CN101824580A - 一种芯棒材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种所述芯棒材料，其特征是，所述芯棒材料组成为：碳0.32～0.38％、硅0.8～1.2％、锰0.2～0.6％、铬4.75～5.5％、钼1.3～1.5％、钒1～1.2％、铌0.04～0.07％、硫≤0.005、磷≤0.015、余量为铁。生产芯棒材料的方法，包括如下工序：(1)电炉炼钢；(2)造渣脱磷；(3)扒渣还原；(4)去硫、同时加入合金成份；(5)钢水进精炼钢包，微调合金；(6)将钢水浇注成电极棒；(7)电渣重熔；(8)退火；(9)均质化处理；(10)锻造成芯棒；(11)调质退火处理。本发明产出的材料具有非常高的等向性及组织均匀性，具有非常高的耐热疲劳、耐高温冲击、耐磨及抛光印花性能，还有一定耐蚀性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种芯棒材料，尤其是一种用于生产油田无缝钢管的芯棒材料。
背景技术
传统的芯棒材料在国标中的钢种为4Cr5MoSiV1，其成份如表一(单位：重量百分数，余量为铁)：
表一钢种4Cr5MoSiV1成份
| C | Si | Mn | S | P | Cr | Mo | V |
| 0.32/0.45 | 0.80/1.20 | 0.20/0.50 | ≤0.030 | ≤0.030 | 4.75/5.50 | 1.10/1.75 | 0.80/1.20 |
该材料用于做芯棒的原材料时使用环境为急冷急热状态，在国标中该材料没有对其杂质含量、组织均匀性及冲击性能做要求，但用户对该材料的冷热疲劳性能要求非常严格。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种芯棒材料，使芯棒的冲击性能好，冷热疲劳强度高，使用寿命长。
按照本发明提供的技术方案，所述芯棒材料的组成为：碳0.32～0.38％、硅0.8～1.2％、锰0.2～0.6％、铬4.75～5.5％、钼1.3～1.5％、钒1～1.2％、铌0.04～0.07％、硫≤0.005及磷≤0.015，余量为铁；单位为重量百分数。
所述芯棒材料的生产方法包括如下工序：
(1)电炉炼钢：采用重型废钢作为钢铁炉料，在电炉中熔化；
(2)造渣脱磷：在熔化的钢水中加入CaO、CaF2、SiO2及FeO，形成酸性渣，使钢水中的磷与酸性渣反应，生成磷酸钙，同时由酸性渣吸附掉钢水中的杂质；酸性渣的量为50～100公斤/吨钢水；
(3)扒渣还原：扒去浮于钢水表面的酸性渣；然后在钢水中加入还原剂、CaO、CaF2及SiO2，形成碱性还原渣，碱性还原渣的量为30～70公斤/吨钢水；
(4)去硫：使碱性还原渣与钢水中的硫反应，以去除钢水中的硫；然后初调钢水的合金成份，使钢水的合金成份接近钢水的最终成份；
(5)去硫后的钢水进入精炼钢包，再加入CaO、CaF2及SiO2造二次渣，二次渣的量为20～50公斤/吨钢水；然后抽真空，真空度≤100帕；再吹氩气；然后脱硫，脱硫时，扒去二次渣，加入硅铁1～2公斤/吨钢水，造碱性渣，碱性渣与钢水中的硫反应进一步去除钢水中的硫；再真空脱气；最后再微调钢水的合金成份，使钢水的最终成份为：碳0.32～0.38％、硅0.8～1.2％、锰0.2～0.6％、铬4.75～5.5％、钼1.3～1.5％、钒1～1.2％、铌0.04～0.07％、硫≤0.005及磷≤0.015，余量为铁；单位为重量百分数；
(6)钢水出精炼钢包后浇注成电极棒；
