CN113278865A

CN113278865A - 一种高压气瓶的生产方法

Info

Publication number: CN113278865A
Application number: CN202110366469.7A
Authority: CN
Inventors: 冀鸰; 朱昊天; 李�灿
Original assignee: Jingjiang Special Steel Co Ltd
Current assignee: Jingjiang Special Steel Co Ltd
Priority date: 2021-04-06
Filing date: 2021-04-06
Publication date: 2021-08-20

Abstract

本发明涉及一种高压气瓶的生产方法，包括：步骤一、冶炼原料依次经转炉冶炼、精炼、真空脱气生产出满足成分要求的钢水；步骤二、钢水浇注成圆坯；步骤三、圆坯缓冷或直接温送至再加热炉，加热使充分奥氏体化后经穿轧毛管、带芯棒连轧成荒管、减定径机定径成型，制成无缝钢管，从圆坯至无缝钢管的总压缩比达到10以上，所述总压缩比＝圆坯的横截面积/无缝钢管的横截面积；步骤四、无缝钢管经下料、收底、收口后制成钢瓶；步骤五、钢瓶进行调质，调质工艺包括淬火和回火。本发明的气瓶材料成本低，并且采用连铸‑无缝管‑气瓶的生产路线，加工工艺简单，加工成本低。

Description

一种高压气瓶的生产方法

技术领域

本发明涉及气瓶制造，具体涉及一种兼具高强度与高韧性的高压气瓶的生产方法。

背景技术

高压气瓶用于充装氧气、氮气、氩气、氦气、氢气等压缩气体，在工业、民用和国防等领域广泛使用，其使用的工作压力主要有15MPa和20MPa，这些气瓶设计壁厚较厚，空瓶质量较重，不仅浪费材料资源，而且运输成本大、人员操作、移动非常不便。近几年国内外均开始使用工作压力为30MPa的高压气瓶。这种高压气瓶的设计壁厚比使用一般材料制造的高压气瓶大大减薄，这样不仅实现了高压气瓶的轻量化，节约了资源，减少了运输和搬运过程中的损耗，更重要的是提高了单个高压气瓶的气体装载量，从而提高了气体使用效率，减少更换费用和因频繁使用造成的批料失效损失。

根据ISO 9809-2《Gas cylinders-refillable seamless steel gas cylinders-Design,construction and testing-Part 2；Quenched and tempered steel cylinderswith tensile strength greater than or equal to 1100MPa》标准要求，工作压力30MPa高压气瓶需要达到以下机械性能：

注：①当气瓶材料冲击韧性仅达到该值时，气瓶批量试验时需要补充裂纹爆破试验

欧美等先进国家已经开发了能够满足以上要求的钢种，例如将Mo含量提高至0.40％-0.55％或V含量提高至0.03％-0.05％的34CrMo4，但性能余量不多，仅达到注①的要求，使用的34CrNiMo8，38CrNi3MoVA等钢合金含量很高，十分不经济。国内有厂家通过在34CrMo4基础上提Mo、加V等成分设计高压气瓶用钢，但后续都需要配合模铸锭锻造、冲压、钢管冷旋压等大变形工艺，不但工艺流程长，而且制造成本高。

发明专利CN201611218735.7公布了一种高强度高韧性气瓶用无缝钢管及生产方法，该无缝钢管的成分按重量百分比为：C：0.30～0.40％，Si：0.17～0.37％，Mn：0.60～0.80％，Cr：0.85～1.20％，Mo：0.20～0.30％，Ni：0.1～0.4％，W：0～0.01％，P 0％～0.020％，S 0％～0.010％，Cu 0～0.25％，Ti 0～0.05％，V 0％-0.2％，Al：0.005-0.050％，余量为铁。该技术采用模铸+锻造方式生产钢管用坯料，模铸锭成材率低，锻造成本又高，导致气瓶生产成本很高。

专利CN201110383257.6公布了一种高强度气瓶用合金钢、气瓶及其制备方法，成分按重量百分比为C：0.30～0.38％，Si：0.15～0.37％，Mn：0.60～0.90％，Cr：0.80～1.20％，Mo：0.15～0.30％，Al：0.01-0.05％，Ti：0.00～0.25％，Nb 0.02～0.25％，W：0.03～0.20％，Ni：0.1～0.4％，P≤0.010％，S≤0.010％，Ti+Nb≥0.07％，Ca：0.002～0.004％，N≤0.035％，其余为Fe和不可避免的杂质。该发明专利中Ti对纯净度不利、Nb、W成本很高，并且需采用连铸方坯+轧制+冲拔的大变形工艺生产气瓶，导致气瓶生产成本很高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种合金含量较少的工作压力为30MPa以上的高压气瓶，取代高Mo、高Ni的34CrNiMo8、38CrNi3MoVA等高成本合金钢，降低高压气瓶的材料成本。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种高压气瓶的生产方法，包括如下步骤：

