直径559～711mm车载高压气瓶用无缝钢管及生产方法

摘要

本发明提供一种直径559～711mm车载高压气瓶用无缝钢管，该钢管化学成分以重量百分比为：0.27％～0.37％C、0.15％～0.35％Si、0.70％～0.95％Mn、P≤0.010％、S≤0.005％，0.80％～1.3％Cr、0.15％～0.50％Mo、0.2％～0.5％Ni、0.10％～0.3％Cu、0.020～0.050％Al、V+Nb+Ti+B+Zr≤0.15％，其余为铁及微量杂质元素。同时提供一种直径559～711mm车载高压气瓶用无缝钢管的生产方法。本发明有益效果是使用该方法的车载高压气瓶用无缝钢管具有合金淬透性、强度及低温韧性等性能的良好匹配，满足车载大直径高压气瓶对高强度、高韧性和低屈强比等性能的要求，生产最大直径为711mm、壁厚16～30mm、长度11m的车载大直径高压气瓶用无缝钢管，钢管组织致密，晶粒细小，屈强低，低温冲击韧性优异，同时生产效率高，金属消耗小。

权利要求

1.一种直径559～711mm车载高压气瓶用无缝钢管，其特征是：该钢管化学成分以重量百分比为：0.29%C、0.24%Si、0.77%Mn、P、0.013%、S、0.004%，0.98%Cr、0.21%Mo、0.03%Ni、

0.050%Cu、0.033%Al、V+Nb+Ti+B+Zr≤0.15%，其余为铁及微量杂质元素。

2.根据权利要求1所述的直径559～711mm车载高压气瓶用无缝钢管的生产方法，该方法具体包括以下步骤：（a）炼钢和连铸圆坯

炼钢采用大于40％的高炉铁水＋废钢按权利要求1配制原料，为降低钢中Al2O3夹杂，钢水采用Si－Ca－Ba进行脱氧处理，并经过LF精炼以及VD/RH真空处理；连铸圆坯时中间包钢水温度不得高于该钢液相线以上65℃，拉坯速度最大不超过3.0m/min；

（b）加热连铸圆坯

加热温度1200℃～1250℃，加热时间4～6小时，严格控制燃烧碳氧比，即达到炉内保持为微还原气氛，保证连铸圆坯温度均匀，避免过热或过烧；

（c）轧制荒管

加热后的连铸圆坯先由穿孔机斜轧穿孔出毛管，毛管喷吹硼砂后送入460PQF限动芯棒连轧管机轧制成高精度荒管，荒管几何尺寸及公差控制范围为：直径D377～506mm，壁厚S32～56㎜，长度8～11米，壁厚S公差控制在0～+20%S，直径D公差控制在±1％D，椭圆度不大于直径公差的80%，壁厚不均度不大于壁厚公差的80%，直线度1‰；

（d）轧制成品管

经无损探伤合格后，荒管转运到720斜轧旋扩机组进行二次热轧，加工顺序为：加热、减壁扩径轧制、均整和定径，荒管加热温度控制在1100℃～1150℃范围内，加热炉炉气氛控制为微还原性气氛，荒管进入轧机前通过轧制芯棒的顶头对其内表面喷射氯化钠以去除氧化铁皮，减壁扩径轧制的壁厚压下率大于40%，扩径量控制在30～70%，均整量控制在

2.4～2.6％；热轧过程中对所用轧制工具进行水冷却，以提高和改善内外表面质量和几何尺寸精度；热轧钢管经过调质，淬火温度为：880℃～910℃，油或水基淬火液冷却，回火温度为：610℃～690℃，空冷，制成品管。

3.根据权利要求2所述的直径559～711mm车载高压气瓶用无缝钢管的生产方法，其特征是：所述成品管直径D为559～711㎜，壁厚S为16.8～30㎜，长度9～12米，直径D的公差±0.8%，壁厚S公差0～+20%S，椭圆度不大于直径公差的80%，壁厚不均度不大于壁厚公差的80%，直线度不大于0.5‰；热处理后得到回火索氏体组织且晶粒度不小于8.5级，力学性能特征为：屈服强度650～850MPa、拉伸强度750～950MPa、屈强比0.84～0.90、延伸率16～24％、-50℃夏比冲击功：V型全尺寸≥120J。

