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CN110438390A - 一种Φ280mm大规格圆棒材的石油管道阀体用钢及其生产方法 - Google Patents

一种Φ280mm大规格圆棒材的石油管道阀体用钢及其生产方法 Download PDF

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CN110438390A CN201910829546.0A CN201910829546A CN110438390A CN 110438390 A CN110438390 A CN 110438390A CN 201910829546 A CN201910829546 A CN 201910829546A CN 110438390 A CN110438390 A CN 110438390A
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Abstract

本发明公开了一种Φ650mm连铸大圆坯轧制Φ280mm圆棒工艺的石油管道阀体用钢及其生产方法，采用电炉冶炼+炉外精炼+真空脱气+连铸生产Φ650mm连铸大圆坯，轧制成Φ280mm圆棒的工艺。所述石油管道阀体用钢的特征在于：化学成分通过调整C、Cr、Mo，添加微合金元素Ni，满足钢的低温冲击性能和强度要求，通过电炉冶炼工艺得到高纯净度的钢水经轧制后得到压缩比≥4的圆棒，具有纯净度高、组织均匀和较好的机械性能，满足石油管道阀体用钢的要求。

Description

一种Φ280mm大规格圆棒材的石油管道阀体用钢及其生产 方法
技术领域
本发明涉及钢铁材料技术领域，特别是一种石油管道阀体用钢及其生产方法。
背景技术
石油管道阀体作为流体控制设备内的一个关键性部件，广泛运用在石油开采及传输的行业里。阀体作为阀门的主要部件，其产品的综合性能和成形工艺直接影响着企业的生产成本、阀门承受的工作环境及使用寿命等等。随着时代的进步，石油管道阀体在高压、高温、深冷等复杂工况下运用得越来越广泛，但是，由于阀体质量问题造成的原油泄漏将会给人身财产安全以及给人类生存的环境(如：水资源、海水里的水产养殖等)带来毁灭性的灾害。
201510153826.6公开了一种用于石油管道的碳素钢阀体的表面防腐处理工艺，其特征在于，具体步骤包括：阀体除油→酸洗→纯水清洗→化学镀镍→出槽→再次纯水清洗→加热处理→抛光→检验→包装入库。采用合理的原料配比，对碳素钢阀体进行化学镀镍，使阀体表面的防腐功能比之前提高了十倍以上。但是碳素钢阀体的耐低温性能较差，仅适用于温带、亚热带或热带地区，对于高寒地区则出现明显的脆性断裂，未能达到低温冲击韧性性能优良的要求。
201180063435.5提供了一种含高锰的铁基构件及其在油气和/或石油化学品应用方面的用途。所述构件包含5至40重量％的锰、0.01至3.0重量％的碳和余量铁。所述构件可任选地包含一种或多种选自铬、镍、钴、钼、铌、铜、钛、钒、氮、硼及其组合中的合金化元素。但是此钢种的锰含量较高，贵重金属如镍、钴、钼、铌、钒等添加元素多，造成合金成本高。
由于对阀体的要求很高，因此相关的生产阀体的企业提出了更高、更苛刻的要求，以便保证阀门在恶劣环境中具有较高的安全性和可靠性。所以，不仅对阀体表面质量要求高，而且对阀体内部质量的要求也特别高，内部质量包括：化学成分、抗拉强度、屈服强度、断面收缩率、延伸率、冲击值、硬度值等。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种石油管道阀体用钢及其生产方法，生产工艺流程为：电炉冶炼、炉外精炼、真空脱气、连铸、轧制。具体而言，本发明提供了一种Φ650mm连铸大圆坯轧制Φ280mm圆棒工艺的石油管道阀体用钢及其生产方法，采用电炉冶炼+炉外精炼+真空脱气+连铸生产Φ650mm连铸大圆坯，轧制成Φ280mm圆棒的工艺。石油管道阀体用钢的化学成分通过调整C、Cr、Mo，添加微合金元素Ni，满足钢的低温冲击性能和强度要求，通过电炉冶炼工艺得到高纯净度的钢水经轧制后得到压缩比≥4的圆棒，具有纯净度高、组织均匀和较好的机械性能，满足石油管道阀体用钢的要求。
