制造40MPa級超高壓氣瓶用鍛制無縫鋼管的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種制造40MPa級超高壓氣瓶用鍛制無縫鋼管的方法，所述方法的工藝流程為：偏心底電弧爐熔煉→鋼包爐精煉→真空脫氣精煉→澆注電渣自耗電極→電渣重熔→鋼錠去應力退火→一次鍛制管坯→退火→二次鍛制成品管→退火→取樣檢驗→內(nèi)外車光→超聲波探傷→磁粉探傷→外觀檢查。在一次鍛制管坯中，使鋼錠經(jīng)兩次以上鐓粗拔長→鐓粗沖孔→擴孔，以使鋼錠有效的破碎心部鑄造組織橫縱向組織均勻變形，然后使管坯進行緩冷或退火，且避免直接空冷。在二次鍛制成品管中，控制鍛造頻率為120～180次/分鐘，變形溫度為950～1000℃，終鍛溫度≥800℃。本發(fā)明的方法能夠制造具有鋼管口徑大、厚度薄且容量大的40MPa級超高壓氣瓶用無縫鋼管。
【專利說明】制造40MPa級超高壓氣瓶用鍛制無縫鋼管的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總體上涉及無縫鋼管壓力加工領(lǐng)域，具體地涉及一種40MPa級超高壓氣瓶用鍛制無縫鋼管的制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]代替上一代15~30MPa級氣瓶用鋼，40MPa級高壓氣瓶用鍛制無縫鋼管主要作為新型潛艇用鋼，由于新一代潛艇對氣瓶用鋼的性能和容量提出了更大的要求，要求達到40MPa級設(shè)計要求，且容量達到400L以上。因此，對材料的制造工藝及設(shè)備能力提出更高的要求。 [0003]當前，無縫鋼管通常采用周期軋管機、連軋管機、擠壓機制造，，常用的制管方式是采用軋管機直接軋管因其合金含量高而導致鋼管內(nèi)表面容易出現(xiàn)內(nèi)折缺陷等問題，并且鋼管規(guī)格會受到很大限制且橫縱向性能有所差異，擠壓管雖然縱向組織均勻一致，但其橫縱向性能差異較大。
[0004]因此，在本領(lǐng)域中，期望的是提供一種能夠制造鋼管口徑大、厚度薄容量大且鋼管橫縱向性能差異小的40MPa級超高壓氣瓶用無縫鋼管。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種制造40MPa級超高壓氣瓶用鍛制無縫鋼管的方法，所述方法的工藝流程為:偏心底電弧爐熔煉一鋼包爐精煉一真空脫氣精煉一澆注電渣自耗電極一電渣重熔一鋼錠去應力退火一一次鍛制管坯一退火一二次鍛制成品管一退火一取樣檢驗一內(nèi)外車光一超聲波探傷一磁粉探傷一外觀檢查，其中，對電渣自耗電極殘余有害元素要求為:Cu ^ 0.10%, S ^ 20ppm, P ^ 50ppm, [H] ^ 2ppm, [N] ^ 45ppm,電洛重熔進一步去除鋼中的有害夾雜物、氣體且使鋼錠組織更加均勻致密，并且使得S ( lOppm，在一次鍛制管坯中，使鋼錠經(jīng)兩次以上鐓粗拔長一鐓粗沖孔一擴孔，以使鋼錠有效的破碎心部鑄造組織橫縱向組織均勻變形，然后使管坯進行緩冷或退火且避免直接空冷，在二次鍛制成品管中，控制鍛造頻率為120~180次/分鐘，變形溫度為950~1000°C，終鍛溫度≤800°C。
[0006]在一次鍛制管坯中，當坯料溫度偏低，鍛造存在開裂危險時，將管坯回爐再燒，再燒溫度為1050-1150°C，回爐再燒時間控制在90~120分鐘。
[0007]在一次鍛制管坯中，在鍛造時加熱制度為:使管坯從≤600°C的初始溫度用時3小時升至1150±10°C，并在此溫度下保持I小時，隨后開始鍛造。
[0008]在一次鍛制管坯中，采用2000MN或4500MN快鍛進行鍛制，在二次鍛制管坯中，采用1800MN精鍛機進行鍛制。
[0009]在二次鍛制管坯后的退火中，采用的退火制度為:使管坯以≤800C /小時的升溫速率升溫至680±10°C，并在此溫度下保持10小時，隨后以≤80°C /小時的降溫速率降溫至400°C并出爐空冷。
[0010]在電禮:重熔中，米用五兀電禮:禮:系，所述五兀電禮:禮:系包括:60~65%的CaF2、15 ~22% 的 Al2O3' 10 ~15% 的 Ca。、1 ~3% 的 MgO 和 1~3% 的 SiO2。
