CN103639233B - 制造40MPa级超高压气瓶用锻制无缝钢管的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种制造40MPa级超高压气瓶用锻制无缝钢管的方法，所述方法的工艺流程为：偏心底电弧炉熔炼→钢包炉精炼→真空脱气精炼→浇注电渣自耗电极→电渣重熔→钢锭去应力退火→一次锻制管坯→退火→二次锻制成品管→退火→取样检验→内外车光→超声波探伤→磁粉探伤→外观检查。在一次锻制管坯中，使钢锭经两次以上镦粗拔长→镦粗冲孔→扩孔，以使钢锭有效的破碎心部铸造组织横纵向组织均匀变形，然后使管坯进行缓冷或退火，且避免直接空冷。在二次锻制成品管中，控制锻造频率为120～180次/分钟，变形温度为950～1000℃，终锻温度≥800℃。本发明的方法能够制造具有钢管口径大、厚度薄且容量大的40MPa级超高压气瓶用无缝钢管。

Description

制造40MPa级超高压气瓶用锻制无缝钢管的方法

技术领域

本发明总体上涉及无缝钢管压力加工领域，具体地涉及一种40MPa级超高压气瓶用锻制无缝钢管的制造方法。

背景技术

代替上一代15～30MPa级气瓶用钢，40MPa级高压气瓶用锻制无缝钢管主要作为新型潜艇用钢，由于新一代潜艇对气瓶用钢的性能和容量提出了更大的要求，要求达到40MPa级设计要求，且容量达到400L以上。因此，对材料的制造工艺及设备能力提出更高的要求。

当前，无缝钢管通常采用周期轧管机、连轧管机、挤压机制造，，常用的制管方式是采用轧管机直接轧管因其合金含量高而导致钢管内表面容易出现内折缺陷等问题，并且钢管规格会受到很大限制且横纵向性能有所差异，挤压管虽然纵向组织均匀一致，但其横纵向性能差异较大。

因此，在本领域中，期望的是提供一种能够制造钢管口径大、厚度薄且容量大并且钢管横纵向性能差异小的40MPa级超高压气瓶用无缝钢管。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制造40MPa级超高压气瓶用锻制无缝钢管的方法，所述方法的工艺流程为：偏心底电弧炉熔炼→钢包炉精炼→真空脱气精炼→浇注电渣自耗电极→电渣重熔→钢锭去应力退火→一次锻制管坯→退火→二次锻制成品管→退火→取样检验→内外车光→超声波探伤→磁粉探伤→外观检查，其中，对电渣自耗电极残余有害元素要求为：Cu≤0.10％，S≤20ppm，P≤50ppm，[H]≤2ppm，[N]≤45ppm，电渣重熔进一步去除钢中的有害夹杂物、气体且使钢锭组织更加均匀致密，并且使得S≤10ppm，在一次锻制管坯中，使钢锭经两次以上镦粗拔长→镦粗冲孔→扩孔，以使钢锭有效的破碎心部铸造组织横纵向组织均匀变形，然后使管坯进行缓冷或退火且避免直接空冷，在二次锻制成品管中，控制锻造频率为120～180次/分钟，变形温度为950～1000℃，终锻温度≥800℃。

在一次锻制管坯中，当坯料温度偏低，锻造存在开裂危险时，将管坯回炉再烧，再烧温度为1050-1150℃，回炉再烧时间控制在90～120分钟。

在一次锻制管坯中，在锻造时加热制度为：使管坯从≤600℃的初始温度用时3小时升至1150±10℃，并在此温度下保持1小时，随后开始锻造。

在一次锻制管坯中，采用2000MN或4500MN快锻机进行锻制，在二次锻制管坯中，采用1800MN精锻机进行锻制。

在二次锻制管坯后的退火中，采用的退火制度为：使管坯以≤80℃/小时的升温速率升温至680±10℃，并在此温度下保持10小时，随后以≤80℃/小时的降温速率降温至400℃并出炉空冷。

在电渣重熔中，采用五元电渣渣系，所述五元电渣渣系包括：60～65％的CaF₂、15～22％的Al₂O₃、10～15％的CaO、1～3％的MgO和1～3％的SiO₂。

