CN105506473B - ‑100℃低温用无缝钢管及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无缝钢管领域，具体涉及一种‑100℃低温用无缝钢管及其生产方法。本发明提供一种‑100℃低温用无缝钢管，其化学成分按重量百分比计为：C 0.06～0.10％、Si0.21～0.33％、Mn 0.48～0.58％、P≤0.008％、S≤0.004％、Ni 3.4～3.7％、Al 0.03～0.06％、余量为Fe和不可避免的杂质。本发明所得无缝钢管在‑100℃具有良好的冲击韧性和力学性能。

Description

-100℃低温用无缝钢管及其生产方法
技术领域
本发明属于无缝钢管领域，具体涉及一种-100℃低温用无缝钢管及其生产方法。
背景技术
随着我国经济的高速发展，国内石油、化工等能源行业需要大量低温用钢来制造各种液化石油气、液氨、液氧、液氮的生产及存储设备。由于液化天然气具有可燃性和超低温性，与一般低温压力容器相比，其存储和运输用钢管必须具备强度、热应力与应变、焊接性能和抗腐蚀等综合特性，还要求材料具有抗脆性裂纹扩展性能，对钢管的冶金质量和热处理工艺要求极其严格。
CN101235466A发明专利提供了一种高韧性-110℃低温钢及其制造方法，其化学成分组成为C0.02～0.12％、Si 0.10～0.35％、Mn0.30～0.80％、P≤0.015％、S≤0.010％、Ni3.2～3.8％、Al0.005～0.10％、Ti0.005～0.05％，此外还含有Mo≤0.50％、V≤0.10％、Nb≤0.05％、Cu≤2.0％、Zr≤0.040％、RE≤0.020％中的两种或两种以上，余量为Fe。
CN103320694发明专利提供了一种温度不高于-101℃级别的低温用钢，其化学成分组成为C0.03～0.08％、Si 0.10～0.50％、Mn0.60～1.2％、P≤0.010％、S≤0.010％、Ni2.0～2.95％、Mo0.066～0.104％、Nb0.042～0.06％、Ti0.01～0.06％，其余量为Fe和不可避免的杂质。
CN103131963A发明专利提供了低温用无缝钢管材料及其制备方法，其化学成分组成为C0.08～0.12％、Si 0.20～0.35％、Mn0.40～0.6％、P≤0.02％、S≤0.01％、Ni 3.3～3.8％、Mo≤0.1％、Cr≤0.1％，V0.002～0.005％，其余量为Fe，各成分质量分数共计为100％。
以上三个专利的化学成分组成中添加了贵重合金元素Mo、Nb、V、Ti、Cu、RE等元素，增加产品生产成本，不利于产品的市场发展和推广应用；Ti虽然能够细化晶粒，但是加入Ti时也容易形成不规则的TiN夹杂，降低产品的冲击韧性；RE金属极易氧化，在加入RE时，一旦控制不好，容易形成稀土的氧化物夹杂，降低产品的冲击韧性。而且上面三个专利都是采用长流程生产工艺铁水预处理、转炉等方法生产，其中有两个专利生产的都是钢板材料，而钢板的生产工艺与无缝钢管完全不同，因此生产-100℃低温用无缝钢管对化学成分和钢质纯净度要求与板材也不相同，而且化学成分、钢质纯净度和制造方法与产品的低温冲击性能密切相关。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种-100℃低温用无缝钢管，该无缝钢管在-100℃具有良好的冲击韧性和力学性能。
本发明的技术方案：
本发明提供一种-100℃低温用无缝钢管，其化学成分按重量百分比计为：C 0.06～0.10％、Si 0.21～0.33％、Mn 0.48～0.58％、P≤0.008％、S≤0.004％、Ni 3.4～3.7％、Al 0.03～0.06％、余量为Fe和不可避免的杂质。
进一步的，所述-100℃低温用无缝钢管，其化学成分按重量百分比计优选为：C0.075％，Si 0.27％，Mn 0.53％，P 0.005％，S 0.001％，Ni 3.6％，Al 0.04％，余量为Fe和不可避免的杂质；或：
其化学成分按重量百分比计优选为：C 0.06％，Si 0.33％，Mn 0.58％，P0.008％，S 0.004％，Ni 3.7％，Al 0.03％，余量为Fe和不可避免的杂质；或：