名词解释：
VD处理：主要应用于钢水脱氧，可对钢水进行真空脱气处理及真空下合金成分微调及氩气搅拌，促进夹杂物上浮，提高钢水纯净度。
一般疏松：钢液在凝固时，各结晶核心以树枝状晶形式长大。在树枝状晶主轴和各次轴之间存在着钢液凝固时产生的微孔隙和析集一些低熔点组员、气体和非金属夹杂物。这些微孔隙和析集的物质经酸腐蚀后呈现组织疏松。其分析方法为，在酸浸试片上表现为组织不致密，呈分散在整个截面上的暗点和空隙。暗点多呈圆形或椭圆形。空隙在放大镜下观察多为不规则的空洞或圆形针孔。这些暗点和空隙一般出现粗大的树枝状晶主轴和各次轴之间，疏松区发暗而轴部发亮，当亮区和暗区的腐蚀程度差别不大时则不产生凹坑。
中心疏松：钢液凝固时体积收缩引起的组织疏松及钢锭中心部位因最后凝固使气体析集和夹杂物聚集较为严重所致。其分析方法为，在酸浸试片的中心部位呈集中分布的空隙和暗点。它和一般疏松的主要区别是空隙和暗点仅存在试样的中心部位，而不是分散在整个截面上。
偏析：合金中各组成元素在结晶时分布不均匀的现象称为偏析。其分析方法为在酸浸试片上的中心部位呈现腐蚀较深的暗斑，有时暗斑周围有灰白色带及疏松。
以上三种低倍组织缺陷(一般疏松、中心疏松、偏析)，可按GB/T1979结构钢低倍组织缺陷评级图中的附录A评定。
本发明提供一种石油管道阀体用钢，所述钢材含有下述质量百分比含量的化学成分：C：0.30～0.33％，Si：0.20～0.35％，Mn：0.65～0.70％，Cr：1.00～1.10％，Ni：0.20～0.25％，Mo：0.20～0.25％，V：≤0.02％，P≤0.020％，S≤0.015％，Alt≤0.040，气体[H]≤1.5ppm，[O]≤20ppm，[N]≤100ppm；其余为Fe及其他不可避免杂质。
优选的，所述石油管道阀体用钢，Ni含量满足0.06C+0.04Si+0.072Mn+0.043Cr+0.03Mo≤Ni≤0.15C+0.12Si+0.11Mn+0.07Cr+0.05Mo。
优选的，所述石油管道阀体用钢，抗拉强度≥655MPa，屈服强度≥517MPa，延伸率≥17％，端面收缩率≥35％，-46℃冲击功≥27J。
更优选的，所述石油管道阀体用钢，抗拉强度655-760MPa，屈服强度517-700MPa，延伸率17-25％，端面收缩率35-70％，-46℃冲击功27-50J。
更优选的，所述石油管道阀体用钢，抗拉强度690-730MPa，屈服强度630-670MPa，延伸率19-22％，端面收缩率55-60％，-46℃冲击功36-40J。
本发明还提供一种石油管道阀体用钢的生产方法，其特征在于：经电炉冶炼、炉外精炼、真空脱气，连铸生产Φ650mm连铸大圆坯，轧制成Φ280mm圆棒；压缩比≥4。
优选的，石油管道阀体用钢的生产方法，具体生产步骤如下：
(1)电炉冶炼：
在电弧炉中冶炼，采用废钢和热装铁水，热装铁水比例＞60％。出钢要求终点C≥0.10％，P≤0.015％，其它残余元素含量符合标准要求。出钢过程随钢流加钢芯铝，钢包合金化时按照各成分下限配入合金调整。
(2)炉外精炼：
钢包到达LF精炼工位后落炉盖测温。根据测温情况送电加热，加入石灰、萤石，吨钢石灰和萤石加入量＞12kg，在白渣下取样分析，根据分析结果，按内控要求调整C、Si、Mn、Cr、Ni、Mo等成分含量，调整成分时通过料仓自动添加硅铁、高锰、高铬、镍板、钼铁等合金。