(7)电渣重熔：将电极棒在电渣炉中重熔成钢水，再加入Al2O3、CaF2造二元渣，二元渣的量为20～40公斤/吨钢水，重熔后的钢水通过二元渣吸附掉杂质，然后浇注入带有水冷装置的铸模内，形成电渣锭；
(8)退火：将电渣锭加热至900～950℃，保温8～20小时，再以≤40℃/小时的速度降温至500℃；
(9)均质化处理：将退火后的电渣锭在高温扩散炉内处理20～60小时，处理温度大于等于1200℃，小于熔化温度，使电渣锭的基体组织和成份达到均匀一致；
(10)将均质化处理后的电渣锭在快锻机和精锻机上经多火锻造工艺锻造成芯棒：所述多火锻造工艺是指将电渣锭加热到1140～1200℃，进入快锻机和精锻机锻造后，回炉加热到1140～1200℃，并再次进行锻造；重复多次，直至将电渣锭锻造成直径为100～460mm，长度为10～18m的芯棒；电渣锭回炉时的温度≥900℃；
(11)调质退火处理；先退火：将芯棒在950～1050℃的电炉内保温5～15小时，再水冷至室温，再加热至800～900℃进行回火处理，保温10～30小时后冷却至室温；然后调质：将退火后的芯棒加热到1000～1050℃后保温5～15小时，再油冷至室温；再回火到550～650℃，保温8～20小时后冷却至室温；然后再次回火到550～650℃，保温8～20小时后再冷却至室温。
所述还原剂为每吨钢水中加入：铝块或铝粉1～1.5公斤、金属钙0.5～1公斤、硅铁或硅铁粉3～5公斤及锰铁3～5公斤。
本发明产出的材料具有非常高的等向性及组织均匀性，可用于油田无缝钢管生产用的芯棒，具有非常高的耐热疲劳、耐高温冲击、耐磨及抛光印花性能，还有一定耐蚀性能。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
本发明生产芯棒材料的方法，包括如下工序：
(1)电炉炼钢：采用重型废钢作为钢铁炉料，在电炉中熔化；
(2)造渣脱磷：采用大渣量，流渣操作；在熔化的钢水中加入CaO、CaF2、SiO2及FeO，形成酸性渣，使钢水中的磷与酸性渣反应，生成磷酸钙，同时由酸性渣吸附掉钢水中的杂质；酸性渣的量为50～100公斤/吨钢水；
(3)扒渣还原：扒去浮于钢水表面的酸性渣；然后在钢水中加入还原剂、CaO、CaF2及SiO2，形成碱性还原渣；所述还原剂为每吨钢水中加入：铝块(或铝粉)1～1.5公斤、金属钙0.5～1公斤、硅铁(或硅铁粉)3～5公斤及锰铁3～5公斤，碱性还原渣的量为30～70公斤/吨钢水；在加入CaO、CaF2及SiO2时，这三种物质相互间的比例为3∶1∶1；还原剂、CaO、CaF2及SiO2的总加入量，应当能够在每吨钢水中形成30～70公斤的二次渣；
在实际操作过程中，只有在步骤2的造渣脱磷过程中才会形成酸性渣，其余的造渣过程都只会形成碱性渣；
(4)去硫：使碱性还原渣与钢水中的硫反应，以去除钢水中的硫；然后初调钢水的合金成份，使钢水的合金成份接近钢水的最终成份；
(5)去硫后的钢水进入精炼钢包，再加入CaO、CaF2及SiO2造二次渣，二次渣的量为20～50公斤/吨钢水；然后抽真空，真空度≤100帕；再吹氩气；然后脱硫，脱硫时，扒去二次渣，加入硅铁1～2公斤/吨钢水，造碱性渣，碱性渣与钢水中的硫反应进一步去除钢水中的硫；再真空脱气；最后再微调钢水的合金成份，使钢水的最终成份为：碳0.32～0.38％、硅0.8～1.2％、锰0.2～0.6％、铬4.75～5.5％、钼1.3～1.5％、钒1～1.2％、铌0.04～0.07％、硫≤0.005及磷≤0.015，余量为铁；单位为重量百分数；在加入CaO、CaF2及SiO2时，这三种物质相互间的比例为3∶1∶1；三者的总加入量，应当能够在每吨钢水中形成20～50公斤的二次渣；