其化学成分按重量百分比计优选为：C 0.10％，Si 0.21％，Mn 0.48％，P0.006％，S 0.002％，Ni 3.64％，Al 0.06％，余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明还提供了生产上述超低温用无缝钢管的方法，工艺流程包括：原料依次经高阻抗超高功率电弧炉冶炼→LF精炼→VD真空处理→圆坯连铸→钢管轧制→热处理；其中，
钢管轧制即将管坯轧制成无缝钢管，包括管坯加热、穿孔和MPM轧制管坯工序，所述管坯加热在环形炉中加热，所述环形炉中保持还原性气氛，所述坯料加热的时间为320～360min，并且所述坯料加热后出炉的坯料温度为1230～1240℃；所述MPM轧制管坯工序中，控制轧机出口速度为2.8～3.0m/s，芯棒的限动速度为2.4～2.5m/s；
热处理工序中，采用正火处理，正火温度830～840℃，保温时间50～60分钟。
进一步，所述LF精炼工序中，采用石灰和合成渣造渣，石灰和合成渣的总质量占钢水质量的1.2～1.8％；其中，石灰和合成渣的质量百分比为：石灰80～90％，合成渣10～20％，合成渣的成分为CaO 60～68％、Al2O3 15～20％、CaF2 10～15％、SiO2≤5％、MgO≤3％、S≤0.1％。
进一步，上述方法中，圆坯连铸后所得管坯的T[O]含量：12～15ppm，管坯稳定的非金属夹杂物总量：25～45ppm。
进一步，所述管坯加热过程中，环形炉内管坯料与管坯料的间距为860mm。
进一步，所述管坯加热分为预热段、加热段和均热段；所述预热段是在温度为565～785℃的条件下预热≥90min；所述加热段分为加热1段、加热2段、加热3段，所述加热1段是在温度为1160～1220℃的条件下加热40～50min，所述加热2段是在温度为1230～1240℃的条件下加热40～50min，所述加热3段是在温度为1255～1265℃的条件下加热40～50min；所述均热段在温度为1250～1260℃的条件下均热110～120min。
更进一步，所述加热段的加热速率为10～60℃/h，所述均热段的加热速率为5～5.45℃/h。
进一步，上述穿孔工序中，控制穿孔后得到的毛管平直。进一步，上述MPM轧制管坯是将温度为90～110℃的芯棒插入到温度≥1100℃的毛管上进行轧制。
更进一步，所述MPM轧制管坯得到的荒管壁厚极差≤3.0mm。
进一步，所述MPM轧制管坯过程中，所述芯棒在待穿位置的温度在80℃～100℃。
更进一步，所述MPM轧制管坯过程中，需控制轧机出口速度为3.5m/s。
本发明的有益效果：
本发明低温用无缝钢管的力学性能和-100℃低温冲击韧性完全满足-100℃低温用无缝钢管的技术要求，生产流程短、工艺简单，成本低，产品市场竞争力强，可进行批量生产；本发明为石油炼化、液化石油气、液氨、液氧、液氮等石油化工行业的生产和存储设备用低温无缝钢管提供了一种新的选择，具有广阔的应用前景。
具体实施方式
本发明提供一种-100℃低温用无缝钢管，其化学成分按重量百分比计为：C 0.06～0.10％、Si 0.21～0.33％、Mn 0.48～0.58％、P≤0.008％、S≤0.004％、Ni 3.4～3.7％、Al 0.03～0.06％、余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明选取的化学成分控制范围能够保证无缝钢管的常温拉伸性能和-100℃冲击韧性达到最佳，C、P、S、Al超过成分控制范围的上限，-100℃冲击韧性低，C低于成分控制范围的下限，常温拉伸性能低。
本发明中，由于Al既可用作炼钢时的脱氧剂、定氮剂，并且细化晶粒，阻抑低碳钢的时效，提高钢在低温下的韧性，又可作为合金化元素加入钢中，提高钢的抗氧化性。但是Al含量过高会形成大量的AlN夹杂，影响产品的低温韧性，Al含量过低，起不到细化晶粒的作用，因此在化学成分中添加0.03～0.06％的Al。进一步的，为了使钢管-100℃低温冲击韧性更好，本发明所述-100℃低温用无缝钢管，其化学成分按重量百分比计优选为：C0.075％，Si 0.27％，Mn 0.53％，P 0.005％，S 0.001％，Ni 3.6％，Al 0.04％，余量为Fe和不可避免的杂质；或：
