一种高压气瓶用大直径无缝钢管及其制造方法
【专利摘要】本发明属于冶金【技术领域】，提出一种高压气瓶用大直径无缝钢管及其制造方法。提出的一种高压气瓶用大直径无缝钢管的化学成分及质量百分比为：C0.30%~0.60%，Si：0.20~0.50%，Mn：0.20~0.60%，P：≤0.010%，S：≤0.010%，Cr：0.90~1.70%，Ni：2.50~3.50%，Mo：0.25~0.55%，V：0.05~0.25%，余量为Fe；制造方法采用海绵铁和废钢做炼钢原料。本发明所得到的大直径无缝钢管的热稳定性好、强度高，并具有良好的冲击韧性、稳定的持久塑性、高的热强性能、优异的耐腐蚀性能及抗疲劳性能，其屈服强度不低于1000MPa。
【专利说明】一种高压气瓶用大直径无缝钢管及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于冶金【技术领域】，具体涉及一种高压气瓶用大直径无缝钢管及其制造方法。
【背景技术】
[0002] 大容积钢质无缝气瓶在国内应用较广，主要应用于液化天然气等工业气体的运输等领域。早期无缝气瓶的工作压力较低，容重比较小，其材质主要为低碳钢。近年来，随着无缝气瓶工作压力的提高，容重比的不断增大，钢质无缝气瓶用钢从低碳钢向中碳钢、C-Mn钢及Cr-Mo钢发展，Cr-Mo系合金钢具有在保持高强度同时具有良好韧塑性的优点，因而受到广泛应用。目前，国内使用的大容积钢质无缝气瓶工作压力多为2(T25MPa，其材质多选用30CrMo钢或35CrMo钢。但随着技术的不断进步，对钢瓶的容重比要求进一步提高，工作压力要求高于现有的25MPa，35CrMo等Cr-Mo系合金钢因强度低于设计要求而不能满足需要。
【发明内容】
[0003]为解决上述技术问题，本发明的目的提出一种高压气瓶用大直径无缝钢管及其制造方法。
[0004]本发明为完成上述目的采用如下技术方案:
一种高压气瓶用大直径无缝钢管，所述大直径无缝钢管的化学成分及质量百分比为:C:0.30%~0.60%, Si:0.20~0.50%， Mn:0.20~0.60%, P: ≤ 0.010%, S: ≤ 0.010%, Cr:0.90~1.70%, Ni:2.50~3.50%, Mo:0.25~0.55%, V:0.05~0.25%，余量为 Fe。
[0005]C是固溶在基材中或是作为碳化物析出，是增加钢的强度的主要元素，随着钢中C含量增加，其屈服点和抗拉强度升高，但韧塑性降低；本发明中，为确保所希望的强度，C含量必须在0.30%以上，但若超过0.60%，则钢的韧塑性恶化；因此，C含量限定在0.30%~0.60%的范围。
[0006]Si是良好的脱氧剂，在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂，同时，Si能溶于铁素体和奥氏体中提高钢的硬度和强度，其作用仅次于P，较Mn、N1、Cr、W、Mo和V等元素强；但含Si超过2.0%时，将显著降低钢的塑性和韧性；因此，Si限定在0.01~2.0%的范围?’然而，从强度-韧塑性平衡的观点来看，最好将Si含量限定在0.20-0.50%的范围内。
[0007]Mn是良好的脱氧剂和脱硫剂，在钢中加入一定量的Mn，可消除或减弱由于S所引起的钢的热脆性，从而改善钢的热加工性能；Mn在钢中和Fe形成固溶体，提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度；同时又是碳化物形成元素，进入渗碳体中取代一部分Fe原子，Mn能够降低临界转变温度，起到细化珠光体的作用，也间接地起到提高珠光体钢强度；Mn稳定是奥氏体组织的能力仅次于Ni，也强烈增加钢的淬透性；但胞在钢中含量较多时易引起晶粒长大，导致钢种变为本质粗晶粒钢；同时，Mn易与S形成MnS，导致钢的耐蚀性下降，故钢中Mn含量一般不高于0.6% ；因此，锰含量最好偏低，但从生产时的经济性考虑，则允许其范围为0.20~0.60%O