(6)钢水出精炼钢包后浇注成电极棒；
(7)电渣重熔：将电极棒在电渣炉中重熔成钢水，再加入Al2O3、CaF2造二元渣，二元渣的量为20～40公斤/吨钢水，重熔后的钢水通过二元渣吸附掉杂质，然后浇注入带有水冷装置的铸模内，形成电渣锭；Al2O3与CaF2的加入比例为3∶6～8，两者的总的加入量应能够满足在每吨钢水中形成20～40公斤的二元渣；
(8)退火：将电渣锭加热至900～950℃，保温8～20小时，再以≤40℃/小时的速度降温至500℃；
(9)均质化处理：将退火后的电渣锭在高温扩散炉内处理20～60小时，处理温度大于等于1200℃，小于熔化温度，使电渣锭的基体组织和成份达到均匀一致；
(10)将均质化处理后的电渣锭在快锻机和精锻机上经多火锻造工艺锻造成芯棒：所述多火锻造工艺是指将电渣锭加热到1140～1200℃，进入快锻机和精锻机锻造后，回炉加热到1140～1200℃，并再次进行锻造；可以重复多次，直至将电渣锭锻造成直径为100～460mm，长度为10～18m的芯棒为止；电渣锭回炉时的温度≥900℃；
快锻机又称快速锻造液压机，可以向青岛华东工程机械有限公司制造等单位购买。精锻机(precision forging machine)，是一种快速精密锻压设备，由几个对称锤头对金属坯料进行高频率锻打的短冲程压力机。精锻机每分钟锤击次数比快锻液压机高一倍，由于锤击次数高，坯料形变产生的热量可抵偿坯料散失到环境中的热量，因此加工过程中温度变化较小。
(11)调质退火处理；先退火：将芯棒在950～1050℃的电炉内保温5～15小时，再水冷至室温，再加热至800～900℃进行回火处理，保温10～30小时后冷却至室温；然后调质：将退火后的芯棒加热到1000～1050℃后保温5～15小时，再油冷至室温；再回火到550～650℃，保温8～20小时后冷却至室温；然后再次回火到550～650℃，保温8～20小时后再冷却至室温。
下面是本发明的几个具体实施例。
实施例一：
化学成份(重量百分数，余量为铁)
| 碳 | 硅 | 锰 | 铬 | 钼 | 钒 | 铌 | 硫 | 磷 |
| 0.32％ | 0.8％ | 0.2％ | 4.75％ | 1.5％ | 1.2％ | 0.07％ | 0.005 | 0.015 |
实施例二：
化学成份(重量百分数，余量为铁)
| 碳 | 硅 | 锰 | 铬 | 钼 | 钒 | 铌 | 硫 | 磷 |
| 0.38％ | 1.2％ | 0.6％ | 5.5％ | 1.3％ | 1％ | 0.04％ | 0.001 | 0.001 |
实施例三：
化学成份(重量百分数，余量为铁)
| 碳 | 硅 | 锰 | 铬 | 钼 | 钒 | 铌 | 硫 | 磷 |
| 0.35％ | 1.0％ | 0.4％ | 5.2％ | 1.4％ | 1.1％ | 0.05％ | 0.002 | 0.012 |
本发明的芯棒材料杂质含量的检验结果如表二所示(按GB/T 10561中A法进行检验，合格级别不超过下表规定)：
表二
本发明的芯棒材料力学性能的检验结果如表三所示：试样淬回火后硬度调整为35～40HRC之间进行性能检验。参考热处理工艺：1030～1040℃淬火，630～660℃之间回火至少两次，每次2小时(回火温度可以适当调整，以回火后硬度为准)。按GB/T229-1994规定检测冲击功AkV(冲击试样的缺口向着中心)检验结果符合表三规定。
表三
| 取样位置 | 抗拉强度Mpa | 屈服强度Mpa | AkV(横向) | 面缩率％ | 伸长率％ |