说明书

直径559～711mm车载高压气瓶用无缝钢管及生产方法

技术领域

[0001] 本发明涉及无缝钢管制造方法，特别是直径559～711mm车载高压气瓶用无缝钢管及生产方法。

背景技术

[0002] 随着工业的发展，用于制造运输各种气体的大直径气瓶的无缝钢管的需求量也在逐步增加。车载大直径气瓶多数用于充装易燃、易爆介质，比如压缩天然气等，而且要反复充装，其使用温度为-40℃～+60℃，因此对制造气瓶材料的要求十分严格，例如要求热处理后的组织要求为回火索氏体且晶粒度不大于8.5级、屈强比不大于0.9等。其次，为了增加气瓶容重比和保证安全性，对制作气瓶的无缝钢管的表面质量、几何尺寸及公差等也提出了比常规气瓶管更苛刻的要求。

[0003] 然而，采用国标30CrMo或ASTM A519中4130钢，其淬透性较差，低温韧性不足。其次，在制造方法方面，国内制管工艺难以完全满足直径559～711mm、壁厚16～30mm、长度11m的气瓶用无缝钢管的高尺寸精度需要。例如；大顶管工艺简单，生产的钢管尺寸大，但产品几何尺寸精度差，生产效率低；皮尔格周期轧管工艺可以热轧生产直径559mm以上大直径气瓶管但生产效率低，几何尺寸精度和表面质量较差；拉拔扩管工艺制造的气瓶管虽然表面质量较高，可达到高纯气体气瓶用钢管的要求，但由于每道次扩径量不能太大，所以生产效率低，且由于塑性变形量小，热处理后组织粗大，产品低温韧性较差；国内江苏诚德钢管公司采用二次斜轧穿孔+均整工艺来生产大直径气瓶管。该工艺的优点是生产流程短，缺点是产品几何尺寸偏差大，且由于塑性变形量小，热处理后组织粗大，产品低温韧性较差。

[0004] 总之，现有的大直径无缝钢管的难以完全满足车载高压气瓶对高强高韧性、大规格、高尺寸精度、高生产效率的气瓶用无缝钢管的需要，尤其是直径559～711mm、壁厚16～30mm、长度11m的气瓶用无缝钢管的需要。

发明内容

[0005] 为解决现有车载大直径高压气瓶用无缝钢管的不足，本发明的目的是提供一种直径559～711mm车载高压气瓶用无缝钢管及生产方法，满足车载气瓶运输天然气的需要，提高车载高压气瓶用无缝钢管在低温下的韧性和强度。

[0006] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种直径559～711mm车载高压气瓶用无缝钢管，其中：该钢管化学成分以重量百分比为：0.27％～0.37％C、0.15％～0.35％Si、0.70％～0.95％Mn、P≤0.010％、S≤0.005％，0.80％～1.3％Cr、0.15％～0.50％Mo、0.2％～0.5％Ni、0.10％～0.3％Cu、0.020～0.050％Al、V+Nb+Ti+B+Zr≤0.15％，其余为铁及微量杂质元素。

[0007] 同时提供一种直径559～711mm车载高压气瓶用无缝钢管的生产方法。

[0008] 本发明的有益效果是使用该工艺方法具体表现在：1)合金设计以常规30CrMo钢为基础，保持C含量不变，提高Mn、Cr、Mo的含量，同时控制Al、V、Nb、Ti、B、Zr等元素的含量，以获得淬透性、强度及低温韧性等性能的良好匹配，完全可以满足车载大直径高压气瓶对高强度、高韧性和低屈强比等性能的要求；2)在生产车载大直径气瓶用无缝钢管方面，采用两步轧管法：首先由460PQF限动芯棒连轧管机组将连铸坯热轧成高精度荒管，然后再由720斜轧旋扩机组将荒管热轧成成品管。采用该种方法可以生产最大直径为711mm、壁厚16～30mm、长度11m的车载大直径高压气瓶用无缝钢管，钢管组织致密，晶粒细小，屈强低，低温冲击韧性优异，同时生产效率高，金属消耗小；3)该方法生产高压气瓶用无缝钢管不但产品规格大，而且几何尺寸精度高、生产效率高，适合大工业生产。