本发明的方法能够制造具有钢管口径大、厚度薄且容量大的40MPa级超高压气瓶用无缝钢管，并且产品的横纵向性能均匀一致，是轧管及其它制管方法难以企及的。

具体实施方式

在下文中，将详细描述本发明的制造40MPa级超高压气瓶用锻制无缝钢管的方法。

本发明的制造40MPa级超高压气瓶用锻制无缝钢管的方法的工艺流程为：偏心底电弧炉熔炼→真空脱气精炼→偏心底电弧炉熔炼(EBT)→钢包炉精炼(LF)→真空脱气精炼(VD)→浇注电渣自耗电极→电渣重熔→钢锭去应力退火→一次锻制管坯→退火→二次锻制成品管→退火→取样检验→内外车光→超声波探伤→磁粉探伤→外观检查，其中，对电渣自耗电极残余有害元素要求为：Cu≤0.10％，S≤20ppm，P≤50ppm，[H]≤2ppm，[N]≤45ppm，电渣重熔进一步去除钢中的有害夹杂物、气体且使钢锭组织更加均匀致密，并且使得S≤10ppm，在一次锻制管坯中，使钢锭经历两次以上镦粗拔长→镦粗冲孔→扩孔，以使钢锭有效的破碎心部铸造组织横纵向组织均匀变形，然后使管坯进行缓冷或退火而避免直接空冷，在二次锻制管坯中，将得到的管坯直接锻制为成品管坯，控制锻造频率为120～180次/分钟，变形温度为950～1000℃，终锻温度≥800℃。

在一次锻制管坯中，当坯料温度偏低，锻造存在开裂危险时，将管坯回炉再烧，再烧温度为1050-1150℃，回炉再烧时间控制在90～120分钟。

在一次锻制管坯中，在锻造时加热制度为：使管坯从≤600℃的初始温度用时3小时升至1150±10℃，并在此温度下保持1小时，随后开始锻造。

在一次锻制管坯中，采用2000MN或4500MN快锻机进行锻制，在二次锻制管坯中，采用1800MN精锻机进行锻制。

在二次锻制管坯后的退火中，采用的退火制度为：使管坯以≤80℃/小时的升温速率升温至680±10℃，并在此温度下保持10小时，随后以≤80℃/小时的降温速率降温至400℃并出炉空冷。

在电渣重熔中，采用五元电渣渣系，所述五元电渣渣系包括：60～65％的CaF₂、15～22％的Al₂O₃、10～15％的CaO、1～3％的MgO和1～3％的SiO₂。

详细地讲，通过EBT+LF+VD冶炼出优质的电渣自耗电极，并要求做到五害元素尽量低，Cu≤0.10％，S≤20ppm，P≤50ppm，[H]≤2ppm，[N]≤45ppm。浇注电极规格为Φ360mm。

该阶段的关键环节在于控制钢中的有害杂质元素，EBT+LF+VD的电渣自耗电极的优势在于有效的去除钢中的杂质元素、气体，且去硫去磷。在电弧炉冶炼(EBT)中，首先要保证钢中的去碳量，一般而言，合金结构钢的去碳量≥0.30％即可，该钢的去碳量必须做到去碳量≥0.40％，且要求钢水不能过氧化严重，以免后期脱氧产物去除不尽，影响钢中夹杂物含量。此外，低温去磷及高温沸腾去气。

关于炉外精炼(LF)，LF冶炼环节在国内外的应用非常广泛，电渣自耗电极中的硫含量控制为10ppm以下，以保证材料的洁净性。脱氧剂选择方面较传统冶炼有较大不同，主要的差别在于终脱氧不使用铝或含铝的复合脱氧剂，在还原初期做好脱氧工作，还原后期不添加铝或含铝的复合脱氧剂，可有效地保证材料的洁净度。原理在于，铝酸盐夹杂物形成后，通过电渣的去除效果不佳，部分铝酸盐夹杂物继续沉积在钢锭中，因此在LF冶炼时期要求在还原初期做好脱氧工作，减少后期夹杂物形成且去除效果不佳的情况，这有利于提高材料的纯净度。另外，在此阶段后期要保证适宜的真空脱气温度，脱氧还原要求充分。

