CN103343293A

CN103343293A - 一种含稀土高强高韧气瓶用无缝钢管及其生产方法

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Publication number: CN103343293A
Application number: CN2013101679871A
Authority: CN
Inventors: 丰小冬; 贺景春; 石晓霞; 乔爱云; 金文俊; 张行刚
Original assignee: Baotou Iron and Steel Group Co Ltd
Current assignee: Baotou Iron and Steel Group Co Ltd; Inner Mongolia Baotou Steel Union Co Ltd
Priority date: 2013-05-09
Filing date: 2013-05-09
Publication date: 2013-10-09

Abstract

一种含稀土高强高韧气瓶用无缝钢管及其生产方法，属于冶金及成型技术领域，原料为(Wt％)高炉铁水90％、优质废钢10％，管坯化学成分及含量(Wt％)为：C：0.10-0.15；Si：0.10-0.30；Mn：0.90-1.20；P≤0.020；S≤0.010；Cr：0.90-1.20；Mo：0.10-0.30；Ni：0.40-0.70；V：0.06-0.20；Ti：0.01-0.03；Al：0.005-0.030；稀土元素RE0.0005-0.0100；余为Fe和无法检测的微量元素；其工艺流程为：铁水预处理→顶底复吹转炉冶炼→LF炉精炼→VD真空处理→圆坯连铸→切割→管坯加热→穿孔→轧管→定径→冷却→锯切→热处理→矫直→水压试验→探伤；其力学性能为：屈服强度为860～930MPa、抗拉强度为1000～1100MPa、屈强比≤0.90、延伸率≥19％、横向冲击值：a_KV≥150J/cm²(-40℃)、晶粒度≥8.0级、残余应力≤30MPa。本发明的产品具有杂质元素含量低、残余应力小、强度高、韧性好、工艺性能优良的特点。

Description

一种含稀土高强高韧气瓶用无缝钢管及其生产方法

一、所属技术领域：

本发明属于黑色金属冶炼及金属压力加工领域，涉及一种含稀土高强高韧气瓶用无缝钢管及其生产方法。

二、背景技术：

高压气瓶是一种可重复充装的移动式钢瓶，公称压力一般为10～30MPa甚至更高，用于盛装高压气体或液化天然气。制造无缝气瓶有两种方法，一种是用钢坯通过热冲压拉伸并收口成型法；另一种是用无缝钢管做坯料通过热旋压收口成型法。用无缝钢管制造高压气瓶，具有成本低、质量好等优点。

近年来高压气瓶向着高压、轻量化方向发展，要求材质具有强度高、韧性好、工艺成型性能优良等特点，以保证使用的安全性及可靠性，这就对无缝钢管的强度和韧性提出更高的要求，但高强度和高韧性这两个技术指标间顾此失彼，相互矛盾。为此，特开发了高强高韧气瓶用无缝钢管，该材料的应用可有效解决这一矛盾。

在中国的发明专利文献中未见该类无缝钢管及其制造方法的记载，在国内外书刊杂志上也未见报道。

三、发明内容：

本发明的目的是提供一种杂质元素含量低、残余应力小、强度高、韧性好、工艺性能优良的含稀土高强高韧气瓶用无缝钢管及其生产方法。

本发明的目的是这样实现的：

将重量百分比90％的高炉铁水与10％的优质废钢作为原料。

以下述工艺流程进行生产：首先对上述高炉铁水进行预处理，然后与上述优质废钢一同加入顶底复吹转炉进行冶炼，再将冶炼好的钢水装入钢水包进入LF炉工位进行精炼，精炼完成后进入VD工位进行真空脱气处理，再进行圆坯连铸，并将连铸坯切割成管坯，然后对连铸管坯进行加热，对加热好的管坯进行穿孔和连轧使其成为连轧管，对轧管进行定径后送入冷床冷却，然后实施锯切，对切好的钢管进行热处理，然后进行矫直，最后经水压试验和探伤检测，合格者即为气瓶用无缝钢管成品。

