CN113528976A - 一种非调质无表面裂纹棒材及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种非调质无表面裂纹棒材及其制备方法。所述棒材化学成分，按重量百分数计，包括：C：0.28～0.40％，Si：0.20～0.40％，Mn：1.50～2.00％，P：≤0.015％，S：≤0.005％，V：0.10％～0.20％，Al：≤0.030％，Sn：≤0.020％，As：≤0.020％，Pb：≤0.020％，Sb：≤0.020％，Bi：≤0.020％，余量为Fe及不可避免的杂质。本发明非调质钢表面易出现裂纹，通过对炼钢连铸轧钢工艺进行优化，避免出现表面裂纹，保证探伤一次合格。

Description

一种非调质无表面裂纹棒材及其制备方法

技术领域

本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种非调质无表面裂纹棒材及其制备方法。

背景技术

微合金非调质钢是在20世纪70年代随着世界性的石油危机发生，在节省能源、降低成本等愿景的推动而发展起来的，它主要是简化工艺省去调质处理，以代替部分中碳调质钢。微合金非调质钢与传统调质钢相比可以节省25％以上的生产成本，这是微合金非调质钢发展的主要驱动力。此外，微合金非调质钢还具有节约能源、简化生产工艺、缩短生产周期、提高材料利用率、减少机械性能偏差、改善切削和加工性能、避免传统调质钢淬火及校直过程中产生的废品等诸多优点。因而，微合金非调质钢一经发现，便迅速发展了起来。

起初，采用中碳-MnCr-Mo系的贝氏体型非调质钢，由于冲击韧性极差，曾酿成多起重大事故。后逐渐发展为中碳-锰微合金化的铁素体+珠光体型细晶粒钢，主要添加适量的V和少量的Ti、N等元素，通过大量V的碳氮化物弥散析出沉淀强化作用，以及细小的铁素体+珠光体组织，来获得高的强度和良好的韧性。但是，V的碳氮化物会降低钢的塑性，棒材表面裂纹的发生率比普碳钢高。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术的不足，提供了一种非调质无表面裂纹棒材的制备方法。

本发明提供一种非调质无表面裂纹棒材，按重量百分数它具有如下化学成分：C：0.28～0.40％，Si：0.20～0.40％，Mn：1.50～2.00％，P：≤0.015％，S：≤0.005％，V：0.10％～0.20％，Al：≤0.030％，Sn：≤0.020％，As：≤0.020％，Pb：≤0.020％，Sb：≤0.020％，Bi：≤0.020％，余量为Fe及不可避免的杂质。

依据降碳增锰的原则，研究合适的Mn/C比，确保钢管组织、强度和韧性控制在较理想的水平。

在油井管用钢中加入锰，可以弥补由于碳含量降低而引起的强度降低。锰在钢中与铁互溶，形成固溶体，部分和铁、碳化合，形成渗碳体，提高钢中铁素体和奥氏体的强度和硬度。锰同时还能够推迟铁素体→珠光体的转变，并降低贝氏体的转变温度，有利于形成细晶组织，最终达到提高钢的强度和韧性的作用。油井管用钢不仅要求高强度和良好的韧性，由于其特殊的螺纹连接方式，同时还需要良好的车削加工性能和耐磨性，需要碳含量尽量低，锰含量尽量高。因此碳含量控制在0.28～0.40％，Mn：1.50～2.00％，控制合适的锰碳比，优选碳含量控制在0.32～0.37％，Mn：1.50～1.75％。

33Mn2V油井管用钢属中碳非调质锰钒钢，钒是最常用而又有效的强化元素，主要依靠碳、锰、钒元素固溶强化，钢的强化机制主要是细晶强化和沉淀强化。C、N元素与V形成结构简单的间隙相VN、VC。在这些间隙相中，金属原子V总是排列为面心立方，而非金属原子C、N则充填在晶体中的间隙位置。在含钒的非调质钢中，氮是一种十分有益的元素，氮能促进V(C，N)的析出，减小析出相尺寸，使钒的沉淀强化作用得以充分发挥。在洁净度允许的情况下，尽量提高钢材中氮的含量。控制钒含量0.10～0.20％之间，优选钒含量0.10～0.14％。

硅对油井管的影响，与锰类似，都在钢中起到良好的脱氧和脱硫的作用，钢的强度和硬度也随着硅的含量增加而增加。硅还能够抑制碳化物的形成，增加残余奥氏体的稳定性，提高钢的回火抗力，使得钢在低温转变区能够通过缓冷来达到提高钢的塑韧性效果。控制硅含量0.20～0.40％之间。