[0008]在一般情况下，P是钢中有害元素，会增加钢的冷脆性，降低韧塑性，使冷弯性能变坏；因此无缝钢管的P含量小于等于0.010%。
[0009]S在通常情况下也是有害元素，使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹；然而S能够降低钢的耐腐蚀性，所以通常要求S含量小于0.055%，无缝钢管的S含量小于等于0.010%ο
[0010]Cr能增加钢的淬透性并有二次硬化作用，提高钢的强度、硬度和耐磨性而不使钢变脆，但能够降低延伸率和断面收缩率；Cr在调质结构钢中的主要作用是提高淬透性，使钢经淬火回火后具有较好的综合力学性能，在渗碳钢中还可以形成含Cr的碳化物，从而提高材料表面的耐磨性；因而合金结构钢中的Cr含量一般高于0.9%，以保证钢的强度、硬度及淬透性；当钢中Cr含量过高时，钢的韧脆转变温度显著提高，同时，钢的回火脆性大幅增加，故本种钢中的Cr含量一般不高于1.7%，即无缝钢管的Cr含量被限定为0.9(Tl.70%。
[0011]Ni能够在提高钢强度的同时，对钢的韧性、塑性以及其他工艺性能的损害较其他合金元素的影响小；对于中碳钢，由于Ni降低珠光体转变温度，使珠光体变细；又由于Ni降低共析点的含Ni量，因而和相同C含量的碳素钢比，其珠光体数量较多，使含Ni的珠光体铁素体钢的强度较相同C含量的碳素钢高；Ni即可以提高钢对疲劳的抗力和减小钢对缺口的敏感性，又能降低钢的低温脆性转变温度，这对低温用钢有极重要的意义；此外，Ni加入钢中不仅能耐酸，而且也能抗碱，对大气及盐都有抗蚀能力；由于本钢种对材料的韧性，韧脆转变温度，缺口敏感性等要求较高，因而钢中的Ni含量高于2.5% ;但由于国内Ni含量较少，Ni价格高，同时Cr-Ni钢易产生回火脆性和白点，从成本等因素考虑，Ni含量不高于3.5% ;因此无缝钢管的Ni含量控制在2.50~3.50%。
`[0012]Mo在钢中能提高淬透性和热强性，细化晶粒，防止回火脆性，增加钢在某些介质中的抗蚀性；在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力；在调质钢中，Mo能使较大断面的零件淬深、淬透，提高钢的抗回火性或回火稳定性，使零件可以在较高温度下回火，从而更有效地消除残余应力，提高塑性；合金结构钢中，Mo元素含量一般高于0.25%后才起到良好作用，而当Mo含量超过0.55%时，则反而会使高温回火钢变脆；因此无缝钢管中Mo的含量控制在 0.25~0.55%。
[0013]V在钢中主要以碳化物的形态存在；其主要作用是细化钢的组织和晶粒，降低钢的过热敏感性，提高钢的强度和韧性能够增加淬火钢的回火稳定性，并产生二次硬化效应；为保持V可细化组织晶粒，提高强韧性和淬透性，合金结构钢中V含量一般>0.05%,在合金结构钢中，为了避免回火脆性，V的含量应不高于0.25%，因此无缝钢管中V的含量控制在 0.05~0.25%。
[0014]一种高压气瓶用大直径无缝钢管的制备方法，所述的制造方法采用海绵铁和废钢做炼钢原料，用电弧炉熔化成钢水，经炉外精炼和真空脱气后，模铸成圆形管坯，将冷却后的模铸管坯在环形加热炉内加热，热定心，热穿孔，周期性轧制，经定减径轧制、冷却、定长锯切、矫直；探伤后，进行正火热处理，回火，热定径，热矫直，最后探伤；具体步骤如下:
(1)、原料的配比:废钢75~85份，海绵铁15~25份；
(2)、将原料投入电弧炉内，通电加热后，原料逐渐融化成钢水，同时采用吹底搅拌技术，加速钢的熔化和加热的均匀化，最终电弧炉的炉温达到150(Tl60(rC，并造好熔化期的炉渣；
(3)、在电弧炉内投入活性石灰石0.246、.274份，同时通过设置在电弧炉底部的喷嘴向电弧炉内熔池吹入氧气和氩气，使钢水中的硫、磷杂质元素在钢水的上面形成熔渣；并实时监测钢水的化学成分，当钢水的化学成分未达到大直径无缝钢管所必须的化学成分时，向电弧炉内投入海绵铁或其它铁合金；使得钢水中的化学成分到达大直径无缝钢管所必须的化学成分；