其化学成分按重量百分比计优选为：C 0.06％，Si 0.33％，Mn 0.58％，P0.008％，S 0.004％，Ni 3.7％，Al 0.03％，余量为Fe和不可避免的杂质；或：
其化学成分按重量百分比计优选为：C 0.10％，Si 0.21％，Mn 0.48％，P0.006％，S 0.002％，Ni 3.64％，Al 0.06％，余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明还提供了生产上述低温用无缝钢管的方法，工艺流程包括：原料依次经高阻抗超高功率电弧炉冶炼→LF精炼→VD真空处理→圆坯连铸→钢管轧制→热处理；其中，
钢管轧制即将管坯轧制成无缝钢管，包括管坯加热、穿孔和MPM轧制管坯工序，所述管坯加热在环形炉中加热，所述环形炉中保持还原性气氛，所述坯料加热的时间为320～360min，并且所述坯料加热后出炉的坯料温度为1230～1240℃；所述MPM轧制管坯工序中，控制轧机出口速度为2.8～3.0m/s，芯棒的限动速度为2.4～2.5m/s；
热处理工序中，采用正火处理，正火温度830～840℃，保温时间50～60分钟。
进一步，所述管坯加热过程中，坯料在环形炉中加热，所述坯料与坯料前后空6～8排位置，即在环形炉内坯料与坯料的间距为860mm，是为了确保其他坯料温度不影响正在加热坯料的加热温度，并且在环形炉中加热需要保证中慢速均匀加热，确保均热效果，加热不得出现因加热不均产生阴阳面、加热不透、过热、过烧现象；若生产不正常和临时停轧时间较长(20min以上)时，应适当降低炉温至温度≤1240℃，停轧40min以上时降低炉温至温度≤1230℃，停轧60min以上时降低炉温至温度＜1160℃，并经常转动炉底。
在坯料的加热过程中应充分保证坯料的加热时间，若总的加热时间低于320min，其钢坯组织不能完全奥氏体化；若总的加热时间高于360min，会造成奥氏体晶粒度粗大，上述两种情况对低温冲击，尤其是-100℃低温冲击影响很大。
生产上述无缝钢管的其余步骤与常规无缝钢管的生产方法相同。
根据不同的生产规格，选配相应的穿孔顶头尺寸，穿孔后需保证毛管目视平直，全长外径大小一致。
下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步的描述，并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例本发明低温用无缝钢管的生产
本实施例目的是制备外径为Φ356mm，外径允许公差(-0.8mm，+2.4mm)，壁厚24mm，长度≥6mm，壁厚允许公差为±12.5％，椭圆度≤1.5％，壁厚不均度≤3.0mm的-100℃低温无缝钢管。
生产工艺流程：原料经高阻抗超高功率电弧炉冶炼→LF精炼→VD真空处理→圆坯连铸→轧管→热处理→检验→包装入库，具体为：
1、冶炼管坯(高阻抗超高功率电弧炉冶炼→LF精炼→VD真空处理→圆坯连铸)：
(1)电弧炉采用废钢和生铁作原料，废钢占55～65wt％，生铁占35～45wt％，用70吨高阻抗超高功率电弧炉冶炼钢水；控制电弧炉钢水终点碳≤0.04％和磷≤0.003％，在电弧炉出钢过程中加入Al球3.3～3.8kg/t钢、CaBaAlSi复合脱氧剂2.0～2.5kg/t钢进行预脱氧，电弧炉出钢前加入25～28kg/t钢的Ni板到钢包中，随钢包进行烘烤，烘烤温度大于800℃，去除Ni板中的氢含量；电弧炉出钢温度1630～1650℃，采用偏心炉底出钢(EBT)。
(2)钢水到LF精炼炉工位时，采用80～90％的石灰和10～20％合成渣(合成渣的成分为CaO 60～68％、Al2O3 15～20％、CaF2 10～15％、SiO2≤5％、MgO≤3％、S≤0.1％)混合造泡沫渣，采用大渣量操作，渣量占钢水重量的1.2～1.8％，快速脱硫、脱氧、去气、去夹杂，调整钢种需要的合金成分；LF精炼结束后，用喂丝机喂入0.10～0.20kg/t钢的纯Ca线对夹杂物进行变性处理，使钢水中的夹杂物变性为球形；Ca处理后，采用钢包底吹氩气对钢水进行静吹，静吹时间15min以上，吹氩强度使钢水不裸露。出钢的温度为1640～1660℃。
