CN115074603A - 高压气瓶用无缝钢管、其制造方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高压气瓶用无缝钢管、其制造方法及应用。该方法包括：将钢管原料浇铸成连铸圆坯，依次进行预热、加热和均热，得到1250～1300℃的热连铸圆坯；穿孔后，依次进行轧管、定径和水环快冷，得到780～810℃的无缝钢管试样；进行调质热处理，得到高压气瓶用无缝钢管，轧管的轧制比为10～15。本发明通过使用特定含量的Mo元素，配合其他特定含量的组分实现固溶强化，通过将连铸圆坯加热后直接轧成无缝钢管，定径后直接进行快速水冷，再进行调质热处理，可以使得无缝钢管具有较高的强度和良好的低温冲击韧性，生产效率高，表面质量好，更适合大批量生产。
Description
技术领域
本发明涉及无缝钢管制造领域，具体而言，涉及一种高压气瓶用无缝钢管、其制造方法及应用。
背景技术
目前，国内高压气瓶的工作压力基本在20MPa以内，常用气瓶材料以30CrMo、34CrMo4为主，热处理后最大抗拉强度一般不超过1000MPa。对于工作压力≥30MPa，抗拉强度1100MPa以上的气瓶，尚无国家标准，这些气瓶材料以CrMo钢为主，添加Nb、Ni、V等多元合金强化元素，主要工艺为连铸方坯(或钢板)、冲压(拔)、冷旋压加工成型瓶坯，再经过旋压收口制成高压气瓶。钢坯使用冲压方法制造的气瓶，由于氧化铁皮的存在和模具的问题，容易导致瓶体内外表面不可避免地存在氧化坑、拉丝、凸筋等缺陷，使得瓶体同一截面上壁厚偏差大，造成应力分布不均匀，空瓶质量重，横向冲击韧性低。而且钢板冲压设备投资成本高，工艺要求苛刻，生产效率低。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种高压气瓶用无缝钢管、其制造方法及应用，以解决现有技术中无缝钢管的强度低、低温冲击韧性差、生产成本高的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种高压气瓶用无缝钢管的制造方法，包括以下步骤：步骤S1，将钢管原料浇铸成连铸圆坯；步骤S2，将连铸圆坯依次进行预热、加热和均热，得到1250～1300℃的热连铸圆坯；步骤S3，将热连铸圆坯穿孔后，依次进行轧管、定径和水环快冷，得到780～810℃的无缝钢管试样；步骤S4，将无缝钢管试样进行调质热处理，得到高压气瓶用无缝钢管；其中，按质量百分比计，钢管原料的成分为：C0.33～0.37％，Mn 0.70～0.90％，Si 0.17～0.35％，Cr 1.0～1.20％，Ni≤0.25％，P≤0.015％，S≤0.005％，Mo 0.40～0.50％，V≤0.08％，Cu≤0.30％，杂质H≤2ppm，杂质N≤70ppm，杂质O≤15ppm，余量为Fe及不可避免的杂质；其中，轧管的轧制比为10～15。
进一步地，按质量百分比计，钢管原料的成分为：C 0.35～0.37％，Mn 0.75～0.85％，Si 0.2～0.3％，Cr 1.1～1.20％，Ni≤0.2％，P≤0.01％，S≤0.005％，Mo 0.45～0.50％，V≤0.05％，Cu≤0.20％，杂质H≤2ppm，杂质N≤70ppm，杂质O≤15ppm，余量为Fe及不可避免的杂质。
进一步地，步骤S3中，水环快冷的冷却速率为0.5～1.5℃/s。
进一步地，步骤S2中，预热的温度为790～830℃，预热的时间为50～55min；加热的温度为990～1280℃，加热的时间为50～60min；均热的温度为1250～1300℃，均热的时间为80～85min。
进一步地，加热过程包括加热I段、加热II段、加热III段、加热IV段和加热V段；优选地，加热I段的温度为990～1000℃，加热II段的温度为1100～1140℃，加热III段的温度为1200～1240℃，加热IV段的温度为1240～1280℃，加热V段的温度为1270～1275℃。