本发明提供一种非调质无表面裂纹棒材的制备方法，包括以下步骤：

1)电炉冶炼：入炉原料为铁水和废钢，采用精料方针，确保铁水百分比不少于40wt％，电炉冶炼全程造泡沫渣，前期使用低氧模式吹氧，充分化渣，适当喷吹碳粉，泡沫渣厚度≥200mm；熔清碳≥0.30％，均匀脱碳，保证良好的氧化沸腾，促进钢中夹杂物和气体上浮，控制终点[C]≥0.10％，P≤0.010％，残余元素含量符合标准要求。钢水出钢温度1620～1660℃，出钢时留钢、留渣操作，严禁下渣，钢包合金化时按照成分下限配入合金；电炉出钢过程随出钢流加铝锭进行预脱氧。

2)LF炉精炼：将步骤1)中经过电炉冶炼的钢液进行LF炉精炼,控制渣碱度大于3.0，加强脱硫操作精炼。过程中全程造白渣，白渣保持时间≥20分钟，精炼周期≥40分钟，精炼吹氩按照促进夹杂物上浮、减轻二次氧化的原则进行。LF出钢前，成分和温度微调，保证钢的性能稳定和连铸工艺温度要求。按照1.0～1.5m/t钢喂入钙线进行钙处理，软吹时间≥2min。

3)VD炉真空精炼：将步骤2)中LF炉精炼后的钢水进行扒渣处理，钢水进行真空脱气，真空度小于67Pa下保持时间≥12分钟，软吹氩≥15分钟，软吹氩时严禁裸露钢水和大氩气量搅拌降温。VD破空后加入覆盖剂，定氢，目标[H]≤2.0PPM，所述覆盖剂为低钛碱性中包覆盖剂和低碳覆盖剂。其中，低钛碱性中包覆盖剂中Ti0₂的含量小于等于0.50％，且不等于0，低碳覆盖剂中的C含量小于等于2％，且不等于0；现有技术中C≥25％。

4)连铸：经步骤3)处理后钢水采用整体式中间包连铸,采用全程保护浇注，采用双层中间包覆盖剂，下层使用低钛碱性中包覆盖剂，上层使用低碳覆盖剂，渣面覆盖不得见红。采用中碳合金钢专用保护渣，加入原则“勤加、少加、匀加”目视渣面不得见红，以渣面覆盖蓝色火焰为最佳，以防止钢水二次氧化。结晶器液面波动在±3mm以内；采用低过热度浇注，中包钢水过热度控制在15～30℃，二冷配水采用超弱冷模式，结晶器和凝固末端采用电磁搅拌，减少偏析等组织缺陷，提高铸坯质量。浇注采用“恒液面、恒温度、恒拉速”三恒操作，铸坯进拉矫机温度≥900℃。

5)轧制：对步骤4)中的连铸坯热送进行轧制，以降低能源消耗。轧制时的控制参数为：加热炉均热段温度至1150～1200℃，总加热时间3.5～4.5小时，以使钢坯均匀烧透，允许温差≤30℃，既要保证钢坯加热均匀，又要防止脱碳和粘炉。开轧温度1030～1100℃，加强对轧制节奏的控制，保证终轧温度920～1000℃。轧制过程中，要加强过程控制，密切注意各道次的料型情况，不得出现划伤、折叠、耳子等缺陷。本钢种易产生表面裂纹，这需要轧后及时收集到保温坑，保温坑内热钢铺地，盖保温盖，钢材表面温度能达到400～500℃，缓冷时间≥48小时，相当于进行了一次中高温回火，得到所述规格Φ50～310mm的强韧性良好的非调质钢。

本发明未提及的工序，均可采用现有技术。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1)本发明提供的技术方案采用降碳增锰的原则，增加钢管韧性，保证合适的Mn/C比，确保钢管组织、强度和韧性控制在较理想的水平。

2)本发明主要依靠碳、锰、钒元素的固溶强化，通过微量元素钒的碳氮化合物沉淀析出，控制珠光体含量和珠光体组织的细化而得到相应的强韧性能。

3)本发明控制合适的钒氮比，含钒钢中含有足够的氮才能充分发挥钒的沉淀强化作用，在同样强度条件下，钢中合适的钒氮比可以节约20％～40％的钒的用量。

4)本发明钢种的服役环境相当恶劣，要求钢材洁净度尽可能高，以抵抗过程中所产生的各种腐蚀性气体或元素的影响。控制钢中硫、磷含量、氧含量和氢含量尽可能低，严格控制钢中的锡、锑、砷、铅等有害元素，以免造成非调质钢表面裂纹及降低钢的塑韧性和高温强度。