步骤一、冶炼原料依次经转炉冶炼、精炼、真空脱气生产出满足成分要求的钢水；

步骤二、钢水浇注成圆坯；

步骤三、圆坯缓冷或直接温送至再加热炉，加热使充分奥氏体化后经穿轧毛管、带芯棒连轧成荒管、减定径机定径成型，制成无缝钢管，从圆坯至无缝钢管的总压缩比达到10以上，所述总压缩比＝圆坯的横截面积/无缝钢管的横截面积；

步骤四、无缝钢管经下料、收底、收口后制成钢瓶；

步骤五、钢瓶进行调质，调质工艺包括淬火和回火，淬火加热温度为820～920℃，在炉时间为30～90min，水冷或油冷；回火加热温度为580～680℃，在炉时间为30～120min，空冷或水冷，调质后钢管的组织为回火索氏体组织。

优选地，本申请用于生产高压气瓶的钢水目标元素成分按质量百分比计为C：0.25～0.40％，Si：0.10～0.60％，Mn：0.50～1.50％，Cr：0.65～1.50％，Mo：0.20～0.60％，Ni：0.10～1.0％，P≤0.015％，S≤0.005，V：0.03～0.15％，Al：0.030～0.060％，B:0.0010～0.0050％，Ti≤0.010％，N≤0.0040％,余量为Fe及不可避免的杂质元素。

本发明的气瓶的化学成分是这样确定的:

C：增加材料淬透性、强度和硬度，但降低塑性和韧性，升高韧脆转变温度，本发明采用中碳含量。本发明控制其含量为0.25～0.50％。

Si：是钢中的脱氧元素，并以固溶强化形式提高钢的强度。Si含量低于0.10％时，脱氧效果较差，Si含量较高时降低韧性。本发明Si含量控制为0.10～0.60％。

Mn：是提高钢淬透性的元素，并起固溶强化作用提高钢材的强度。但过量的Mn易降低钢材塑、韧性，为了达到强度、塑性、韧性的匹配，本发明Mn含量控制在0.50～1.50％。

Cr、Mo：增加材料淬透性及强韧性，Mo还具有降低韧脆转变温度，抑制回火脆性，阻碍P偏析等作用，但Mo属于贵金属，添加量过高会拉高制造成本，因此，本发明将Cr含量控制在0.65～1.50％，Mo含量控制在0.20～0.60％。

Ni：Ni是提高钢的淬透性并可以显著改善其低温韧性的元素，对冲击韧性和韧脆转变温度具有良好的影响，但Ni是贵重金属，含量过高会增加成本，本发明Ni含量控制在0.10-1.00％。

V：是使V(C，N)析出的元素，在钢管轧制和气瓶奥氏体化时可起到阻止奥氏体晶粒长大、细化晶粒和析出强化的作用；同时添加V可提高气瓶的抗回火能力，即提高了气瓶的回火温度，避开了550℃附近的回火脆性区间，改善产品的冲击韧性。但过高的V会恶化钢材的热塑性，导致连铸裂纹，提高钢管轧制时的变形抗力，并降低气瓶的韧性，因此其含量控制在V：0.03-0.15％。

B：是提高钢的淬透性最为显著的元素，在气瓶淬火过程中抑制铁素体、贝氏体析出，获得更高的回火索氏体比例，从而保证最佳强度和韧性的匹配。本发明专利中B含量控制在0.0010-0.0050％。

Al：Al是钢中重要的脱氧剂，并且可与钢中的残余N结合，在晶粒内部形成AlN颗粒，从而减少B与N的反应，充分发挥B的提高淬透性的作用，本发明Al含量控制在0.015-0.060％。

Ti、N:N会与钢水中的B反应生成BN，削弱B提高淬透性的作用，加Ti固N虽然可避免BN的生成，但同时会生成危害疲劳寿命及冲击韧性的棱角状大颗粒TiN夹杂，控制N含量上限可减少Ti的添加量，减少TiN夹杂含量，本发明采用Al代替Ti进行固氮，Ti、N均作为有害残余元素，需尽量减少，含量分别控制在Ti≤0.010％、N≤0.0040％；

P、S：P、S均是有害的残余元素，P会提高材料的冷脆性，S与Mn结合，大变形后形成长条状的MnS夹杂，降低横向冲击性能。本发明P、S作为有害残余元素，需尽量减少，分别控制在≤0.015％，≤0.005％。

与现有技术相比，本发明的优点在于：通过严控钢水中的Ti、N，添加少量的微合金元素V、B和合金元素Mo、Ni，并采用圆坯大变形量穿管的方式生产30MPa以上工作压力的高压气瓶，在保证满足ISO 9809-2标准中抗拉强度≥1100Mpa、延伸率≥12％以及-50℃akv≥60J/cm²的性能等机械及物理性能要求的基础上，降低了高压气瓶的材料成本和制造工艺成本。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