其工艺流程简述为：铁水预处理→顶底复吹转炉冶炼→LF炉精炼→VD真空处理→圆坯连铸→切割→管坯加热→穿孔→轧管→定径→冷却→锯切→热处理→矫直→水压试验→探伤。

连铸圆管坯的生产过程如下所述：

1、将高炉铁水经预处理，使得铁水中的含S量(重量百分比)降低到0.010％以下。

2、将预处理后的铁水兑入顶底复吹转炉，加入(重量百分比)10％优质废钢，采用单渣工艺冶炼，控制终渣碱度和终点目标，出钢过程中进行脱氧合金化，终脱氧采用有铝脱氧工艺，出钢过程必须挡渣或扒渣，出钢过程中合金加完以后加入白灰块。

3、在LF炉进行精练：精炼全过程按要求正常吹Ar，采用从低级数到高级数逐渐提高升温速度的方式加热提温；根据转炉钢水成分及温度进行造渣脱硫、成分调整及升温操作；采用造白渣操作。

4、LF炉精炼结束后保持底部软吹Ar，按预定加入量喂入稀土丝。

5、进行VD真空处理：真空度≤0.10KPa，深真空时间≥13分钟。

6、喂入定长硅钙丝，喂丝后进行8-10分钟吹Ar；将经过VD真空处理后的钢水进行圆坯连铸，采用低拉速的恒速控制和电磁搅拌工艺；控制钢水过热度；铸坯经过矫直后，火焰切割为圆管坯。

对管坯进行化学成分化验，管坯的化学成分应符合下述要求(重量百分比％)：C0.10-0.15；Si 0.10-0.30；Mn 0.90-1.20；P≤0.020；S≤0.010；Cr 0.90-1.20；Mo 0.10-0.30；Ni0.40-0.70；V 0.06-0.20；Ti 0.01-0.03；Al 0.005-0.030；稀土元素RE0.0005-0.0100；余量为基体Fe和无法检测的微量杂质元素。

所述稀土元素RE为Ce、La的混合稀土金属，它们的重量百分比分别为：Ce 67％、La 33％。

加入稀土元素能够起到改善非金属夹杂物形态、强化晶界和细化晶粒等作用，从而取得细晶强化和提高冲击韧性的效果。

将成分化验合格及硫印不大于2.0级的连铸圆管坯进行制管，制管过程如下：

将管坯放入加热炉进行加热，连续检查并控制好加热炉预热段、加热段、均热段等各段的温度，各段温度的控制范围见表1；

表1环形加热炉各段温度控制(℃)

预热I段	预热II段	加热I段	加热II段	均热I段	均热II段
						1050-1120	1150-1250	1250-1290	1270-1310	1270-1300	1260-1300

用微机对加热炉各段温度进行自动控制并自动记录。

热工具在使用前必须测量，轧前必须检查、处理辊道，避免划伤管壁。

将加热好的管坯在相应的轧管机组轧制成用户所需规格的无缝钢管，轧制时每批至少进行一次热取样，检查几何尺寸；合格钢管进行热处理，严格控制淬火加热炉的炉温、加热稳定性和冷却水流量，保证淬火质量；严格控制回火加热炉的炉温以及回火稳定性。

热处理制度为：860～910℃保温30～40min后进行水淬，600～650℃保温60～70min后进行空冷；回火后执行带温矫直，矫直温度≥500℃。

然后对钢管逐支进行水压试验和探伤检测。

经过上述工艺过程，可以生产出本发明所述的“含稀土高强高韧气瓶用无缝钢管”。

发明的有益效果：

①由于以高炉铁水为原料，杂质元素含量相对较低；

②由于在500℃以上进行带温矫直，钢管的残余应力较低，残余应力：≤30MPa(采用环切法)；

③由于“含稀土元素的独特成分设计”结合成熟生产工艺，使得钢管的各项性能优异，具体性能指标如下：

屈服强度：860～930MPa；抗拉强度：1000～1100MPa；屈强比：≤0.90；延伸率：≥19％；横向冲击值：a_KV≥150J/cm²(-40℃)。

本发明针对背景技术中存在的问题，通过“独特的化学成分设计和以高炉铁水为原料的独特生产工艺”等技术措施，很好地解决了上述问题，取得了显著的进步。

四、具体实施方式：

下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1：

按重量百分比原料为：高炉铁水90％，优质废钢10％。

生产工艺流程顺序为：铁水预处理→顶底复吹转炉冶炼→LF炉精炼→VD真空处理→圆坯连铸→切割→管坯加热→穿孔→轧管→定径→冷却→锯切→热处理→矫直→水压试验→探伤。