进一步地，步骤S4中，调质热处理包括依次进行的保温、水淬、回火和空冷步骤；优选地，保温的温度为850～900℃，保温的时间为30～60min，回火的温度为560～620℃，回火的时间为60～100min。
进一步地，步骤S1中，将钢管原料依次采用电炉冶炼、炉外精炼、真空脱气和弧形连铸的方式浇铸成连铸圆坯；优选地，电炉冶炼过程中，在每吨钢管原料中添加铝丝0.8～1.6m、钙丝1.6～2m，出钢温度≥1620℃；更优选地，真空脱气在VD炉中进行，真空保持时间≥15min，软吹时间≥10min。
根据本发明的另一方面，提供了一种高压气瓶用无缝钢管，由本发明的制造方法得到。
进一步地，高压气瓶用无缝钢管的外径偏差≤±1％，壁厚偏差为0～+22.5％，抗拉强度≥1100MPa，屈服强度≥990MPa，延伸率≥13％，-50℃纵向冲击值≥80J，-50℃横向冲击值≥60J。
根据本发明的另一方面，提供了一种高压气瓶，使用上述高压气瓶用无缝钢管经收口和收底得到。
本发明与现有技术相比具有如下特点：
1、在钢管材料中，通过使用特定含量的Mo元素，配合其他特定含量的组分实现固溶强化，从而提高钢管的淬透性，并降低或抑止因其他元素所导致的回火脆性，同时严控P、S及As、Sn等有害元素含量来提高无缝钢管的低温冲击韧性。
2、通过将连铸圆坯加热后直接轧成无缝钢管，变形量大，同时定径后直接进行快速水冷，可以进一步细化钢管晶粒，再通过调质热处理，可以使得无缝钢管具有较高的强度和良好的低温冲击韧性。
3、应用本发明的技术方案，可以将连铸圆坯直接轧成高压气瓶用无缝钢管，后续经收口、收底即得高压气瓶，与常规方坯或钢板冲压(拔)、冷旋压加工瓶坯工艺相比，生产效率高，表面质量好，生产成本低，更适合大批量生产。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合实施例来详细说明本发明。
正如本发明背景技术中所述，现有技术中存在无缝钢管的强度低、低温冲击韧性差、生产成本高的问题。为了解决上述问题，在本发明一种典型的实施方式中，提供了一种高压气瓶用无缝钢管的制造方法，包括以下步骤：步骤S1，将钢管原料浇铸成连铸圆坯；步骤S2，将连铸圆坯依次进行预热、加热和均热，得到1250～1300℃的热连铸圆坯；步骤S3，将热连铸圆坯穿孔后，依次进行轧管、定径和水环快冷，得到780～810℃的无缝钢管试样；步骤S4，将无缝钢管试样进行调质热处理，得到高压气瓶用无缝钢管；其中，按质量百分比计，钢管原料的成分为：C 0.33～0.37％，Mn 0.70～0.90％，Si 0.17～0.35％，Cr 1.0～1.20％，Ni≤0.25％，P≤0.015％，S≤0.005％，Mo 0.40～0.50％，V≤0.08％，Cu≤0.30％，杂质H≤2ppm，杂质N≤70ppm，杂质O≤15ppm，余量为Fe及不可避免的杂质；其中，轧管的轧制比为10～15。
本发明先将钢管原料浇铸成钢质纯净、组织均匀的连铸圆坯；随后将连铸圆坯依次进行预热、加热和均热，可以提高钢的塑性，降低变形抗力以适应穿孔、轧管等工序的热加工条件的要求，还可以改善钢的组织性能，使其组织均匀化，还有助于消除钢中有害气体、夹杂等，得到1250～1300℃的热连铸圆坯；然后将热连铸圆坯穿孔后，依次进行轧管、定径和水环快冷，轧管可以采用锥形辊穿孔、多机架纵轧方式，各工序合理分配变形量，可以有效避免裂纹等缺陷，保证钢管的尺寸精度。定径机后设置快冷水环，可以细化钢管晶粒，保证钢管的尺寸精度和表面质量，进一步保证材料具有高强度和低温冲击韧性，得到780～810℃的无缝钢管试样；最后将无缝钢管试样进行调质热处理，得到高压气瓶用无缝钢管。随后再进行矫直、人工检验、复检等工序，最后包装入库。