5)本发明非调质钢表面易出现裂纹，通过对炼钢连铸轧钢工艺进行优化，避免出现表面裂纹，保证探伤一次合格。

6)本发明非调质钢具有窄成分，五害元素含量低，低倍组织良好，非金属夹杂含量低，气体含量低，表面质量好等特点。

附图说明

图1本发明得到的一种非调质无表面裂纹棒材的低倍组织；

图2本发明得到的工艺优化前表面裂纹；

图3本发明得到的工艺优化后非调质无表面裂纹棒材情况；

图4本发明得到的工艺优化后非调质无表面裂纹棒材金相组织，100X，为

铁素体+珠光体。

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。

本发明的实施例采用UHP超高功率电炉冶炼、LF炉精炼、VD真空脱气处理工艺冶炼、连铸浇注连铸坯、轧制成材工艺生产钢材，如图1-4所示。

一种非调质无表面裂纹棒材制备方法包括以下步骤：

1)电炉冶炼：入炉原料为铁水和废钢，采用精料方针，确保铁水百分比不少于40％，电炉冶炼全程造泡沫渣，前期使用低氧模式吹氧，充分化渣，适当喷吹碳粉，泡沫渣厚度≥200mm。熔清碳≥0.30％，均匀脱碳，保证良好的氧化沸腾，促进钢中夹杂物和气体上浮，控制终点[C]≥0.10％，P≤0.010％，残余元素含量符合标准要求。钢水出钢温度1620～1660℃，出钢时留钢、留渣操作，严禁下渣，钢包合金化时按照成分下限配入合金；优选的由配加钒铁改为配加钒氮合金，电炉出钢过程随出钢流加铝锭进行预脱氧。

2)LF炉精炼：将步骤1)中经过电炉冶炼的钢液进行LF炉精炼,控制渣碱度大于3.0，加强脱硫操作精炼。过程中全程造白渣,白渣保持时间≥20分钟,优选的白渣保持时间≥25分钟，精炼周期≥40分钟，优选的精炼周期≥45分钟，精炼吹氩，为夹杂物充分上浮创造条件。LF出钢前，成分和温度微调，保证钢的性能稳定和连铸工艺温度要求。按照1.0～1.5m/t钢喂入钙线进行钙处理，软吹≥2min。优选的采用降碳增锰的原则，碳含量控制在0.28～0.35％，Mn：1.70～2.00％，控制合适的锰碳比。

3)VD炉真空精炼:将步骤2)中LF炉精炼后的钢水进行扒渣处理,钢水进行真空脱气，真空度小于67Pa下保持时间≥12分钟，软吹氩≥15分钟，优选的真空度小于67Pa下保持时间≥15分钟，充分的去除气体和夹杂，软吹氩时严禁裸露钢水和大氩气量搅拌降温。VD破空后加入覆盖剂，定氢，目标[H]≤2.0PPM。

4)连铸：经步骤3)处理后钢水采用整体式中间包连铸,采用全程保护浇注，采用双层中间包覆盖剂，下层使用低钛碱性中包覆盖剂，上层使用低碳覆盖剂，渣面覆盖不得见红。采用中碳合金钢专用保护渣，保护渣厚度(45～60)mm，液渣层厚度(7～12)mm，加入原则“勤加、少加、匀加”目视渣面不得见红，以渣面覆盖蓝色火焰为最佳，以防止钢水二次氧化。结晶器液面波动≤±3mm；采用低过热度浇注，中包钢水过热度控制在15～30℃，二冷配水采用超弱冷模式，在结晶器和凝固末端采用电磁搅拌，减少偏析等组织缺陷，提高铸坯质量。浇注采用“恒液面、恒温度、恒拉速”三恒操作，铸坯进拉矫机温度≥900℃。优选的一冷配水在原来的基础上减少，本发明钢种要在结晶器铜管前期生产，以控制结晶器的锥度，优化保护渣，可以有效防止表面裂纹。