[0011]本發(fā)明的方法能夠制造具有鋼管口徑大、厚度薄且容量大的40MPa級超高壓氣瓶用無縫鋼管，并且產(chǎn)品的橫縱向性能均勻一致，是軋管及其它制管方法難以企及的。
【具體實施方式】
[0012]在下文中，將詳細描述本發(fā)明的制造40MPa級超高壓氣瓶用鍛制無縫鋼管的方法。
[0013]本發(fā)明的制造40MPa級超高壓氣瓶用鍛制無縫鋼管的方法的工藝流程為:偏心底電弧爐熔煉一真空脫氣精煉一偏心底電弧爐熔煉(EBT)—鋼包爐精煉(LF)—真空脫氣精煉(VD)—澆注電渣自耗電極一電渣重熔一鋼錠去應力退火一一次鍛制管坯一退火一二次鍛制成品管一退火一取樣檢驗一內(nèi)外車光一超聲波探傷一磁粉探傷一外觀檢查，其中，對電渣自耗電極殘余有害元素要求為=Cu ≤ 0.10%, S ≤ 20ppm, P ≤ 50ppm, [H] ≤ 2ppm，[N] ≤ 45ppm,電渣重熔進一步去除鋼中的有害夾雜物、氣體且使鋼錠組織更加均勻致密，并且使得S ≤ lOppm，在一次鍛制管坯中，使鋼錠經(jīng)歷兩次以上鐓粗拔長一鐓粗沖孔一擴孔，以使鋼錠有效的破碎心部鑄造組織橫縱向組織均勻變形，然后使管坯進行緩冷或退火而避免直接空冷，在二次鍛制管坯中，將得到的管坯直接鍛制為成品管坯，控制鍛造頻率為120~180次/分鐘，變形溫度為950~1000°C，終鍛溫度≥800°C。
[0014]在一次鍛制管坯中，當坯料溫度偏低，鍛造存在開裂危險時，將管坯回爐再燒，再燒溫度為1050-1150°C，回爐再燒時間控制在90~120分鐘。
[0015]在一次鍛制管坯中，在鍛造時加熱制度為:使管坯從≤600°C的初始溫度用時3小時升至1150±10°C，并在此溫度下保持1小時，隨后開始鍛造。
[0016]在一次鍛制管坯中，采用2000MN或4500MN快鍛進行鍛制，在二次鍛制管坯中，采用1800MN精鍛機進行鍛制。
[0017]在二次鍛制管坯后的退火中，采用的退火制度為:使管坯以≤800C /小時的升溫速率升溫至680±10°C，并在此溫度下保持10小時，隨后以≤80°C /小時的降溫速率降溫至400°C并出爐空冷。
[0018]在電禮:重熔中，米用五兀電禮:禮:系，所述五兀電禮:禮:系包括:60~65%的CaF2、15 ~22% 的 Al2O3' 10 ~15% 的 Ca。、1 ~3% 的 MgO 和 1 ~3% 的 SiO2。
[0019]詳細地講，通過EBT+LF+VD冶煉出優(yōu)質(zhì)的電渣自耗電極，并要求做到五害元素盡量低，Cu ≤ 0.10%, S ≤ 20ppm, P ≤ 50ppm, [H] ≤ 2ppm，[N] ≤45ppm。澆注電極規(guī)格為O360mmo
[0020]該階段的關(guān)鍵環(huán)節(jié)在于控制鋼中的有害雜質(zhì)元素，EBT+LF+VD的電渣自耗電極的優(yōu)勢在于有效的去除鋼中的雜質(zhì)元素、氣體，且去硫去磷。在電弧爐冶煉(EBT)中，首先要保證鋼中的去碳量，一般而言，合金結(jié)構(gòu)鋼的去碳量≥ 0.30%即可，該鋼的去碳量必須做到去碳量≥ 0.40%，且要求鋼水不能過氧化嚴重，以免后期脫氧產(chǎn)物去除不盡，影響鋼中夾雜物含量。此外，低溫去磷及高溫沸騰去氣。
[0021]關(guān)于爐外精煉(LF)，LF冶煉環(huán)節(jié)在國內(nèi)外的應用非常廣泛，電渣自耗電極中的硫含量控制為IOppm以下，以保證材料的潔凈性。脫氧劑選擇方面較傳統(tǒng)冶煉有較大不同，主要的差別在于終脫氧不使用鋁或含鋁的復合脫氧劑，在還原初期做好脫氧工作，還原后期不添加鋁或含鋁的復合脫氧劑，可有效地保證材料的潔凈度。原理在于，鋁酸鹽夾雜物形成后，通過電渣的去除效果不佳，部分鋁酸鹽夾雜物繼續(xù)沉積在鋼錠中，因此在LF冶煉時期要求在還原初期做好脫氧工作，減少后期夾雜物形成且去除效果不佳的情況，這有利于提高材料的純凈度。另外，在此階段后期要保證適宜的真空脫氣溫度，脫氧還原要求充分。