具体实施方式

[0009] 结合实施例对本发明的直径559～711mm车载高压气瓶用无缝钢管及生产方法加以说明。

[0010] 本发明的直径559～711mm车载高压气瓶用无缝钢管，该钢管化学成分以重量百分比为：0.27％～0.37％C、0.15％～0.35％Si、0.70％～0.95％Mn、P≤0.010％、S≤0.005％，0.80％～1.3％Cr、0.15％～0.50％Mo、0.2％～0.5％Ni、0.10％～0.3％Cu、0.020～0.050％Al、V+Nb+Ti+B+Zr≤0.15％，其余为铁及微量杂质元素。

[0011] 所述直径559～711mm车载高压气瓶用无缝钢管的生产方法具体包括以下步骤：

[0012] (a)炼钢和连铸圆坯

[0013] 炼钢采用大于40％的高炉铁水+废钢按权利要求1配制原料，为降低钢中Al2O3夹杂，钢水采用Si-Ca-Ba进行脱氧处理，并经过LF精炼以及VD/RH真空处理；连铸圆坯时中间包钢水温度不得高于该钢液相线以上65℃，拉坯速度最大不超过3.0m/min；

[0014] (b)加热连铸圆坯

[0015] 加热温度1200℃～1250℃，加热时间4～6小时，严格控制燃烧碳氧比，即达到炉内保持为微还原气氛，保证连铸圆坯温度均匀，避免过热或过烧；

[0016] (c)轧制荒管

[0017] 加热后的连铸圆坯先由穿孔机斜轧穿孔出毛管，毛管喷吹硼砂后送入460PQF限动芯棒连轧管机轧制成高精度荒管，荒管几何尺寸及公差控制范围为：直径D377～506mm，壁厚S32～56mm，长度8～11米，壁厚S公差控制在0～+20％S，直径D公差控制在±1％D，椭圆度不大于直径公差的80％，壁厚不均度不大于壁厚公差的80％，直线度1‰；

[0018] (d)轧制成品管

[0019] 经无损探伤合格后，荒管转运到720斜轧旋扩机组进行二次热轧，加工顺序为：加热、减壁扩径轧制、均整和定径，荒管加热温度控制在1100℃～1150℃范围内，加热炉炉气氛控制为微还原性气氛，荒管进入轧机前通过轧制芯棒的顶头对其内表面喷射氯化钠以去除氧化铁皮，减壁扩径轧制的壁厚压下率大于40％，扩径量控制在30～70％，均整量控制在2.4～2.6％；热轧过程中对所用轧制工具进行进行水冷却，以提高和改善内外表面质量和几何尺寸精度；热轧钢管经过调质，淬火温度为：880℃～910℃，油或水基淬火液冷却，回火温度为：610℃～690℃，空冷，制成品管。

[0020] 本发明的直径559～711mm车载高压气瓶用无缝钢管成品管直径D为559～711mm，壁厚S为16.8～30mm，长度9～12米，直径D的公差±0.8％，壁厚S公差0～+20％S，椭圆度不大于直径公差的80％，壁厚不均度不大于壁厚公差的80％，直线度不大于0.5‰；热处理后得到回火索氏体组织且晶粒度不小于8.5级，力学性能特征为：屈服强度650～850MPa、拉伸强度750～950MPa、屈强比0.84～0.90、延伸率16～24％、-50℃夏比冲击功：V型全尺寸≥120J。