关于真空脱气(VD)，通过积累数据，以真空度在67Pa以下保持15分钟为界限，保证材料的去气量。去气率与钢水原始的气体含量有关，前期电弧炉冶炼有效的去碳量可以减少后期真空脱气的压力，一般而言，经上述冶炼操作后，钢中的氢含量[H]≤1.5ppm，[N]≤45ppm。

电渣重熔制造Φ550mm电渣锭，进一步去除钢中的有害夹杂物、气体且可以使钢锭组织更加均匀致密，要求S≤10ppm。电渣锭规格为Φ550mm。

在电渣重熔冶炼环节，采用的五元电渣渣系包括60～65％的氟化钙(CaF₂)、15～22％的三氧化二铝(Al₂O₃)、10～15％的氧化钙(CaO)、1～3％的氧化镁(MgO)和1～3％的二氧化硅(SiO₂)。该五元渣系的优势是：弥补在电渣自耗电极棒中脱氧剂未使用铝(或含铝复合物)造成的电渣中C、Si烧损严重的缺点，减少钢锭的吸氢；在吸附夹杂物方面，该渣系具有良好的润湿角，吸附能力强，与传统的二元或三元渣系相比，不仅大大降低材料中易烧损元素的烧损，还提高了材料的纯净度。

通过上述电炉加电渣双联工艺，使材料不仅在纯净度上满足技术要求，还可为锻造均匀致密组织的优质钢锭，提高了材料的综合性能。

在一次锻制管坯中，采用2000MN或4500MN快锻机锻制管坯。工艺上钢锭须2次镦粗拔长后，再冲孔、扩孔，使钢锭有效地破碎心部铸造组织，使材料横纵向组织均匀变形。当坯料温度偏低，锻造存在开裂危险时，将管坯回炉再烧，再烧温度为1050～1150℃，回炉再烧时间控制在90～120分钟。管坯必须缓冷或退火，严禁直接空冷，防止组织应力造成的应力裂纹。经过以上锻造，电渣锭规格为Φ620×(95～100)×L₁(mm)。

即，该阶段流程为两次镦粗拔长→镦粗冲孔→扩孔。通过两次镦粗拔长，破碎材料的结晶组织，避免材料由于组织不均匀(或粗晶)造成材料性能不一的情况。扩孔阶段由于其横向变形程度很大，使材料横纵向性能均匀一致。材料锻制后可回炉转精锻机成型，如果条件不具备，缓冷即可。试验表明，仅一次镦粗拔长不能充分破碎结晶组织，在材料上的表征现象为晶粒不均，两次以上的镦粗拔长试验结果显示截面无晶粒组织异常情况。因此，锻造开坯至少保证在两次以上镦粗拔长。

二次锻制成品管采用1800MN精锻机直接锻制，保证产品的外形尺寸。在此工艺过程中，精锻机锻造的温度不宜过大，根据不同吨位的精锻机有所差别。为保证精锻机锻造优势，选用的加热制度如下：使管坯从≤600℃的初始温度用时3小时升至1150±10℃，并在此温度下保持1小时，随后开始锻造。精锻锻制控制参数：锻造频率为120～180次/min，变形温度为950～1000℃，保证终锻温度≥800℃。应变速率控制主要通过精锻机的A、B两个夹头的旋转速度和伸缩速度来控制。壁厚控制：锻制成品管坯规格为Φ485×40×L₂(mm)。

在二次锻制成品管后的退火中，采用的退火制度为：使管坯以≤80℃/小时的升温速率升温至680±10℃，并在此温度下保持10小时，随后以≤80℃/小时的降温速率降温至400℃并出炉。