| 距钢材表面半径二分之一 | 1075～1274 | ≥870 | ≥20J(平均)≥15J(单个) | ≥25 | ≥8 |
本发明的芯棒材料显微组织的检验结果：钢材按NADCA207-2003(北美铸造协会标准)进行退火组织检验，达到合格级别，试样取样部位在距表面半径二分之一处。
Claims (3)
1.一种芯棒材料，其特征在于：所述芯棒材料的组成为：碳0.32～0.38％、硅0.8～1.2％、锰0.2～0.6％、铬4.75～5.5％、钼1.3～1.5％、钒1～1.2％、铌0.04～0.07％、硫≤0.005及磷≤0.015，余量为铁；单位为重量百分数。
2.一种芯棒材料的生产方法，其特征在于：所述方法包括如下工序：
(1)电炉炼钢：采用重型废钢作为钢铁炉料，在电炉中熔化；
(2)造渣脱磷：在熔化的钢水中加入CaO、CaF2、SiO2及FeO，形成酸性渣，使钢水中的磷与酸性渣反应，生成磷酸钙，同时由酸性渣吸附掉钢水中的杂质；酸性渣的量为50～100公斤/吨钢水；
(3)扒渣还原：扒去浮于钢水表面的酸性渣；然后在钢水中加入还原剂、CaO、CaF2及SiO2，形成碱性还原渣，碱性还原渣的量为30～70公斤/吨钢水；
(4)去硫：使碱性还原渣与钢水中的硫反应，以去除钢水中的硫；然后初调钢水的合金成份，使钢水的合金成份接近钢水的最终成份；
(5)去硫后的钢水进入精炼钢包，再加入CaO、CaF2及SiO2造二次渣，二次渣的量为20～50公斤/吨钢水；然后抽真空，真空度≤100帕；再吹氩气；然后脱硫，脱硫时，扒去二次渣，加入硅铁1～2公斤/吨钢水，造碱性渣，碱性渣与钢水中的硫反应进一步去除钢水中的硫；再真空脱气；最后再微调钢水的合金成份，使钢水的最终成份为：碳0.32～0.38％、硅0.8～1.2％、锰0.2～0.6％、铬4.75～5.5％、钼1.3～1.5％、钒1～1.2％、铌0.04～0.07％、硫≤0.005及磷≤0.015，余量为铁；单位为重量百分数；
(6)钢水出精炼钢包后浇注成电极棒；
(7)电渣重熔：将电极棒在电渣炉中重熔成钢水，再加入Al2O3、CaF2造二元渣，二元渣的量为20～40公斤/吨钢水，重熔后的钢水通过二元渣吸附掉杂质，然后浇注入带有水冷装置的铸模内，形成电渣锭；
(8)退火：将电渣锭加热至900～950℃，保温8～20小时，再以≤40℃/小时的速度降温至500℃；
(9)均质化处理：将退火后的电渣锭在高温扩散炉内处理20～60小时，处理温度大于等于1200℃，小于熔化温度，使电渣锭的基体组织和成份达到均匀一致；
(10)将均质化处理后的电渣锭在快锻机和精锻机上经多火锻造工艺锻造成芯棒：所述多火锻造工艺是指将电渣锭加热到1140～1200℃，进入快锻机和精锻机锻造后，回炉加热到1140～1200℃，并再次进行锻造；重复多次，直至将电渣锭锻造成直径为100～460mm，长度为10～18m的芯棒；电渣锭回炉时的温度≥900℃；
(11)调质退火处理；先退火：将芯棒在950～1050℃的电炉内保温5～15小时，再水冷至室温，再加热至800～900℃进行回火处理，保温10～30小时后冷却至室温；然后调质：将退火后的芯棒加热到1000～1050℃后保温5～15小时，再油冷至室温；再回火到550～650℃，保温8～20小时后冷却至室温；然后再次回火到550～650℃，保温8～20小时后再冷却至室温。
3.如权利要求2所述生产芯棒材料的方法，其特征在于：所述还原剂为每吨钢水中加入：铝块或铝粉1～1.5公斤、金属钙0.5～1公斤、硅铁或硅铁粉3～5公斤及锰铁3～5公斤。
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