具体生产工艺流程简述如下：

将90吨高炉铁水用“金属镁粉”作脱硫脱氧预处理，使铁水中的含S量降低到(重量百分比)0.010％以下。

将所述的90吨预处理铁水兑入100吨级的顶底复吹转炉中，再加入10吨优质废钢，然后采用单渣工艺进行冶炼，终渣碱度按3.0控制，出钢时采用硅锰、锰铁和铬铁进行脱氧合金化，终脱氧采用有铝脱氧工艺，出钢过程必须挡渣，挡渣失败必须扒渣，出钢过程中合金加完以后加入200kg白灰块。

将冶炼好的钢水装入钢水包进入LF炉工位进行精炼：精炼时按要求正常吹氩，采用从低级数到高级数逐渐提高升温速度的方式加热升温；根据转炉钢水成分及温度进行造渣脱硫、成分调整及升温操作；采用造白渣操作，镍板、钼铁、钒铁和钛铁合金在中后期加入。

当LF炉精炼结束后要保持底部软吹Ar，按预定的加入量喂入一定长度的稀土丝。

然后对精炼好的钢水进行VD真空处理：深真空度≤0.10KPa，深真空时间≥13分钟；再喂入一定长度的硅钙线，喂丝后保持8～10分钟软吹Ar。

将经过VD真空处理后的钢水大包吊上钢包回转台进行5机5流圆坯连铸，连铸时采用低拉速的恒速控制和电磁搅拌工艺；钢水过热度ΔT≤30℃；铸坯出二次冷却区域后进行矫直，然后用火焰切割为圆管坯。

对管坯取样进行化、检验，其化学成分化验结果(重量百分比含量)如下：

C 0.12；Si 0.21；Mn 1.05；P 0.017；S 0.005；Cr 1.07；Mo0.21；Ni 0.53；V 0.12；Ti 0.013；Al 0.017；RE 0.0012；余量为基体Fe和无法检测的微量杂质元素；所述稀土元素RE为：67％的Ce+33％的La构成的混合稀土金属，其化学成分及其含量合格。

硫印：均不超过1.0级，低倍检验合格。

将化、检验合格的管坯进行制管，制管过程如下：

为了使管坯具有良好的轧制性能，要连续检测并控制加热炉的预热段、加热段、均热段温度，保证加热透彻均匀而不过热。

用微机对加热炉各段温度进行自动控制并自动记录。

将加热好的管坯在Φ400mm自动轧管机组上轧制成规格为ф325.0mm×9.7mm无缝钢管，每批进行一次热取样，检查几何尺寸；之后进行热处理：严格控制淬火加热炉的炉温、加热稳定性和冷却水流量，保证淬火质量；严格控制回火加热炉的炉温以及回火稳定性。

热处理制度为：890±10℃保温35min后出炉进行水淬，620±20℃保温65min后出炉进行空冷。

钢管的矫直温度为516℃，环切法测量钢管的残余应力为27MPa。

经过上述工艺生产及水压试验和无损探伤过程，合格者即成为本发明所述的“含稀土高强高韧气瓶用无缝钢管”的成品。用其制取试样进行力学性能检验。

经过检验，实施例1所产气瓶用无缝钢管的力学性能、金相组织检测值见表2。

表2钢管的力学性能、金相组织检测结果

R_t0.5(MPa)

R_m(MPa)

R_t0.5/R_m

A(％)

a_KV(横向，-40℃，J/cm²)

组织

晶粒度

905

1052

0.86

20.5

175

回火S+B

9.0级

实施例2：

实施例2的原料配比、生产工艺流程等及其它工艺指标与实施例1均相同，所不同的是其管坯的化学成分含量(重量％)见表3：

表3管坯的化学成分检测结果(重量％)