(3)真空脱气：
钢包到位后落盖预抽真空，真空度到40-60pa后吹氩气流量控制在100-150NL/min，保持真空处理时间≥20分钟。破空后取样全分析熔炼成分。
(4)连铸：
VD处理后控制上钢温度：连铸第一炉温度：1580～1595℃，第二炉：1560～1565℃，第三炉以后：1550～1560℃。
采用R16.5m5机5流弧形连铸机生产Φ650mm连铸大圆坯，采用专用连铸保护渣，使用中包覆盖剂，长水口氩封。使用结晶器电磁搅拌和末端电磁搅拌，改善铸坯组织。浇铸过程中包过热度按20～30℃标控制。
(5)加热炉加热：
使用步进式加热炉加热，加热时长≥8小时，既要保证钢坯加热均匀，又要防止脱碳和粘炉。
(6)轧制：
开轧温度1120℃～1180℃。保证终轧温度920℃～1020℃。轧制成圆棒的规格为Φ250mm，压缩比≥4。
优选的，所述方法还包括热处理，热处理工艺包括：正火、淬火、回火。
所述正火为正火，又称常化，是将工件加热至Ac3(Ac是指加热时自由铁素体全部转变为奥氏体的终了温度，一般是从727℃到912℃之间)或Acm(Acm是实际加热中过共析钢完全奥氏体化的临界温度线)以上30～50℃，保温一段时间后，从炉中取出在空气中或喷水、喷雾或吹风冷却的金属热处理工艺。其目的是在于使晶粒细化和碳化物分布均匀化。
正火，加热至860-880℃保温后，空冷。
所述淬火为，加热至845℃-885℃保温后，水或聚合物淬火。
所述回火为，加热至650℃-704℃保温后空冷。
热处理后的拉伸试样的结果为：抗拉强度≥655MPa，屈服强度≥517MPa，延伸率≥17％，端面收缩率≥35％，-46℃冲击功≥27J。
优选的，步骤(1)所述的废钢为优质废钢，主要含Cr、Mn的合金废钢。
优选的，步骤(1)所述的其它残余元素含量符合标准要求，是指五害元素含量≤0.015％。五害元素指硒铅砷锑铋，五害元素的总量控制在≤0.015％，质量百分比。
优选的，步骤(1)所述的钢芯铝，(Al含量为75％)，钢芯铝的加入量为1.0-1.2Kg/t。
优选的，步骤(2)所述的根据测温情况送电加热，温度控制在1590-1620℃。
优选的，步骤(2)所述的加入石灰、萤石，石灰为CaO；萤石为CaF2。加入量为：每吨钢加入6.0-7.0kg石灰，每吨钢加入6.0-7.0kg萤石。步骤(2)所述的石灰和萤石的总加入量为每吨钢加入12-14kg。
优选的，步骤(2)中，调整成分时通过料仓自动添加硅铁、高锰、高铬、镍板、钼铁等合金。所述硅铁、高锰、高铬、镍板、钼铁均为购买，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。
优选的，步骤(3)中，所述破空为解除真空，开罐盖。
优选的，步骤(3)中，钢包到位后落盖预抽真空，真空度到50pa后吹氩气流量控制在110-140NL/min，保持真空处理时间≥20分钟。
优选的，步骤(3)中，其熔炼成分特征在于，以质量百分比计包含：C：0.30～0.33％，Si：0.20～0.35％，Mn：0.65～0.70％，Cr：1.00～1.10％，Ni：0.20～0.25％，Mo：0.20～0.25％，V：≤0.02％，P≤0.020％，S≤0.015％，Alt≤0.040，气体[H]≤1.5ppm，[O]≤20ppm，[N]≤100ppm；其余为Fe及其他不可避免杂质。
Ni含量应满足0.06C+0.04Si+0.072Mn+0.043Cr+0.03Mo≤Ni≤0.15C+0.12Si+0.11Mn+0.07Cr+0.05Mo。
优选的，步骤(4)中，专用连铸保护渣为CrMo钢专用保护渣