采用外车内镗进行后期精加工，精加工尺寸为Φ467×20×L₃(mm)。探伤采用超声波探伤和磁粉探伤。

该阶段的优势在于：(1)精锻机是多锤头以压应力为主的锻造方式，变形区域内的金属处于压应力状态下产生横向压缩和轴向延展，有效克服了传统锻造和轧制出现不可避免的横向宽展而引起的拉应力，因而避免了材料表面及内部裂纹的产生和扩展。由于材料锻造主要受三向压应力的影响，材料的塑性比传统锻造和轧制的材料高。(2)一火成型，与一般锻件回炉再烧相比，其综合性能大幅度提高。(3)精锻机锻造具有明显的温度效应，配合合理的锻造温度和变形速率，可以使材料在较小的温度区间范围内锻造，且克服了传统锻造多火锻造的劣势，减小了材料沿长度方向上的性能不均的弊端，可以得到非常均匀的组织和晶粒。(4)由于精锻机锻造兼顾横向压缩变形和轴向延展变形，钢管纵横向的性能差异性小，带状组织和纤维方向明显较其他制管方式有较大优势。(5)材料的变形方式智能化，减少了人为带来的操作失误，提高了产品的稳定性。(6)从材料的锻造变形角度来看，平均应变速率控制在0.01s^-1左右，此时需要控制变形温度和锻造频率，保证材料在再结晶温度内变形，这样可以极大地改善组织致密性，大幅度提高形核速率，并达到细化晶粒的目的。

下面将结合具体的示例来描述制造40MPa级超高压气瓶用锻制无缝钢管的方法。

通过上面描述的方法来制造试验炉号为1^#和2^#的40MPa级超高压气瓶用锻制无缝钢管。

在下面的表1中示出了试验炉号为1^#和2^#的原料钢材的化学成分(单位为wt％)，其余为铁和不可避免的杂质。

表1

在下面的表2和表3中分别示出了材料的力学性能指标及检验结果，其中，材料的力学性能标准要求见表2。

表2

注：冲击功Akv要求：(1)为-20℃的冲击功指标，(2)为-50℃的冲击功指标

表3

在下面的表4中示出了低温冲击检验结果。

表4

注：试样热处理制度为860℃油淬+610℃回火空冷

在下面的表5中示出了非金属夹杂物的检验结果。

表5

通过试验炉号1^#和2^#的检验结果，根据本发明的上述方法制造出的40MPa级超高压气瓶用锻制无缝钢管，其力学性能及材料的纯净度均能满足军工项目的设计要求，从而证实本发明的方法能够满足材料使用的要求。此外，由上可知，本发明的方法能够制造具有钢管口径大、厚度薄且容量大的锻制无缝钢管，并且产品的横纵向性能均匀一致。

Claims (6)

1.一种制造40MPa级超高压气瓶用锻制无缝钢管的方法，所述方法的工艺流程为：

偏心底电弧炉熔炼→钢包炉精炼→真空脱气精炼→浇注电渣自耗电极→电渣重熔→钢锭去应力退火→一次锻制管坯→退火→二次锻制成品管→退火→取样检验→内外车光→超声波探伤→磁粉探伤→外观检查，

其中，对电渣自耗电极残余有害元素要求为：Cu≤0.10％，S≤20ppm，P≤50ppm，[H]≤2ppm，[N]≤45ppm，电渣重熔进一步去除钢中的有害夹杂物、气体且使钢锭组织更加均匀致密，并且使得S≤10ppm，

在一次锻制管坯中，使钢锭经两次以上镦粗拔长→镦粗冲孔→扩孔，以使钢锭有效的破碎心部铸造组织横纵向组织均匀变形，然后使管坯进行缓冷或退火且避免直接空冷，

在二次锻制成品管中，控制锻造频率为120～180次/分钟，变形温度为950～1000℃，终锻温度≥800℃。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在一次锻制管坯中，当坯料温度偏低，锻造存在开裂危险时，将管坯回炉再烧，再烧温度为1050-1150℃，回炉再烧时间控制在90～120分钟。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，在一次锻制管坯中，在锻造时加热制度为：使管坯从≤600℃的初始温度用时3小时升至1150±10℃，并在此温度下保持1小时，随后开始锻造。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，在一次锻制管坯中，采用2000MN或4500MN快锻机进行锻制，在二次锻制管坯中，采用1800MN精锻机进行锻制。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，在二次锻制成品管后的退火中，采用的退火制度为：使管坯以≤80℃/小时的升温速率升温至680±10℃，并在此温度下保持10小时，随后以≤80℃/小时的降温速率降温至400℃并出炉空冷。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，在电渣重熔中，采用五元电渣渣系，所述五元电渣渣系包括：60～65％的CaF₂、15～22％的Al₂O₃、10～15％的CaO、1～3％的MgO和1～3％的SiO₂。