过一定值才有作用，但含量高于0.03％时反而增加了钢中第二相数量，而对力学性能有不利影响，所以选择范围在0.01～0.03％。
上述锚杆钢中利用钒、铌与氮形成钒、铌的析出物来强化基体，起到提高钢材的强度，降低了合金添加量，减少了合金成本，同时，Al的添加能够消除过多氮的危害，改善冲击功，而且细化晶粒；铸坯大变形量配以低温轧制，有利于提高V的固溶强化和析出强化效果以及Nb的细化晶粒强化，得到良好的综合性能，而且，添加的Cu、稀土元素以及Cr能够提高钢耐腐蚀性能，从而提高钢材耐腐蚀的能力。
因此，与现有常规技术相比，本发明的锚杆钢筋性能对于600MPa级标准而言，强度富余量充足，冲击韧性好，脱碳层厚底薄，表面质量更优，组织细小，不用在表面涂上树脂涂料即可具有一定的耐腐蚀性能，解决了现有技术中的钢不具有耐腐蚀性的技术问题。
基于同样的发明构思，本申请还提供一种锚杆钢的生产方法。图2为本申请较佳实施方式一种锚杆钢的生产方法流程图。所述方法包括：
步骤S10，冶炼并浇铸成铸坯；
步骤S20，对所述铸坯进行自然冷却，严禁向铸坯表面浇水；
步骤S30，对铸坯进行加热，加热时的均热温度为1000～1100℃，加热时间为100～120min，不得过热、过烧；
步骤S40，对铸坯进行轧制，轧制时的开轧温度为950～1050℃，终轧温度为800～880℃；
步骤S50，自然冷却，可在步进齿条式冷床上自然空冷，严禁对终轧后淋水。
与现有常规技术相比，本发明在所生产的锚杆钢筋性能对于600MPa级标准而言，强度富余量充足，冲击韧性好，脱碳层厚底薄，表面质量更优，组织细小，不用在表面涂上树脂涂料即可具有一定的耐腐蚀性能，而且工艺简单，在现有装备无需改动的情况下即可生产。
通过对炼钢过程进行控制，保证合金有高的收得率，以及钢质高的纯净度，从而达到提高锚杆钢筋的冲击韧性。
所述的步骤S10，即冶炼并浇铸成铸坯具体包括：
步骤S11，铁水脱硫，采用喷镁粉脱硫工艺，控制出站铁水硫含量[S]≤0.010％，罐内脱硫渣要扒干净；
步骤S12，转炉顶底吹炼，废钢装入量占总装入量的10～15％；转炉采用顶-底复合吹炼，终点采用高拉补吹工艺，点吹次数≤2次；终渣碱度目标为3.0～3.8；转炉终点C控制目标0.08～0.10％；出钢温度(目标)为1660～1680℃；出钢时间3～9min，挡渣出钢，钢包渣层厚度≤100mm(目标)；脱氧及合金化：出钢1/4左右时，随钢流加入硅锰铁、碳化硅等合金脱氧，然后加入然后加入钒铁、氮化硅锰、铌铁、铬铁、稀土和碳粉；钢水出至3/4时合金、增碳剂必须全部加入，C、Si、Mn、V、Nb、Cr、Cu和稀土成分按内控范围的下限控制。
步骤S13，氩站吹氩，按内控目标值进行成分微调；加入合金后吹氮气3min，喂铝线，然后测温、取样，出站C、Si、Mn、V、Nb、Cr、Cu、N和稀土成分调整按目标值控制。
步骤S14，浇铸成铸坯，连铸采用大罐长水口和结晶器浸入式水口(浸入深度100～150mm)保护浇注；中包保护渣采用碱性保护渣，结晶器保护渣采用中碳钢保护渣；铸坯拉速应与钢水温度匹配，过热度控制在液相线10～20℃，拉速控制目标1.6～1.8m/min。
以下就具体实验比较进行说明。
实施例1
生产Φ18mm规格的钢，选用化学成份按质量百分数为：C 0.28％、Si 1.57％、Mn0.92％、P0.013％、S0.015％、V0.033％、N0.0087％、Als0.0177％、Nb 0.017％、Cu0.38％、Cr0.68％、稀土元素0.019％，余量为Fe和杂质。
连轧工艺参数：均热段温度：1000℃，加热时间117min，开轧温度：950℃，终轧温度800℃，上冷床后自由空冷。
钢材性能件下表
实施例2
