基于创新方法研发煤矿液压支架用高强度调质钢

李 娜 蔺学浩 刘广超

（1.安阳钢铁集团有限责任公司； 2.安阳钢铁股份有限公司）

0 前言

在竞争日益激烈的国际市场环境下，技术创新是钢铁企业取得成功并求得生存的重要手段。“自主创新、方法先行”，安阳钢铁以创新驱动为引领，综合运用以TRIZ 方法为主、六西格玛为辅，多种创新方法相结合以获取问题求解的新思路，给科技工作者指出了求解方向，不仅提高了钢铁企业解决技术问题的能力，也缩短了产品的研发周期，降低了研发成本，提高了企业的创新效率和产出效率，使企业技术创新的方向具有可预见性，大大降低了企业技术创新的风险[1]。

1 背景

安阳钢铁是煤机支架用钢的主要供应商，最高强度级别可达960 MPa，多年以来在煤机行业市场占有率保持第一。众所周知，能源是经济发展的源动力。2019 年中国能量消耗中煤炭占主导地位，而煤矿液压支架是现代化采煤过程中不可或缺的设备，其工作环境十分恶劣：粉尘量大、承压承重、环境潮湿、磨损较高。随着我国煤炭工业的飞速发展，特大型矿井、高产工作面出现，超高大采高8.8 m 液压支架应势而生。

超大采高8.8 m 液压支架是全国乃至全世界最高的支架，其支护高度、工作阻距、支护中心距均创世界之最。因此，某大型煤机企业对8.8 m 煤机液压支架用钢提出了远高于行业供货标准的“客户标准”，强度波动范围要求在150 MPa，不同强度级别的屈强比也做了相应的规定，平直度≤3 mm/m，其生产技术代表了一个冶金企业综合技术的先进水平。安阳钢铁煤矿液压支架用钢的强度波动范围在150 MPa 之内的性能合格率仅为88.30%，平均屈强比为0.985，这给煤矿液压支架用钢的生产带来了极大的挑战。

2 问题分析

安阳钢铁生产煤矿液压支架用钢的工艺流程为：铁水预处理—150 t 顶底复吹转炉—LF 精炼炉—VD真空脱气炉—3 250 mm 宽板坯连铸机—3 500 mm 炉卷轧机—热处理机组。

流分析是指从物质、能量、信息三个维度上对系统实现功能的情况进行分析，构建系统分析之流模型的过程。依据工艺流程从炼钢工艺到最终产品的交付对各工序进行了流分析，如图1 所示。冶炼过程中精炼成分波动范围大，造成钢板最终强度波动范围大，属于过度流；连铸过程偏析、晶粒大小不均匀、淬火过程相变不均匀会引起钢板组织不一致，属于三个有害流。钢板在生产过程从冶炼开始到最终成型的过程中，上一道工序形成的过度流、有害流等缺陷造成的质量问题会遗传到下一工序，进而恶化钢板的最终使用性能。

图1 流分析

3 QC 及六西格玛管理

QC 在ISO 9000:2015 对 质 量 管 理(Quality Management)定义是“在质量方面指挥和控制组织的协调的活动”，主要是针对特定的工作失误或品质不良展开分析讨论。六西格玛是一种管理策略，可为创新项目整个过程的开展提供宏观指导，关注创新活动的整体流程分析、过程中各种数据的关系分析、结果的可靠性分析、结果的控制情况等[2]。利用QC 工具对强度波动范围大的问题进行了系统分析、层层剖解。从排列图中找到的影响强度波动范围大的主要因素是成分波动范围大，接着利用鱼骨图从人、机、料、法、环、测六方面对造成强度波动范围最大的影响因素进行进一步分析，造成成分波动范围大的各种影响因素如图2、图3所示。从精益管理的角度出发，基于六西格玛采用DMADOV 流程（即界定-测量-分析-设计-优化-验证）对现有产品成分体系结合现有工况条件重新设计 [C]、[Mn]含量的控制范围，借助数据统计分析工具minitable 对煤矿液压支架用钢的强度控制能力进行研究，回归影响成分波动的系数公式，结合自动控制系统实现炼钢窄成分的精准控制，具体内容见图4、图5。

图2 排列图

图3 鱼骨图

图4 炼钢成分精确自动控制模型

图5 屈服强度控制能力

4 TRIZ 创新方法

TRIZ 理论成功地揭示了创造发明的内在规律和原理，可大大加快创造发明的进程，得到高质量的创新产品。在创新活动遇到某个技术难点或瓶颈问题时，运用TRIZ 理论可以扩展思路，用创造性的思维解决问题，不但能大大加快人们创造发明的进程而且能得到高质量的创新产品，因此，TRIZ 在创新活动 中的“点金”作用越来越重要。