各实施例涉及的高强气瓶按如下步骤进行制造：

1、采用低P、S铁水、低Ti合金原料依次经转炉冶炼、LF精炼、并经RH真空脱气，生产出低Ti、P、S、N的钢水；

2、钢水浇注成φ200-350mm连铸圆坯；

3、连铸圆坯经300～600℃温送或入缓冷坑缓冷32小时以上出坑；

4、将连铸圆坯加热至1150～1280℃，保温3～10小时，出炉；

5、在1100～1150℃的温度范围内将坯料穿孔，制成(φ200-φ500mm)×(17-25mm)毛管；

6、将毛管在1000-1100℃带芯棒轧制，采用连轧方式制成(φ116-φ360mm)×(4.5-10mm)荒管；

7、脱出芯棒后将荒管在减定径机组上定径成型，制成(φ114-φ356mm)×(4-10mm)无缝钢管，从连铸圆坯至无缝钢管的总压缩比(坯料横截面积/无缝管横截面积)达到10以上；

8、无缝钢管经下料、收底、收口后制成钢瓶；

9、钢瓶经调质获得回火索氏体组织，调质工艺包括淬火和回火，淬火加热温度为820～920℃，在炉时间为30～90min，水淬或油淬；回火加热温度为580～680℃，在炉时间为30～120min，空冷或水冷。

实施例1-4以及比较案例1-3的化学成分wt％如表1所示，他们的制造工艺以及机械性能如表2所示。

根据表1和表2可以看出，比较例1、2成分设计上添加了较高的Ti、Nb、W，采用了Ca处理，配合连铸坯-轧制中间坯-冲压的工艺路线，制造工艺复杂，流程长，成本高；比较例3添加了Ni、V，合金成本高，采用模铸锭-锻造-无缝管-气瓶的工艺路线，整体工艺流程长，成材率低，加工成本偏高；本发明的气瓶与比较例相比，合金成本较少或相当，材料成本低，并且采用连铸-无缝管-气瓶的工艺路线，加工工艺简单，加工成本低，适合大批量生产，其抗拉强度可＞1100MPa，-50℃冲击韧性＞60J/cm²，满足ISO 9809-2标准要求，达到高压气瓶可承受压力高、容积大、重量轻的目的，实现了气瓶高容重比，可广泛应用于工业、矿业、军事、医药、潜水等领域。

表1

表2

Claims

1.一种高压气瓶的生产方法，其特征在于：

步骤二、钢水浇注成圆坯；

步骤四、无缝钢管经下料、收底、收口后制成钢瓶；

步骤五、钢瓶进行调质，调质工艺包括淬火和回火。

2.根据权利要求1所述的高压气瓶的生产方法，其特征在于：步骤一中，钢水的目标元素成分按质量百分比计为C：0.25～0.40％，Si：0.10～0.60％，Mn：0.50～1.50％，Cr：0.65～1.50％，Mo：0.20～0.60％，Ni：0.10～1.0％，P≤0.015％，S≤0.005，V：0.03～0.15％，Al：0.030～0.060％，B:0.0010～0.0050％，Ti≤0.010％，N≤0.0040％,余量为Fe及不可避免的杂质元素。

3.根据权利要求1所述的高压气瓶的生产方法，其特征在于：步骤二、三中，圆坯的规格为φ200-350mm，经穿轧扩径制成外径×壁厚为(φ200-φ500mm)×(17-25mm)的毛管，毛管带芯棒连轧成外径×壁厚为(φ116-φ360mm)×(4.5-10mm)的荒管，荒管在在减定径机组上定径成型，制成外径×壁厚为(φ114-φ356mm)×(4-10mm)的无缝钢管。

4.根据权利要求1所述的高压气瓶的生产方法，其特征在于：步骤三中，圆坯入缓冷坑缓冷32小时以上出坑，或者经300～600℃温送。

5.根据权利要求1所述的高压气瓶的生产方法，其特征在于：步骤三中，圆坯在加热炉中加热至1150～1280℃，保温3～10小时，出炉。

6.根据权利要求1所述的高压气瓶的生产方法，其特征在于：步骤三中，在1100～1150℃的温度范围内将圆坯穿孔并通过扩径轧制制成毛管。

7.根据权利要求1所述的高压气瓶的生产方法，其特征在于：步骤三中，毛管在1000～1100℃带芯棒轧制成荒管。

8.根据权利要求1所述的高压气瓶的生产方法，其特征在于：步骤五中，淬火加热温度为820～920℃，在炉时间为30～90min，水冷或油冷；回火加热温度为580～680℃，在炉时间为30～120min，空冷或水冷，调质后钢管的组织为回火索氏体组织。

9.根据权利要求2所述的高压气瓶的生产方法，其特征在于：基于钢水的元素成分，所述生产方法生产出的钢瓶，机械性能满足抗拉强度≥1100Mpa、延伸率≥12％以及-50℃akv≥60J/cm²。