本发明通过提高Mo元素含量，实现固溶强化，严控P、S及As、Sn等有害元素含量，钢质纯净，热处理后具有非常高的抗拉强度、良好的塑性和低温冲击韧性。采用连铸圆管坯经连轧工艺制成钢管，钢质纯净，组织和成分均匀，轧制比可达10以上，大变形量结合定径机后设置的快冷水环，能有效细化热轧态钢管晶粒组织，有助于提高材料热处理后的理化性能。钢管经调质热处理后，热加工成形性好，外径、壁厚控制精度高，表面质量好。与现有工艺相比，本发明的制造方法可以得到具有较高的强度和良好的低温冲击韧性得无缝钢管，后续再通过收口、收底等气瓶成型工艺制得高压气瓶，生产效率高，生产成本低，可以实现大批量生产。
为进一步增强Mo元素的固溶强化作用，并使得钢质更加纯净，在一种优选的实施方式中，按质量百分比计，钢管原料的成分为：C 0.35～0.37％，Mn 0.75～0.85％，Si 0.2～0.3％，Cr 1.1～1.20％，Ni≤0.2％，P≤0.01％，S≤0.005％，Mo 0.45～0.50％，V≤0.05％，Cu≤0.20％，杂质H≤2ppm，杂质N≤70ppm，杂质O≤15ppm，余量为Fe及不可避免的杂质。上述组成可以使得无缝钢管的抗拉强度和低温冲击韧性更佳。
出于进一步细化热轧态钢管晶粒组织的目的，步骤S3中，优选水环快冷的冷却速率为0.5～1.5℃/s，从而提高材料热处理后的理化性能。
步骤S2中连铸圆坯可以在环形加热炉中进行加热，在一种优选的实施方式中，步骤S2中，预热的温度为790～830℃，预热的时间为50～55min；加热的温度为990～1280℃，加热的时间为50～60min；均热的温度为1250～1300℃，均热的时间为80～85min。上述加热工序可以进一步提高钢的塑性，并改善钢的组织性能，便于后续加工过程。
为防止加热不均及出现加热缺陷，在一种优选的实施方式中，加热过程包括加热I段、加热II段、加热III段、加热IV段和加热V段；优选地，加热I段的温度为990～1000℃，加热II段的温度为1100～1140℃，加热III段的温度为1200～1240℃，加热IV段的温度为1240～1280℃，加热V段的温度为1270～1275℃，从而消除钢中有害气体、夹杂等，使其组织均匀化，进一步改善钢的组织性能。
在一种优选的实施方式中，步骤S4中，调质热处理包括依次进行的保温、水淬、回火和空冷步骤；其中，保温温度和回火温度可以根据钢的成分、原始组织和性能要求来确定，在生产实践中还要考虑到生产的无缝钢管的化学成分、技术要求、尺寸形状以及原始组织以及冷却介质等诸多因素，对保温温度和回火温度进行适当调整。优选地，保温的温度为850～900℃，保温的时间为30～60min，回火的温度为560～620℃，回火的时间为60～100min。上述温度和时间可以使得钢管的氧化烧损小，热处理后的钢管的性能更加稳定，并降低成产成本，提高生产效率。
钢坯冶炼可以采用优质铁水，其余采用优质废钢补充，在一种优选的实施方式中，步骤S1中，将钢管原料依次采用电炉冶炼、炉外精炼、真空脱气和弧形连铸的方式浇铸成连铸圆坯；优选地，电炉冶炼过程中，在每吨钢管原料中添加铝丝0.8～1.6m、钙丝1.6～2.0m，以进一步去除钢水中杂质，出钢温度≥1620℃；更优选地，真空脱气在VD炉中进行，真空保持时间≥15min，软吹时间≥10min，VD破空后喂入1～2m/吨钢的钙丝，并在浇注时吹氩保护，可以均匀成分和温度，去除气体夹杂和固体夹杂，以进一步提高钢的纯净度。
在本发明又一种典型的实施方式中，还提供了一种高压气瓶用无缝钢管，由本发明的制造方法得到。本发明的制造方法可以使得无缝钢管具有较高的强度和良好的低温冲击韧性，从而使得高压气瓶用无缝钢管的外径偏差≤±1％，壁厚偏差为0～+22.5％，抗拉强度≥1100MPa，屈服强度≥990MPa，延伸率≥13％，-50℃纵向冲击值≥80J，-50℃横向冲击值≥60J。