4.1 因果分析

基于TRIZ 理论，对钢板内部组织不一致的影响因素建立因果分析，如图6 所示。通过因果分析找到引起钢板内部组织不一致的末端主要因素：连铸过程枝晶偏析、淬火过程中冷却速率不均匀、软硬相比例。该项目的最终理想解是在不增加任何成本的情况下，钢板的内部各相组织比例恒定且均匀分布。

图6 因果分析

4.2 技术矛盾

随着调质钢强度的不断提高，屈强比大大增加。为了降低屈强比，需对钢结构内部的软、硬组织间的比例进行调控，获得比例适当的软相组织是控制屈强比的关键，而调质钢的生产过程中回火温度对组织结构和性能之间的关系起着决定性的作用。随着回火温度的升高，屈服强度基本保持稳定，而抗拉强度和冲击功下降，伸长率和屈强比提高[3]。因此，可以适当降低回火温度来调整组织中软硬相的体积分数，降低屈强比，但同时又会恶化钢板的内部应力，降低冲击韧性。

通过技术冲突分析，将两个矛盾运用39 个通用工程参数描述系统技术冲突，确定出改善的参数——物质的量，恶化的参数——应力或者压强。根据改善的参数和恶化的参数，通过查找冲突矩阵找出相关发明原理4 个：NO.10 预先作用原理；NO.36 相变原理；NO.14 曲面化原理；NO.03 局部质量原理。利用NO.10 预先作用原理，将淬火温度调整至两相区，形成马氏体和一部分贝氏体，经回火得到回火索氏体和贝氏体组织，降低调质钢的屈强比。金相组织如图7 所示。

4.3 物理冲突

在喷淋淬火过程中，冷却水与钢板表面接触后在钢板表面形成气膜，阻碍钢板与水之间的传热冷却。为了消除气膜、保证相变需要增大冷却速率，但冷却速率过大，又会使钢板内部产生应力集中，导致钢板变形严重，尤其是边部更为严重。因此，在淬火过程中，冷却速率既要大，可以使钢板快速淬透，又要小，防止组织应力、温度应力等内部应力造成残余应力增加。

通过物理冲突分析，利用时间分离的原理将钢板淬透的时间和消除应力时间进行分离，即采用间隙冷却的方式，先加快冷却速率使钢板快速淬透，然后通过缓慢冷却释放应力，如图8 所示。利用空间分离的原理把喷嘴分割为多个密排水冷却喷嘴，在淬火过程中用螺旋辊（如图9 所示）压紧钢板表面，依据板面宽度的冷却速率和温度设置冷却速率曲线，并利用导水槽在空间上对冷却水进行分割、导流，使钢板表面冷却均匀。

图8 间隙冷却

图9 螺旋辊

4.4 物质-场模型

连铸过程中的溶质（碳、硫）在冷却的过程中存在液析和再分配，为了改善铸坯中心区域的偏析，需要增强冷却水的强度，但同时又会使铸坯表面产生横向裂纹。根据冷却水对铸坯中心偏析存在一个不足的问题建立物质- 场模型，通过查找76 个标准解，应用2.1.2 的模型标准解，增加压力场、电磁场向双物质场转化，利用大压下、电磁搅拌解决中心偏析的问题，如图10 所示。

图10 物质—场模型及解决方案

5 结语

（1）在8.8 m 液压支架用钢的生产过程中采取了一系列有效措施，利用QC、六西格玛和TRIZ等多种创新方法相融合，实现了窄成分的精准控制，配以电磁搅拌、两相区淬火过程中将螺旋辊表面压紧钢板表面、利用导水槽对冷却水进行导流、分流等手段，有效地保证了8.8 m 液压支架用钢的性能要求，性能合格率由88.3%提升到了99.8%，屈强比下降到了0.97 以下。

（2）安阳钢铁的8.8 m 液压支架用高强度调质钢通过了国内权威机构的焊接评价试验，并得到了用户的高度认可。该项目的成功实施实现了煤矿液压支架用钢的低屈强比和板形的精准控制，精度远高于行业控制水平。

（3）世界首个智能超大采高8.8 m 液压支架的主体材料由安阳钢铁独家供给，并成功应用于神东煤炭集团上湾煤矿，“超大采高、特厚煤层安全高效开采”这一世界性难题被踩在脚下，助推了我国大国重器的升级换代。