(4)、向LF浇注精炼包内倒入CaO-Al2O3基精炉渣0.30、.33份，然后再将步骤(3)中得到的成分合格的钢水注入LF浇注精炼包中，同时对电弧炉内进行吹氧，钢水与CaO-Al2O3基精炉渣在氧化性气氛的电弧炉内进行熔化、保温、脱磷、脱碳和合金化；同时搅拌钢液；
(5)、在130L/(min *t)的强搅拌条件下向LF浇注精炼包内吹入氩气，进行脱气、脱氧、脱硫处理，同时边搅拌边向钢液内投入纯金属粉，目的是去除夹杂物和进行成分微调；
(6)、将LF浇注精炼包内抽真空，减少钢中的氢气；在真空条件下向钢水内投入硅进行脱氧，钢水立即发生沸腾现象，钢内气体逸出，夹杂物也随着沸腾搅拌面上浮形成炉渣，进行脱氢、脱氮的作业；
(7)、将钢水倾倒至横截面为圆形的磨具中，冷却至接近室温，随后进行开坯，切除帽口和一些不需要的部分，即可获得与大直径无缝钢管所必须的化学成分要求一致的钢坯；
(8)、对步骤(7)所得到的钢坯进行拉坯后进入矫直机，待铸坯矫直且完成凝固后，由切割装置切割成定尺的模铸管坯；
(9)、将冷却到650°C以下的模铸管坯送入环形加热炉内加热，使管坯的温度均匀达到1250~1280°C，在124(Tl260°C时对模铸管坯进行热定心，在115(Tl230°C时对模铸管坯进行热穿孔，在105(Tll5(rC时对模铸管坯进行周期性连轧；进行周期性轧制时，由于钢管不同周向都受到均匀轧制力的作用；通过控制轧制过程中的轧辊位置及辊缝，从而达到控制钢管壁厚和形状偏差的目的，防止出现钢管壁厚不均匀和椭圆度过大；同时，由于周期性连轧工艺，钢管的直线度较高，弯曲度较小；
(?ο)、经定减径轧制、冷却、定长锯切、矫直、探伤后，进行热处理，在ioo(Tio5(rc时用正火炉正火，防止钢管表面氧化；
(11)、在68(T720°C时用退火炉进行回火，以消除钢管中的残余应力；回火后冷却至60(T620°C时进行热定径，热定径后冷却至50(T550°C时进行热矫直，最后进行探伤，制作成圆形管坯。
[0015]采用上述方法制备的无缝钢管的机械性能按照美国的ASTM标准要求取样和制样，其力学性能达到的指标如下:
屈服强度(Rpa2):≥1000MPa;
抗拉强度(Rm):≥1200MPa;
延伸率(A):≥20% ；
硬度(HB): 296~400 ；
冲击韧性:≥80J(-20°C )；
壁厚偏差≤ ±8.5t% (t为无缝钢管的壁厚)；
外径偏差≤±0.5d% (d为无缝钢管的直径)。
[0016]本发明提出的一种高压气瓶用大直径无缝钢管及其制造方法，通过周期性连轧工艺使气瓶用无缝钢管具有壁厚均匀、表面质量高、组织细小等特点，通过后续的热处理(正火+回火)及矫直工艺，使气瓶用无缝钢管体的机械性能、高温强度、耐腐蚀性能及抗疲劳性能达到标准所要求的水平，在其运行的压力与温度范围内，有充足的安全裕度，同时能满足管体的抗腐蚀与抗疲劳的要求，通过周期性连轧及后续的回火工艺，有效的控制钢管的几何尺寸、残余应力及形状偏差，能够保证管体的机械性能、高温强度、耐腐蚀性能及抗疲劳性能，适用于工作压力高于25MPa的高压气瓶；综上所述，本发明采用上述制造方法所得到的大直径无缝钢管的热稳定性好、强度高，并具有良好的冲击韧性、稳定的持久塑性、高的热强性能、优异的耐腐蚀性能及抗疲劳性能，其屈服强度不低于lOOOMPa。
【具体实施方式】
[0017]结合具体实施例对本发明进一步进行说明:
25MPa以上工作压力高压气瓶用大直径无缝钢管的化学成分及质量百分比为C 0.35，Si 0.35，Mn 0.27，Cr 1.35，Ni 2.95，Mo 0.35，V 0.14，P 0.007，S 0.005，其它为 Fe。