在本发明又一种典型的实施方式中，还提供了一种高压气瓶，使用本发明的高压气瓶用无缝钢管经收口和收底得到，由于使用了本发明的高强度、高低温冲击韧性的无缝钢管，上述高压气瓶适用于要求工作压力不低于30MPa、抗拉强度超过1100MPa或者低温环境的应用场景，服役寿命长。
以下结合具体实施例对本申请作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本申请所要求保护的范围。
实施例1
钢管牌号为34CrMo4，规格为Φ229×6.7mm，按质量百分比计，成分为C 0.36％，Mn0.80％，Si 0.26％，Cr 1.15％，Ni≤0.25％，P≤0.010％，S≤0.005％，Mo 0.45％，V≤0.08％，Cu≤0.30％，杂质H≤2ppm，杂质N≤70ppm，杂质O≤15ppm；余量为Fe及不可避免的杂质。
1、管坯冶炼工艺流程：电炉冶炼+炉外精炼+真空脱气+弧形连铸。
钢坯冶炼采用优质铁水，其余采用优质废钢补充，在冶炼过程每吨钢水添加铝丝1.2m、纯钙丝1.8m，出钢温度≥1620℃，并在VD炉中进行真空脱气，真空保持时间≥15min，软吹时间≥10min，VD破空后喂入1～2m/吨钢的纯钙丝。
2、轧管工艺流程：坯料检验→锯切下料→环形炉加热→锥形辊穿孔→连轧→步进炉再加热→高压水除鳞→张力减径→冷床冷却→切管→取样检测理化性能→矫直→人工检验→无损检测→人工检验→喷字→包装入库。
坯料加热工艺参数：预热段810℃-50min、加热Ⅰ段990℃-10min、加热Ⅱ段1140℃-10min、加热Ⅲ段1240℃-15min、加热Ⅳ段1280℃-10min、加热Ⅴ段1275℃-10min、均热段1270℃-80min，坯料外径为Φ250mm，坯长2450mm，总加热时间>180min。
穿孔工艺参数：辊距217mm、导盘距246mm、顶头前伸量105mm，穿孔毛管尺寸为Φ292×18.5×7300mm。
轧管工艺参数：轧制比为10.5，芯棒直径233.2mm，轧后荒管尺寸Φ242×7.1×22500mm。定径后钢管快速通过多道水冷环，冷却速率为1℃/s，钢管终轧温度在805℃。
3、钢管试样调质热处理，加热至880±10℃，保温时间30min后进行水淬处理，随后在580±5℃回火80min，回火出炉后进行空冷。钢管经过无损检测、复检合格后进行喷标、包装入库。
实施例2
实施例2与实施例1的区别仅在于，按质量百分比计，钢管原料的成分为：C0.33％，Mn 0.70％，Si 0.17％，Cr 1.0％，Ni≤0.25％，P≤0.015％，S≤0.005％，Mo0.40％，V≤0.08％，Cu≤0.30％，杂质H≤2ppm，杂质N≤70ppm，杂质O≤15ppm，余量为Fe及不可避免的杂质。
实施例3
实施例3与实施例1的区别仅在于，按质量百分比计，钢管原料的成分为：C0.37％，Mn 0.90％，Si 0.35％，Cr 1.20％，Ni≤0.25％，P≤0.015％，S≤0.005％，Mo0.50％，V≤0.08％，Cu≤0.30％，杂质H≤2ppm，杂质N≤70ppm，杂质O≤15ppm，余量为Fe及不可避免的杂质。
实施例4
实施例4与实施例1的区别仅在于，按质量百分比计，钢管原料的成分为：C0.35％，Mn 0.75％，Si 0.2％，Cr 1.1％，Ni≤0.2％，P≤0.01％，S≤0.005％，Mo 0.45％，V≤0.05％，Cu≤0.20％，杂质H≤2ppm，杂质N≤70ppm，杂质O≤15ppm，余量为Fe及不可避免的杂质。
实施例5
实施例5与实施例1的区别仅在于，按质量百分比计，钢管原料的成分为：C0.37％，Mn 0.85％，Si 0.3％，Cr 1.20％，Ni≤0.2％，P≤0.01％，S≤0.005％，Mo 0.50％，V≤0.05％，Cu≤0.20％，杂质H≤2ppm，杂质N≤70ppm，杂质O≤15ppm，余量为Fe及不可避免的杂质。