[0022]關(guān)于真空脫氣(VD)，通過積累數(shù)據(jù)，以真空度在67Pa以下保持15分鐘為界限，保證材料的去氣量。去氣率與鋼水原始的氣體含量有關(guān)，前期電弧爐冶煉有效的去碳量可以減少后期真空脫氣的壓力，一般而言，經(jīng)上述冶煉操作后，鋼中的氫含量[H] ( 1.5ppm,[N] ^ 45ppm。
[0023]電渣重熔制造O550mm電渣錠，進一步去除鋼中的有害夾雜物、氣體且可以使鋼錠組織更加均勻致密，要求S≤10ppm.電渣錠規(guī)格為φ550mm。
[0024]在電渣重熔冶煉環(huán)節(jié)，采用的五元電渣渣系包括60~65%的氟化鈣(CaF2)、15~22%的三氧化二鋁(Al2O3)UO~15%的氧化鈣(CaO)U~3%的氧化鎂(MgO)和1~3%的二氧化硅(SiO2)。該五元渣系的優(yōu)勢是:彌補在電渣自耗電極棒中脫氧劑未使用鋁(或含鋁復合物)造成的電渣中C、Si燒損嚴重的缺點，減少鋼錠的吸氫；在吸附夾雜物方面，該渣系具有良好的潤濕角，吸附能力強，與傳統(tǒng)的二元或三元渣系相比，不僅大大降低材料中易燒損元素的燒損，還提高了材料的純凈度。
[0025]通過上述電爐加電渣雙聯(lián)工藝，使材料不僅在純凈度上滿足技術(shù)要求，還可為鍛造均勻致密組織的優(yōu)質(zhì)鋼錠，提高了材料的綜合性能。
[0026]在一次鍛制管坯中，采用2000MN或4500MN快鍛鍛制管坯。工藝上鋼錠須2次鐓粗拔長后，再沖孔、擴孔，使鋼錠有效地破碎心部鑄造組織，使材料橫縱向組織均勻變形。當坯料溫度偏低，鍛造存在開裂危險時，將管坯回爐再燒，再燒溫度為1050~1150°C，回爐再燒時間控制在90~120分鐘。管坯必須緩冷或退火，嚴禁直接空冷，防止組織應力造成的應力裂紋。經(jīng)過以上鍛造，電渣錠規(guī)格為0620X (95~100) XL1 (mm)。
[0027]即，該階段流程為兩次鐓粗拔長一鐓粗沖孔一擴孔。通過兩次鐓粗拔長，破碎材料的結(jié)晶組織，避免材料由于組織不均勻(或粗晶)造成材料性能不一的情況。擴孔階段由于其橫向變形程度很大，使材料橫縱向性能均勻一致。材料鍛制后可回爐轉(zhuǎn)精鍛機成型，如果條件不具備，緩冷即可。試驗表明，僅一次鐓粗拔長不能充分破碎結(jié)晶組織，在材料上的表征現(xiàn)象為晶粒不均，兩次以上的鐓粗拔長試驗結(jié)果顯示截面無晶粒組織異常情況。因此，鍛造開坯至少保證在兩次以上鐓粗拔長。
[0028]二次鍛制成品管采用1800MN精鍛機直接鍛制，保證產(chǎn)品的外形尺寸。在此工藝過程中，精鍛機鍛造的溫度不宜過大，根據(jù)不同噸位的精鍛機有所差別。為保證精鍛機鍛造優(yōu)勢，選用的加熱制度如下:使管坯從≤600°C的初始溫度用時3小時升至1150±10°C，并在此溫度下保持I小時，隨后開始鍛造。精鍛鍛制控制參數(shù):鍛造頻率為120~180次/min，變形溫度為950~1000°C，保證終鍛溫度> 800°C。應變速率控制主要通過精鍛機的A、B兩個夾頭的旋轉(zhuǎn)速度和伸縮速度來控制。壁厚控制:鍛制成品管坯規(guī)格為O 485 X 40 X L2 (mm)。
[0029]在二次鍛制成品管后的退火中，采用的退火制度為:使管坯以< 80°C /小時的升溫速率升溫至680±10°C，并在此溫度下保持10小時，隨后以≤80°C /小時的降溫速率降溫至400°C并出爐。
[0030]采用外車內(nèi)鏜進行后期精加工，精加工尺寸為O467X20XL3(mm)。探傷采用超聲波探傷和磁粉探傷。