[0018]一种高压气瓶用大直径无缝钢管的制备方法，所述的制造方法采用海绵铁和废钢做炼钢原料，用电弧炉熔化成钢水，经炉外精炼和真空脱气后，模铸成圆形管坯，将冷却后的模铸管坯在环形加热炉内加热，热定心，热穿孔，周期性轧制，经定减径轧制、冷却、定长锯切、矫直；探伤后，进行正火热处理，回火，热定径，热矫直，最后探伤；具体步骤如下:
(1)、原料的配比:废钢75~85份，海绵铁15~25份；
(2)、将原料投入电弧炉内，通电加热后，原料逐渐融化成钢水，同时采用吹底搅拌技术，加速钢的熔化和加热的均匀化，最终电弧炉的炉温达到150(Tl60(rC，并造好熔化期的
炉渣；
(3)、在电弧炉内投入活性石灰石0.246、.274份，同时通过设置在电弧炉底部的喷嘴向炉内熔池吹入氧气和氩气，使钢水中的硫、磷杂质元素在钢水的上面形成熔渣；并实时监测钢水的化学成分，当钢水的化学成分未达到大直径无缝钢管所必须的化学成分时，向电弧炉内投入海绵铁或其它铁合金；使得钢水中的化学成分到达大直径无缝钢管所必须的化学成分；其它铁合金中包括含有S1、Mn、Cr、N1、Mo、V合金元素，其加入量由钢水成分具体而定;
(4)、向LF浇注精炼包内倒入CaO-Al2O3基精炉渣0.30、.33份，然后将步骤(3)中得到的成分合格的钢水注入LF浇注精炼包中，倒入Ca0-A1203基精炉渣的目的是将钢水倒入精炼钢包中时，靠钢水的冲击使合成渣乳化，渣和钢充分混合，接着镇静，乳化的渣滴上浮，以完成脱硫、部分脱氧、去除非金属夹杂的精炼任务，然后钢水与CaO-Al2O3基精炉渣在氧化性气氛的炉内进行熔化、保温、脱磷、脱碳和合金化；同时搅拌钢液；
(5)、在130L/(min *t)的强搅拌条件下向LF浇注精炼包内吹入氩气，进行脱气、脱氧、脱硫处理，同时边搅拌边向钢液内投入纯金属粉，目的是去除夹杂物和进行成分微调；
(6)、将LF浇注精炼包内抽真空，减少钢中的氢气；在真空条件下向钢水内投入硅进行脱氧，钢水立即发生沸腾现象，钢内气体逸出，夹杂物也随着沸腾搅拌面上浮形成炉渣，进行脱氢、脱氮的作业；
(7)、将钢水倾倒至横截面为圆形的磨具中，冷却至接近室温，随后进行开坯，由于帽口处钢坯中因凝固时的冷却速度与气体等影响使该处杂质元素含量较高，因此切除帽口和一些不需要的部分，即可获得与大直径无缝钢管所必须的化学成分要求一致的钢坯；
(8)、对步骤(7)所得到的钢坯进行拉坯后进入矫直机，待铸坯矫直且完成凝固后，由切割装置切割成定尺的模铸管坯；
(9)、将冷却到650°C以下的模铸管坯送入环形加热炉内加热，使管坯的温度均匀达到1250~1280°C，在124(Tl260°C时对模铸管坯进行热定心，在115(Tl230°C时对模铸管坯进行热穿孔，在105(Tll50°C时采用德国SMS Meer/INNSE公司生产的PQF三辊限动芯棒连轧管机对模铸管坯进行周期性连轧；进行周期性轧制时，由于钢管不同周向都受到均匀轧制力的作用；通过控制轧制过程中的轧辊位置及辊缝，从而达到控制钢管壁厚和形状偏差的目的，防止出现钢管壁厚不均匀和椭圆度过大；同时，由于周期性连轧工艺，钢管的直线度较高，弯曲度较小。
[0019](10)、经定减径轧制、冷却、定长锯切、矫直、探伤后，进行热处理，在100(Tl05(rC时用正火炉正火，防止钢管表面氧化；
(11)、在68(T720°C时用退火炉进行回火，以消除钢管中的残余应力；回火后冷却至60(T620°C时进行热定径，热定径后冷却至50(T550°C时进行热矫直，最后进行探伤，制作成
圆形管坯。
[0020]采用上述方法制备的无缝钢管的机械性能按照美国的ASTM标准要求取样和制样，其力学性能达到的指标如下:
屈服强度(Rpa2):≥1000MPa;
抗拉强度(Rm):≥1200MPa;
延伸率(A):≥20% ；
硬度(HB): 296~400 ；
冲击韧性:≥80J(-20°C )；
壁厚偏差≤±8.5t% (t为无缝钢管的壁厚)；
外径偏差≤±0.5d% (d为无缝钢管的直径)。