[0021] 实施例1

[0022] 1、化学成分、规格和力学性能

[0023] 钢管化学成分设计控制范围为：0.28％～0.32％C、0.15％～0.35％Si、0.70％～0.90％Mn、P≤0.010％、S≤0.005％，0.90％～1.1％Cr、0.20％～0.25％Mo、0.020％～
0.040％Al、V+Nb+Ti+B+Zr≤0.15％，其余为铁。钢管规格及偏差要求和力学性能要求分别见表1、表2。

[0024] 表1钢管尺寸规格及偏差要求

[0025]

[0026] 表2力学性能要求

[0027]

[0028] 2、生产工艺

[0029] (1)炼钢和连铸圆坯

[0030] 电弧炉采用一定比例的铁水(＞40％)+优质废钢为冶金原料。热装铁水，避免钢水的过氧化，且稀释了废钢中的有害元素。当电炉终点成分[C]≤0.06％、[P]≤0.005％时，偏心炉底无渣出钢，出钢时间≤3min。为避免B类夹杂(Al2O3)超标，在电弧炉出钢过程中加入Si-Ca-Ba进行脱氧处理，禁止使用铝和硅铝铁。在精炼(LF)时尽量提前加入渣料脱硫，并配碳化硅造渣还原，精炼按300～350m/炉喂硅钙丝，确保喂硅钙丝后弱搅拌时间不小于5min，杜绝后期强吹氩搅拌。高真空处理时间不小于8min，上连铸前按0.010％～0.04％喂入Al丝，并严格控制钢水精炼至连铸的温度。连铸时，浇铸时中间包液位控制在略低于高坝上沿，每浇次浇铸结束时的中间包液位不得低于200mm，单中间包连浇炉数不得超过8炉，对连铸最高拉速进行限定。

[0031] 连铸坯经检查合格后切割成Φ350×3700mm的管坯。

[0032] (2)连铸坯加热，连铸坯在环形炉加热，加热温度为1250±20℃，加热时间4～6小时。严格控制燃烧碳氧比，使炉内保持为微还原气氛，要保证钢坯温度均匀，避免过热或过烧。

[0033] (3)加热后的连铸坯首先在460PQF限动芯棒连轧管机组的穿孔机上斜轧穿孔制成毛管，毛管喷吹硼砂后送入五机架三辊PQF连轧机进行热轧，接着在三辊定径机上热定径，最终轧制成符合要求的荒管。

[0034] 为确保所轧荒管的规格和尺寸偏差，特别是壁厚偏差满足成品管轧制要求，对于轧制的荒管直径、壁厚、定尺长度、偏差及外形按表3进行控制。

[0035] 表3荒管的直径、壁厚、长度及公差及外形要求

[0036]

[0037]

[0038] (4)荒管无损探伤合格后转运到720斜轧旋扩机组进行二次加热轧制。首先将荒管加热，然后在720斜轧旋扩机组上进行减壁扩径轧制以减小壁厚和扩大直径，接着进行均整和定径。加热炉气氛控制为微还原性气氛，荒管加热温度控制在1100℃～1150℃范围内。荒管进入斜轧旋扩轧机前，先通过轧制芯棒的顶头对荒管内表面喷射氯化钠以去除其表面铁皮。

[0039] 热轧钢管减壁扩径轧制时的壁厚压下率、扩径量和均整量见表4。

[0040] 表4壁厚压下率、扩径量和均整量

[0041]

[0042] (5)热轧钢管经超声波探伤、表面修磨、超声波复验探伤、水压试验、人工复检、小样热处理、喷标、包装入库。

[0043] 成品钢管化学成分见表5，成品钢管几何尺寸见表6所示。钢管热处理工艺见表7，热处理后晶粒大小为8.5级，其力学性能见表8。

[0044] 表5成品钢管化学成分

[0045]

[0046] 表6成品钢管几何尺寸和偏差

[0047]

[0048] 表7钢管试样热处理工艺

[0049]

[0050] 表8钢管试样力学性能

[0051]