(3)将LF精炼钢水送到VD工位进行抽真空处理，在真空度小于67Pa的条件下，保持时间大于15min，直至炉渣不再发泡时停止抽真空，打开真空盖，利用钢包底吹氩对钢水进行静吹，静吹时间大于18min。
(4)采用圆坯连铸机浇铸成连铸圆坯，在连铸过程中，采用全程保护浇铸，解决钢水吸气和钢水二次氧化问题。采用大容量中间包(例如，容量为20吨)让夹杂物充分上浮。浇铸成的连铸圆坯，直接用于轧管。
冶炼管坯的化学成分按重量百分比，见表1。
表1 管坯化学成分(％)
样号 C Si Mn Ni P S Al
1 0.06 0.33 0.58 3.7 0.008 0.004 0.03
2 0.075 0.27 0.53 3.6 0.005 0.001 0.04
3 0.10 0.21 0.48 3.4 0.006 0.002 0.06
所得管坯的T[O]含量：12～15ppm，管坯稳定的非金属夹杂物总量：25～45ppm。
2、钢管轧制
将连铸所得圆坯经坯料断料→坯料加热→穿孔→340mmMPM轧制管坯→热锯头尾→冷却工序，控制管坯加热、穿孔和MPM轧制过程中满足下述工艺条件：
管坯加热采用环形炉加热，加热是在环形加热炉中还原性气氛下进行的加热，坯料之间前后空6排，炉内坯料间距为860mm放置；并且所述坯料加热具体是包括预热段、加热段和均热段；预热段是在温度为565～785℃的条件下预热≥90min；加热段分为加热1段、加热2段、加热3段，所述加热1段是在温度为1160～1220℃的条件下加热40～50min，所述加热2段是在温度为1230～1240℃的条件下加40～50min，所述加热3段是在温度为1255～1265℃的条件下加热40～50min；所述均热段在温度为1250～1260℃的条件下均热110～120min；环形炉炉温必须保证出炉管坯温度：1230～1240℃；所述加热段的加热速率为10～60℃/h，所述均热段的加热速率为5～5.45℃/h；
穿孔过程中，选择的穿孔工艺参数如下：圆管坯规格为Φ350mm、毛管外径为Φ428mm、入口导筒内径为370mm、导盘宽度为304mm、顶头直径为321mm、顶头长度为780mm，顶杆直径为320mm、脱管环内径为357mm；
MPM轧制管坯的连轧管机组孔型及尺寸控制如下：规格为Φ356mm×24mm、锯切后长度为10～10.3m、外径偏差(-0.5，+2.4)mm、壁厚偏差为(-8～+12.5)％、壁厚横断面极差≤2.7mm。
利用本实施例的制备方法制备得到的轧制管坯具体参数如表2所示。
表2 本实施例制备方法制备得到的轧制管坯的具体参数
3、钢管热处理
步骤2所得钢管采用正火热处理，细化晶粒，保证低温冲击韧性，正火温度830～840℃，保温时间50～60分钟。
4、钢管性能检测：
钢管性能检测结果见表:3：
表3 本发明无缝钢管常温力学性能、冲击韧性
从表2～3可以看出，本发明生产的低温用无缝钢管抗拉强度不低于525Mpa，屈服强度不低于387Mpa，伸长率不低于31％，-100℃冲击值平均不低于68J；本发明生产的低温用无缝钢管具有良好的的抗拉强度、屈服强度、伸长率和低温冲击韧性，完全满足石油、化工等行业-100℃低温用无缝钢管产品的性能要求，具有良好的推广应用前景。

Claims (17)

1.-100℃低温用无缝钢管，其特征在于，其化学成分按重量百分比计为：C 0.06～0.10％、Si 0.21～0.33％、Mn 0.48～0.58％、P≤0.008％、S≤0.004％、Ni 3.4～3.7％、Al0.03～0.06％、余量为Fe和不可避免的杂质；
其生产方法为：原料依次经高阻抗超高功率电弧炉冶炼→LF精炼→VD真空处理→圆坯连铸→钢管轧制→热处理；其中LF精炼工序中，采用石灰和合成渣造渣，石灰和合成渣的总质量占钢水质量的1.2～1.8％，石灰和合成渣的质量百分比为：石灰80～90％，合成渣10～20％，合成渣的成分为CaO 60～68％、Al2O3 15～20％、CaF2 10～15％、SiO2≤5％、MgO≤3％、S≤0.1％。