[0021]上述无缝钢管的制造方法中，钢水的熔融、精炼、模铸管坯的成型均为现有技术中成熟的技术，在此不作过多说明。
【权利要求】
1.一种高压气瓶用大直径无缝钢管，所述大直径无缝钢管的化学成分及质量百分比 为:C:0.30%~0.60%, S1:0.20~0.50%，Mn:0.20-θ.60%,P..≤ 0.010%, S:≤ 0.010%, Cr:
0.90~1.70%, Ni:2.50~3.50%, Mo:0.25~0.55%, V:0.05~0.25%，余量为 Fe。
2.制备权利要求1所述大直径无缝钢管的制备方法，其特征在于:铁和废钢做炼钢原 料，用电弧炉熔化成钢水，经炉外精炼和真空脱气后，模铸成圆形管坯，将冷却后的模铸管 坯在环形加热炉内加热，热定心，热穿孔，周期性轧制，经定减径轧制、冷却、定长锯切、矫 直；探伤后，进行正火热处理，回火，热定径，热矫直，最后探伤；具体步骤如下: (1)、原料的配比:废钢75~85份，海绵铁15~25份； (2)、将原料投入电弧炉内，通电加热后，原料逐渐融化成钢水，同时采用吹底搅拌技术，加速钢的熔化和加热的均匀化，最终电弧炉的炉温达到150(Tl60(rC，并造好熔化期的炉渣； (3)、在电弧炉内投入活性石灰石0.246、.274份，同时通过设置在电弧炉底部的喷嘴向电弧炉内熔池吹入氧气和氩气，使钢水中的硫、磷杂质元素在钢水的上面形成熔渣；并实时监测钢水的化学成分，当钢水的化学成分未达到大直径无缝钢管所必须的化学成分时，向电弧炉内投入海绵铁或其它铁合金；使得钢水中的化学成分到达大直径无缝钢管所必须的化学成分； (4)、向LF浇注精炼包内倒入CaO-Al2O3基精炉渣0.30、.33份，然后再将步骤(3)中得到的成分合格的钢水注入LF浇注精炼包中，同时对电弧炉内进行吹氧，钢水与CaO-Al2O3基精炉渣在氧化性气氛的电弧炉内进行熔化、保温、脱磷、脱碳和合金化；同时搅拌钢液； (5)、在130L/(min *t)的强搅拌条件下向LF浇注精炼包内吹入氩气，进行脱气、脱氧、脱硫处理，同时边搅拌边向钢液内投入纯金属粉，目的是去除夹杂物和进行成分微调； (6)、将LF浇注精炼包内抽真空，减少钢中的氢气；在真空条件下向钢水内投入硅进行脱氧，钢水立即发生沸腾现象，钢内气体逸出，夹杂物也随着沸腾搅拌面上浮形成炉渣，进行脱氢、脱氮的作业； (7)、将钢水倾倒至横截面为圆形的磨具中，冷却至接近室温，随后进行开坯，切除帽口和一些不需要的部分，即可获得与大直径无缝钢管所必须的化学成分要求一致的钢坯； (8)、对步骤(7)所得到的钢坯进行拉坯后进入矫直机，待铸坯矫直且完成凝固后，由切割装置切割成定尺的模铸管坯； (9)、将冷却到650°C以下的模铸管坯送入环形加热炉内加热，使管坯的温度均匀达到1250~1280°C，在124(Tl260°C时对模铸管坯进行热定心，在115(Tl230°C时对模铸管坯进行热穿孔，在105(Tll5(rC时对模铸管坯进行周期性连轧；进行周期性轧制时，由于钢管不同周向都受到均匀轧制力的作用；通过控制轧制过程中的轧辊位置及辊缝，从而达到控制钢管壁厚和形状偏差的目的，防止出现钢管壁厚不均匀和椭圆度过大；同时，由于周期性连轧工艺，钢管的直线度较高，弯曲度较小； (?ο)、经定减径轧制、冷却、定长锯切、矫直、探伤后，进行热处理，在ioo(Tio5(rc时用正火炉正火，防止钢管表面氧化； (11)、在68(T720°C时用退火炉进行回火，以消除钢管中的残余应力；回火后冷却至60(T620°C时进行热定径，热定径后冷却至50(T550°C时进行热矫直，最后进行探伤，制作成圆形管坯。
【文档编号】C21D8/10GK103556069SQ201310536736
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年11月4日 优先权日:2013年11月4日
【发明者】张永峰, 邓春锋, 任方杰, 武春学, 常磊, 邵飞 申请人:洛阳双瑞特种装备有限公司