5)轧制：对步骤4)中的连铸坯热送进行轧制，以降低能源消耗。由于本钢种容易产生裂纹，轧制时的控制参数为：加热炉均热段温度至1150～1200℃，总加热时间3.5～4.5小时，以使钢坯均匀烧透，允许温差≤30℃，优选的加热炉均热段温度至1170～1190℃，总加热时间4～4.5小时，以使钢坯均匀烧透，允许温差≤20℃，既要保证钢坯加热均匀，又要防止脱碳和粘炉。开轧温度1030～1100℃，加强对轧制节奏的控制，保证终轧温度920～1000℃。轧制过程中，要加强过程控制，密切注意各道次的料型情况，不得出现划伤、折叠、耳子等缺陷。本钢种易产生表面裂纹，这需要轧后及时收集到保温坑，保温坑内热钢铺地，盖保温盖，钢材表面温度能达到400～500℃，缓冷时间≥48小时，相当于进行了一次中高温回火，得到所述规格Φ50～310mm的强韧性良好的非调质钢。

实施例1-13

实施例1-13提供一种非调质无表面裂纹棒材的制备方法，其化学成分如表1所示。

表1实施例1-13非调质无表面裂纹棒材的化学成分表

实施例1-13钢材的低倍组织如表2所示。一般疏松为0.5级，中心疏松1级，偏析0.5级，一般和边缘点状偏析0级，极好的满足了钢材低倍组织技术要求。

表2实施例1-13非调质无表面裂纹棒材低倍组织(级)

实施例1-13的非金属夹杂物按GB/T10561中的方法A评定，非金属夹杂物级别如表3所示。

表3实施例1-13非调质无表面裂纹棒材的非金属夹杂物(级)

实施例1-13的气体含量如表4所示。

表4实施例1-13非调质无表面裂纹棒材气体

本发明未详细说明的内容均可采用本领域的常规技术知识。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种非调质无表面裂纹棒材，其特征在于，所述棒材化学成分，按重量百分数计，包括：C：0.28～0.40％，Si：0.20～0.40％，Mn：1.50～2.00％，P：≤0.015％，S：≤0.005％，V：0.10％～0.20％，Al：≤0.030％，Sn：≤0.020％，As：≤0.020％，Pb：≤0.020％，Sb：≤0.020％，Bi：≤0.020％，余量为Fe及不可避免的杂质。

2.一种非调质无表面裂纹棒材的制备方法，包括以下步骤：

1)电炉冶炼：入炉原料为铁水和废钢，铁水百分比不少于40wt％，电炉冶炼全程造泡沫渣；熔清碳≥0.30％，钢水出钢温度1620～1660℃；

2)LF炉精炼：将步骤1)中经过电炉冶炼的钢液进行LF炉精炼,控制渣碱度大于3.0，全程造白渣，白渣保持时间≥20分钟,精炼周期≥40分钟，按照1.0～1.5m/t钢喂入钙线进行钙处理，进行软吹；

3)VD炉真空精炼：将步骤2)中LF炉精炼后的钢水进行扒渣处理，钢水进行真空脱气，软吹氩≥15分钟，VD破空后加入覆盖剂，定氢，目标[H]≤2.0PPM；

4)连铸：经步骤3)处理后钢水采用整体式中间包连铸，采用全程保护浇注，采用双层中间包覆盖剂，结晶器液面波动在±3mm以内；

5)轧制：对步骤4)中的连铸坯热送进行轧制，轧制时的控制参数为：加热炉均热段温度至1150～1200℃，总加热时间3.5～4.5小时，开轧温度1030～1100℃，终轧温度920～1000℃，轧后收集到保温坑，缓冷，得到非调质钢。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中使用氧枪吹氧，泡沫渣厚度≥200mm，控制终点[C]≥0.10％，P≤0.010％；钢包合金化时按照成分下限配入合金；电炉出钢过程随出钢流加铝锭进行预脱氧。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中软吹时间≥2min。

5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中真空度小于67Pa下保持时间≥12分钟；所述覆盖剂为低钛碱性中包覆盖剂和低碳覆盖剂，其中，低钛碱性中包覆盖剂中Ti0₂的含量小于等于0.50％，低碳覆盖剂中的C含量小于等于2％。

6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤4)采用双层中间包覆盖剂为：下层使用低钛碱性中包覆盖剂，上层使用低碳覆盖剂，渣面覆盖不得见红；中包钢水过热度控制在15～30℃，二冷配水采用超弱冷模式，结晶器和凝固末端采用电磁搅拌，铸坯进拉矫机温度≥900℃。

7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤5)中钢坯均匀烧透，允许温差≤30℃；

保温坑内热钢铺地，盖保温盖，钢材表面温度达到400～500℃，缓冷时间≥48小时。

8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤5)中非调质钢的规格为Φ50～310mm。

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