2.根据权利要求1所述-100℃低温用无缝钢管，其特征在于，所述-100℃低温用无缝钢管，其化学成分按重量百分比计为：C 0.075％，Si 0.27％，Mn 0.53％，P 0.005％，S0.001％，Ni 3.6％，Al 0.04％，余量为Fe和不可避免的杂质；或：
其化学成分按重量百分比计为：C 0.06％，Si 0.33％，Mn 0.58％，P 0.008％，S0.004％，Ni 3.7％，Al 0.03％，余量为Fe和不可避免的杂质；或：
其化学成分按重量百分比计为：C 0.10％，Si 0.21％，Mn 0.48％，P 0.006％，S0.002％，Ni 3.64％，Al 0.06％，余量为Fe和不可避免的杂质。
3.权利要求1或2所述-100℃低温用无缝钢管的生产方法，原料依次经高阻抗超高功率电弧炉冶炼→LF精炼→VD真空处理→圆坯连铸→钢管轧制→热处理；其特征在于，
钢管轧制即将管坯轧制成无缝钢管，包括管坯加热、穿孔和MPM轧制管坯工序，所述管坯加热在环形炉中加热，所述环形炉中保持还原性气氛，管坯加热时间为320～360min，并且所述管坯加热后出炉温度为1230～1240℃；所述MPM轧制管坯工序中，控制轧机出口速度为2.8～3.0m/s，芯棒的限动速度为2.4～2.5m/s；
热处理工序中，采用正火处理，正火温度830～840℃，保温时间50～60分钟。
4.根据权利要求3所述-100℃低温用无缝钢管的生产方法，其特征在于，圆坯连铸后所得管坯的T[O]含量为12～15ppm，管坯稳定的非金属夹杂物含量为25～45ppm。
5.根据权利要求3所述-100℃低温用无缝钢管的生产方法，其特征在于，所述管坯加热过程中，环形炉内管坯料与管坯料的间距为860mm。
6.根据权利要求4所述-100℃低温用无缝钢管的生产方法，其特征在于，所述管坯加热过程中，环形炉内管坯料与管坯料的间距为860mm。
7.根据权利要求3所述-100℃低温用无缝钢管的生产方法，其特征在于，所述管坯加热分为预热段、加热段和均热段；所述预热段是在温度为565～785℃的条件下预热≥90min；所述加热段分为加热1段、加热2段、加热3段，所述加热1段是在温度为1160～1220℃的条件下加热40～50min，所述加热2段是在温度为1230～1240℃的条件下加热40～50min，所述加热3段是在温度为1255～1265℃的条件下加热40～50min；所述均热段在温度为1250～1260℃的条件下均热110～120min。
8.根据权利要求7所述-100℃低温用无缝钢管的生产方法，其特征在于，所述加热段的加热速率为10～60℃/h，所述均热段的加热速率为5～5.45℃/h。
9.根据权利要求3所述-100℃低温用无缝钢管的生产方法，其特征在于，穿孔工序中，控制穿孔后得到的毛管平直。
10.根据权利要求7所述-100℃低温用无缝钢管的生产方法，其特征在于，穿孔工序中，控制穿孔后得到的毛管平直。
11.根据权利要求3所述-100℃低温用无缝钢管的生产方法，其特征在于，所述MPM轧制管坯是将温度为90～110℃的芯棒插入到温度≥1100℃的毛管上进行轧制。
12.根据权利要求7所述-100℃低温用无缝钢管的生产方法，其特征在于，所述MPM轧制管坯是将温度为90～110℃的芯棒插入到温度≥1100℃的毛管上进行轧制。
13.根据权利要求3所述-100℃低温用无缝钢管的生产方法，其特征在于，所述MPM轧制管坯得到的荒管壁厚极差≤3.0mm。
14.根据权利要求7所述-100℃低温用无缝钢管的生产方法，其特征在于，所述MPM轧制管坯得到的荒管壁厚极差≤3.0mm。
15.根据权利要求3所述-100℃低温用无缝钢管的生产方法，其特征在于，所述MPM轧制管坯过程中，所述芯棒在待穿位置的温度在80℃～100℃。
16.根据权利要求7所述-100℃低温用无缝钢管的生产方法，其特征在于，所述MPM轧制管坯过程中，所述芯棒在待穿位置的温度在80℃～100℃。
17.根据权利要求11所述-100℃低温用无缝钢管的生产方法，其特征在于，所述MPM轧制管坯过程中，所述芯棒在待穿位置的温度在80℃～100℃。
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