生产Φ20mm规格的钢，选用化学成份按质量百分数为：C 0.251％、Si1.31％、Mn1.07％、P0.021％、S0.005％、V0.042％、N0.0099％、Als0.021％、Nb 0.020％、Cu0.27％、Cr0.73％、稀土元素0.025％，余量为Fe。连轧工艺参数：均热段温度：1050℃，加热时间120min，不得过热、过烧，开轧温度：1000℃，终轧温度835℃，上冷床后自由空冷。
钢材性能件下表
实施例3
生产Φ22mm规格的钢，选用化学成份按质量百分数为：C 0.28％、Si 1.56％、Mn0.87％、P0.011％、S0.018％、V0.047％、N0.0114％、Als0.0273％、Nb 0.023％、Cu0.47％、Cr0.77％、稀土元素0.026％，余量为Fe。连轧工艺参数：均热段温度：1100，加热时间105min，开轧温度：1050℃，终轧温度880℃，上冷床后自由空冷。
钢材性能件下表
对以上实施例1-3的试验钢与对比钢1C 0.27％、Si 0.57％、Mn 1.33％、P0.011％、S 0.015％、V0.128％，N0.0087％(Rel607MPa、Rm850MPa、δ523％)，对比钢2C0.36％、Si 1.03％、Mn 1.57％、P 0.017％、S 0.011％、V0.041％，N0.093％、其他元素为微量或痕迹(Rel610MPa、Rm805MPa、δ523.5％)，加工成标准样，在模拟潮湿的大气环境下进行周浸实验，实验溶液为3％的硫酸氢钠，在F1-65型周浸试验机上进行测试，实验结果见表4。
表4
采用腐蚀速度来表征耐腐蚀能力，腐蚀速度采用失重法计算，腐蚀速度越低，其耐腐蚀能力越强，从表中可以看出，本发明的试验钢种比对比常规角钢更具有耐腐蚀能力。
经过试验，结果表明，该锚杆钢的成分和工艺能够满足性能的要求。对比产线销售价格，吨钢可以高500-600元，按照年生产1000吨计算，可以创造50万元的经济效益。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (4)
1.一种锚杆钢的生产方法，用于生产锚杆钢，其特征在于，所述锚杆钢的质量百分比包括：
C：0.25～0.30％、Si：1.3～1.6％、Mn：0.8～1.2％、P≦0.035％、S≦0.025％、V：0.03～0.05％、N：0.008～0.012％、Als：0.01～0.03％、Nb：0.01～0.025％、Cu：0.25～0.5％、Cr：0.6～0.8％、稀土元素：0.01～0.03％，其余为Fe和杂质元素，所述方法包括：
冶炼并浇铸成铸坯，所述冶炼并浇铸成铸坯具体包括：铁水脱硫；转炉顶底吹炼；氩站吹氩；浇铸成铸坯，所述转炉顶底吹炼具体包括：出钢1/4时，随钢流加入硅锰铁、碳化硅合金脱氧，然后加入钒铁、氮化硅锰、铌铁、铬铁、稀土和碳粉；钢水出至3/4时，合金、增碳剂必须全部加入；
对所述铸坯进行自然冷却，严禁向铸坯表面浇水；
对铸坯进行加热，加热时的均热温度为1000～1100℃，加热时间为100～120min；
对铸坯进行轧制，轧制时的开轧温度为950～1050℃，终轧温度为800～880℃；
自然冷却。
2.如权利要求1所述的生产方法，其特征在于，所述C：0.26～0.28％、Mn：0.9～1.1％、Cu：0.3～0.45％、Cr：0.65～0.8％、稀土元素：0.015～0.025％。
3.如权利要求1所述的生产方法，其特征在于，所述锚杆钢的金相组织包括铁素体和珠光体。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述浇铸成铸坯具体包括：过热度控制在液相线10～20℃，拉速控制目标1.6～1.8m/min。
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