[0052] 实施例2

[0053] 1、化学成分、规格和力学性能

[0054] 钢管设计化学成分控制范围为：0.28％～0.34％C、0.15％～0.35％Si、0.70％～0.90％Mn、P≤0.010％、S≤0.005％、0.90％～1.15％Cr、0.20％～0.25％Mo、0.020％～
0.050％Al、V+Nb+Ti+B+Zr≤0.15％。钢管规格及偏差和力学性能分别见表9、表10。

[0055] 表9钢管尺寸规格及偏差要求

[0056]

[0057] 表10钢管力学性能要求

[0058]

[0059] 2、生产工艺

[0060] (1)炼钢和连铸圆坯

[0061] 电弧炉采用一定比例的铁水(＞40％)+优质废钢为冶金原料。热装铁水，避免钢水的过氧化，且稀释了废钢中的有害元素。当电炉终点成分[C]≤0.06％、[P]≤0.005％时，偏心炉底无渣出钢，出钢时间≤3min。为避免B类夹杂(Al2O3)超标，在电弧炉出钢过程中加入Si-Ca-Ba进行脱氧处理，禁止使用铝和硅铝铁。在精炼(LF)时尽量提前加入渣料脱硫，并配碳化硅造渣还原，精炼按300～350m/炉喂硅钙丝，确保喂硅钙丝后弱搅拌时间不小于5min，杜绝后期强吹氩搅拌。VD高真空处理时间不小于8min，上连铸前按0.010％～0.04％喂入Al丝，并严格控制钢水精炼至连铸的温度。连铸时，浇铸时中间包液位控制在略低于高坝上沿，每浇次浇铸结束时的中间包液位不得低于200mm，单中间包连浇炉数不得超过8炉，对连铸最高拉速进行限定。

[0062] 连铸坯经检查合格后切割成Φ400×5000mm的管坯。

[0063] (2)连铸坯加热，连铸坯在环形炉加热，加热温度为1250±20℃，加热时间大于6小时。炉堂控制为微还原气氛，要保证钢坯温度均匀，避免过热或过烧。

[0064] (3)加热后的连铸坯首先在460PQF限动芯棒连轧管机组的穿孔机上斜轧穿孔制成毛管，毛管喷吹硼砂后送入五机架PQF连轧机进行热轧，接着在三辊定径机上热定径，最终轧制成荒管。

[0065] 为确保所轧荒管的规格和尺寸偏差，特别是壁厚偏差满足成品管轧制要求，对于轧制的荒管直径、壁厚、定尺长度、偏差及外形按表11进行控制。

[0066] 表11荒管的直径、壁厚、长度及公差及外形要求

[0067]

[0068] (4)荒管无损探伤合格后转运到720斜轧旋扩机组进行热轧。首先将荒管加热，然后加热的荒管在720斜轧旋扩机组上进行减壁扩径轧制以减小壁厚和扩大直径，接着进行均整和定径以改善钢管尺寸精度和内外表面质量。加热炉气氛为微还原性气氛加热度控制在1100℃～1150℃范围内。进入斜轧旋扩轧机前，首先通过轧制芯棒的顶头对荒管内表面喷射氯化钠以去除其氧化铁皮。

[0069] 热轧钢管的减壁扩径轧制时的壁厚压下率、扩径量和均整量见表12。

[0070] 表12壁厚压下率、扩径量和均整量

[0071]编号 壁厚压下率(％) 扩径量(％) 均整量(％)
1# 45.11 55.6 2.60
2# 45.10 55.6 2.60

[0072] (5)热轧钢管经超声波探伤、表面修磨、超声波复验探伤、水压试验、人工复检、小样热处理、喷标、包装入库。

[0073] 成品钢管化学成分见表13，成品钢管几何尺寸见表14所示。钢管试样热处理工艺为：淬火890℃/30min，油冷+回火690℃/120min，空冷。热处理后晶粒大小为8.5级，其力学性能见表15。

[0074] 表5成品钢管化学成分

[0075]