[0031]該階段的優(yōu)勢在于:(1)精鍛機是多錘頭以壓應力為主的鍛造方式，變形區(qū)域內(nèi)的金屬處于壓應力狀態(tài)下產(chǎn)生橫向壓縮和軸向延展，有效克服了傳統(tǒng)鍛造和軋制出現(xiàn)不可避免的橫向?qū)捳苟鸬睦瓚?，因而避免了材料表面及?nèi)部裂紋的產(chǎn)生和擴展。由于材料鍛造主要受三向壓應力的影響，材料的塑性比傳統(tǒng)鍛造和軋制的材料高。(2) —火成型，與一般鍛件回爐再燒相比，其綜合性能大幅度提高。(3)精鍛機鍛造具有明顯的溫度效應，配合合理的鍛造溫度和變形速率，可以使材料在較小的溫度區(qū)間范圍內(nèi)鍛造，且克服了傳統(tǒng)鍛造多火鍛造的劣勢，減小了材料沿長度方向上的性能不均的弊端，可以得到非常均勻的組織和晶粒。(4)由于精鍛機鍛造兼顧橫向壓縮變形和軸向延展變形，鋼管縱橫向的性能差異性小，帶狀組織和纖維方向明顯較其他制管方式有較大優(yōu)勢。(5)材料的變形方式智能化，減少了人為帶來的操作失誤，提高了產(chǎn)品的穩(wěn)定性。(6)從材料的鍛造變形角度來看，平均應變速率控制在0.01s-1左右，此時需要控制變形溫度和鍛造頻率，保證材料在再結(jié)晶溫度內(nèi)變形，這樣可以極大地改善組織致密性，大幅度提高形核速率，并達到細化晶粒的目的。
[0032]下面將結(jié)合具體的示例來描述制造40MPa級超高壓氣瓶用鍛制無縫鋼管的方法。
[0033]通過上面描述的方法來制造試驗爐號為1#和2#的40MPa級超高壓氣瓶用鍛制無縫鋼管。
[0034]在下面的表1中示出了試驗爐號為1#和2#的原料鋼材的化學成分(單位為wt%)，其余為鐵和不可避免的雜質(zhì)。
[0035]表1
[0036]
【權(quán)利要求】
1.一種制造40MPa級超高壓氣瓶用鍛制無縫鋼管的方法，所述方法的工藝流程為: 偏心底電弧爐熔煉一鋼包爐精煉一真空脫氣精煉一澆注電渣自耗電極一電渣重熔一鋼淀去應力退火一一次鍛制管還一退火一二次鍛制成品管一退火一取樣檢驗一內(nèi)外車光—超聲波探傷一磁粉探傷一外觀檢查， 其中，對電渣自耗電極殘余有害元素要求為:Cu ( 0.10%, S ( 20ppm, P ( 50ppm,[H] ( 2ppm, [N] ( 45ppm,電渣重熔進一步去除鋼中的有害夾雜物、氣體且使鋼錠組織更加均勻致密，并且使得S ( IOppm, 在一次鍛制管坯中，使鋼錠經(jīng)兩次以上鐓粗拔長一鐓粗沖孔一擴孔，以使鋼錠有效的破碎心部鑄造組織橫縱向組織均勻變形，然后使管坯進行緩冷或退火且避免直接空冷， 在二次鍛制成品管中，控制鍛造頻率為120~180次/分鐘，變形溫度為950~1000°C，終鍛溫度> 800°C。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在一次鍛制管坯中，當坯料溫度偏低，鍛造存在開裂危險時，將管坯回爐再燒，再燒溫度為1050-1150°C，回爐再燒時間控制在90~120分鐘。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在一次鍛制管坯中，在鍛造時加熱制度為:使管坯從≤600°C的初始溫度用時3小時升至1150±10°C，并在此溫度下保持I小時，隨后開始鍛造。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在一次鍛制管坯中，采用2000MN或4500MN快鍛進行鍛制，在二次鍛制管坯中，采用1800MN精鍛機進行鍛制。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在二次鍛制成品管后的退火中，采用的退火制度為:使管坯以≤80°c /小時的升溫速率升溫至680± 10°C，并在此溫度下保持10小時，隨后以≤80°C /小時的降溫速率降溫至400°C并出爐空冷。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在電渣重熔中，采用五元電渣渣系，所述五元電渣渣系包括:60~65%的CaF2、15~22%的Al203、10~15%的CaO、l~3%的MgO和I~3% 的 SiO2。
【文檔編號】C22B9/18GK103639233SQ201310632044
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年11月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月28日
【發(fā)明者】葉文冰, 李源, 王佳明, 余志川, 韓濤, 謝煒, 羅通偉 申請人:攀鋼集團江油長城特殊鋼有限公司