实施例6
实施例6与实施例1的区别仅在于，管坯冶炼工艺流程中，在冶炼过程每吨钢水添加铝丝0.8m、钙丝1.6m。
实施例7
实施例7与实施例1的区别仅在于，管坯冶炼工艺流程中，在冶炼过程每吨钢水添加铝丝1.6m、钙丝2m。
实施例8
实施例8与实施例1的区别仅在于，轧管工艺流程中，坯料加热工艺参数为：预热段790℃-55min、加热Ⅰ段990℃-10min、加热Ⅱ段1100℃-10min、加热Ⅲ段1200℃-20min、加热Ⅳ段1240℃-10min、加热Ⅴ段1270℃-10min、均热段1250℃-85min，坯料外径为Φ250mm，坯长2450mm，总加热时间>180min。
实施例9
实施例9与实施例1的区别仅在于，轧管工艺流程中，坯料加热工艺参数为：预热段830℃-50min、加热Ⅰ段1000℃-10min、加热Ⅱ段1140℃-10min、加热Ⅲ段1240℃-10min、加热Ⅳ段1280℃-10min、加热Ⅴ段1275℃-10min、均热段1300℃-80min，坯料外径为Φ250mm，坯长2450mm，总加热时间>180min。
实施例10
实施例10与实施例1的区别仅在于，轧管工艺流程中，轧管工艺参数为：轧制比为10，水环快冷的冷却速率为1.5℃/s，钢管终轧温度在780℃。
实施例11
实施例11与实施例1的区别仅在于，轧管工艺流程中，轧管工艺参数为：轧制比为15，水环快冷的冷却速率为0.5℃/s，钢管终轧温度在810℃。
实施例12
实施例12与实施例1的区别仅在于，钢管试样调质热处理中，加热至850±10℃，保温时间60min后进行水淬处理，随后在560±5℃回火100min，回火出炉后进行空冷。
实施例13
实施例13与实施例1的区别仅在于，钢管试样调质热处理中，加热至900±10℃，保温时间30min后进行水淬处理，随后在620±5℃回火60min，回火出炉后进行空冷。
对比例1
采用热冲压工艺将钢坯冲压并拔伸制造出规格为Φ229×6.5mm的冲压瓶坯，然后通过收口制成冲压气瓶。
对实施例1至13和对比例1的无缝钢管随机取样进行分析，结果见表1至表2。
测试方法：
抗拉强度、屈服强度、延伸率：GB/T228.1。
-50℃纵向冲击值、-50℃横向冲击值：GB/T229。
表1
表2
由表1、表2可以看出，本发明实施例的无缝钢管的外径和壁厚精度较高，钢管试样调质后力学性能较好，纵、横向低温冲击性能均较佳。即，本发明通过提高Mo元素含量，实现固溶强化，严控P、S及As、Sn等有害元素含量，钢质纯净，热处理后具有非常高的抗拉强度、良好的塑性和低温冲击韧性。采用连铸圆管坯经连轧工艺制成钢管，钢质纯净，组织和成分均匀，轧制比可达10以上，大变形量结合定径机后设置的快冷水环，能有效细化热轧态钢管晶粒组织，有助于提高材料热处理后的理化性能。钢管经调质热处理后，热加工成形性好，外径、壁厚控制精度高，表面质量好。与现有工艺相比，本发明的制造方法可以得到具有较高的强度和良好的低温冲击韧性得无缝钢管，生产效率高，生产成本低，可以实现大批量生产。尤其是，当制造过程的工艺参数均在本发明优选范围之内时，无缝钢管的外径和壁厚精度、力学性能和低温冲击性能最佳。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高压气瓶用无缝钢管的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，将钢管原料浇铸成连铸圆坯；
步骤S2，将所述连铸圆坯依次进行预热、加热和均热，得到1250～1300℃的热连铸圆坯；
步骤S3，将所述热连铸圆坯穿孔后，依次进行轧管、定径和水环快冷，得到780～810℃的无缝钢管试样；
步骤S4，将所述无缝钢管试样进行调质热处理，得到所述高压气瓶用无缝钢管；