C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	Ni	V	Ti	Al	RE
												0.13	0.19	1.07	0.015	0.006	1.02	0.19	0.51	0.11	0.017	0.012	0.0013

钢管的矫直温度为519℃，环切法测量钢管的残余应力为26MPa。

无缝钢管的力学性能、金相组织检测结果见表4。

表4钢管的力学性能、金相组织检测结果

R_t0.5(MPa)

R_m(MPa)

R_t0.5/R_m

A(％)

a_KV(横向，-40℃，J/cm²)

组织

晶粒度

897

1046

0.86

20.5

181

回火S+B

9.0级

Claims

1.一种含稀土高强高韧气瓶用无缝钢管，其特征是原料由重量百分比为90％的高炉铁水和10％的优质废钢组成，其化学成分按重量百分比分别为：C 0.10-0.15；Si0.10-0.30；Mn 0.90-1.20；P≤0.020；S≤0.010；Cr 0.90-1.20；Mo 0.10-0.30；Ni 0.40-0.70；V 0.06-0.20；Ti 0.01-0.03；Al 0.005-0.030；稀土元素RE0.0005-0.0100；余量为基体Fe和无法检测的微量杂质元素；产品的力学性能：屈服强度860～930MPa、残余应力≤30MPa、横向冲击值：a_KV≥150J/cm²(-40℃)，晶粒度≥8.0级。

2.根据权利要求1所述的一种含稀土高强高韧气瓶用无缝钢管，其特征在于RE为Ce与La的混合稀土金属，其重量百分比为：Ce 67％、La 33％。

3.一种如权利要求1所述特征的含稀土高强高韧气瓶用无缝钢管的生产方法，其特征在于生产工艺流程简述为：铁水预处理→顶底复吹转炉冶炼→LF炉精炼→VD真空处理→圆坯连铸→切割→管坯加热→穿孔→轧管→定径→冷却→锯切→热处理→矫直→水压试验→探伤。

4.根据权利要求3所述的一种含稀土高强高韧气瓶用无缝钢管的生产方法，其特征在于将高炉铁水经预处理，使铁水中S含量降低到重量百分比0.010％以下；将预处理后的铁水和优质废钢分别按设计比例加入顶底复吹转炉，采用单渣工艺冶炼，控制终渣碱度和终点目标；出钢过程中进行脱氧合金化，终脱氧采用有铝脱氧工艺，出钢过程必须挡渣或扒渣，出钢过程中合金加完以后加入白灰块。

5.根据权利要求3所述的一种含稀土高强高韧气瓶用无缝钢管的生产方法，其特征在于在LF炉进行精炼；精炼全过程按要求正常吹氩，采用从低级数到高级数逐渐提高升温速度的方式加热升温；根据转炉钢水成分及温度进行造渣脱硫、成分调整及升温操作；采用造白渣操作。

6.根据权利要求3或5所述的一种含稀土高强高韧气瓶用无缝钢管的生产方法，其特征在于LF炉精炼结束后保持底部软吹Ar，按预定加入量喂入稀土丝。

7.根据权利要求3所述的一种含稀土高强高韧气瓶用无缝钢管的生产方法，其特征在于进行VD真空处理的真空度≤0.10KPa，深真空时间≥13分钟。

8.根据权利要求3或7所述的一种含稀土高强高韧气瓶用无缝钢管的生产方法，其特征在于VD真空处理时喂入定长硅钙丝，喂丝后进行8～10分钟吹Ar。

9.根据权利要求3所述的一种含稀土高强高韧气瓶用无缝钢管的生产方法，其特征在于进行圆坯连铸时，采用低拉速的恒速控制和电磁搅拌工艺并控制钢水过热度≤30℃；铸坯出二次冷却区域后进行矫直，然后切割为圆管坯。

10.根据权利要求3所述的一种含稀土高强高韧气瓶用无缝钢管的生产方法，其特征在于采用调质处理工艺：860～910℃保温30～40min后进行水淬，600～650℃保温60～70min后进行空冷；回火后执行带温矫直，矫直温度≥500℃。