其中，按质量百分比计，所述钢管原料的成分为：C 0.33～0.37％，Mn 0.70～0.90％，Si 0.17～0.35％，Cr 1.0～1.20％，Ni≤0.25％，P≤0.015％，S≤0.005％，Mo 0.40～0.50％，V≤0.08％，Cu≤0.30％，杂质H≤2ppm，杂质N≤70ppm，杂质O≤15ppm，余量为Fe及不可避免的杂质；
其中，所述轧管的轧制比为10～15。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，按质量百分比计，所述钢管原料的成分为：C 0.35～0.37％，Mn 0.75～0.85％，Si 0.2～0.3％，Cr 1.1～1.20％，Ni≤0.2％，P≤0.01％，S≤0.005％，Mo 0.45～0.50％，V≤0.05％，Cu≤0.20％，杂质H≤2ppm，杂质N≤70ppm，杂质O≤15ppm，余量为Fe及不可避免的杂质。
3.根据权利要求1或2所述的制造方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述水环快冷的冷却速率为0.5～1.5℃/s。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的制造方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述预热的温度为790～830℃，所述预热的时间为50～55min；所述加热的温度为990～1280℃，所述加热的时间为50～60min；所述均热的温度为1250～1300℃，所述均热的时间为80～85min。
5.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述加热过程包括加热I段、加热II段、加热III段、加热IV段和加热V段；优选地，所述加热I段的温度为990～1000℃，所述加热II段的温度为1100～1140℃，所述加热III段的温度为1200～1240℃，所述加热IV段的温度为1240～1280℃，所述加热V段的温度为1270～1275℃。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的制造方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述调质热处理包括依次进行的保温、水淬、回火和空冷步骤；优选地，所述保温的温度为850～900℃，所述保温的时间为30～60min，所述回火的温度为560～620℃，所述回火的时间为60～100min。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的制造方法，其特征在于，所述步骤S1中，将所述钢管原料依次采用电炉冶炼、炉外精炼、真空脱气和弧形连铸的方式浇铸成所述连铸圆坯；优选地，所述电炉冶炼过程中，在每吨所述钢管原料中添加铝丝0.8～1.6m、钙丝1.6～2m，出钢温度≥1620℃；更优选地，所述真空脱气在VD炉中进行，真空保持时间≥15min，软吹时间≥10min。
8.一种高压气瓶用无缝钢管，其特征在于，由权利要求1至7中任一项所述的制造方法得到。
9.根据权利要求8所述的高压气瓶用无缝钢管，其特征在于，所述高压气瓶用无缝钢管的外径偏差≤±1％，壁厚偏差为0～+22.5％，抗拉强度≥1100MPa，屈服强度≥990MPa，延伸率≥13％，-50℃纵向冲击值≥80J，-50℃横向冲击值≥60J。
10.一种高压气瓶，其特征在于，使用权利要求8或9所述的高压气瓶用无缝钢管经收口和收底得到。
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