CrMo钢专用保护渣成分％
优选的，步骤(4)中，中包覆盖剂为采用CaO-SiO2-MgO作为基本渣系。
渣系成分％
优选的，步骤(5)中，加热时长为8-10小时。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于本发明石油管道阀体用钢的化学成分全部满足技术要求；电炉-连铸-轧制生产模式的圆钢表面质量良好，低倍组织优良，没有目视可见的白点、裂纹、分层、夹杂、翻皮；晶粒组织更细密，晶粒分布更均匀，从而提高了阀体的强度，同时，又提高了其耐疲劳性能，延长了阀体的使用寿命，通过合理的成分设计和热处理工艺，耐低温性能得到大幅提高。
本发明仅添加微量合金元素镍、钼，合金成本低，性能优良，满足用户对于石油管道阀体加工制造的需求。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1-3
本实施例石油管道阀体用钢化学成分组成及其质量百分比含量见表1，其余成分为Fe和不可避免的杂质。表2为石油管道阀体用钢的生产工艺指标。表3为各实施例的低倍组织结果。表4为各实施例的非金属夹杂物级别。表5为各实施例的力学性能。
本实施例生产工艺包括电炉冶炼、炉外精炼、真空脱气、连铸和轧制，具体工艺步骤如下所述：
(1)电炉冶炼：在120吨容量的电弧炉中冶炼，采用优质废钢和热装铁水，热装铁水比例＞60％。出钢要求终点C≥0.10％，P≤0.015％，其它残余元素含量符合标准要求。出钢过程随钢流加钢芯铝260kg，钢包合金化时按照成分下限配入合金调整。
(2)炉外精炼：钢包到达LF精炼工位后落炉盖测温。根据测温情况送电加热，加入石灰、萤石渣料，吨钢渣料＞12kg，在白渣下取样分析，根据分析结果，按内控要求调整C、Si、Mn、Cr、Ni、Mo等成分含量，调整成分时通过料仓自动添加硅铁、高锰、高铬、镍板、钼铁等合金。
(3)真空脱气：钢包到位后落盖预抽真空，真空度到50pa后吹氩气流量控制在100-150NL/min，保持真空处理时间≥20分钟。破空后取样全分析熔炼成分。其熔炼成分特征在于，以质量百分比计包含：C：0.30～0.33％，Si：0.20～0.35％，Mn：0.65～0.70％，Cr：1.00～1.10％，Ni：0.20～0.25％，Mo：0.20～0.25％，V：≤0.02％，P≤0.020％，S≤0.015％，Alt≤0.040，气体[H]≤1.5ppm，[O]≤20ppm，[N]≤100ppm；其余为Fe及其他不可避免杂质。
Ni含量应满足0.06C+0.04Si+0.072Mn+0.043Cr+0.03Mo≤Ni≤0.15C+0.12Si+0.11Mn+0.07Cr+0.05Mo。
(4)连铸：VD处理后控制上钢温度：连铸第一炉温度：1580～1595℃，第二炉：1560～1565℃，第三炉以后：1550～1560℃。
采用R16.5m5机5流弧形连铸机生产Φ650mm连铸大圆坯，采用专用连铸保护渣，使用中包覆盖剂，长水口氩封。使用结晶器电磁搅拌和末端电磁搅拌，改善铸坯组织。浇铸过程中包过热度按20～30℃标控制。
(5)加热炉加热：使用步进式加热炉加热，加热时长≥8小时，既要保证钢坯加热均匀，又要防止脱碳和粘炉。
(6)轧制：开轧温度1120℃～1180℃。保证终轧温度920℃～1020℃。轧制成圆棒的规格为Φ250mm，压缩比≥4。
(7)热处理：圆棒上截取200mm长的试样做热处理，热处理工艺：正火+淬火(加热至845℃-885℃保温后水或聚合物淬火)+回火(加热至650℃-704℃保温后空冷)。热处理后的拉伸试样的结果为：抗拉强度≥655MPa，屈服强度≥517MPa，延伸率≥17％，端面收缩率≥35％，-46℃冲击功≥27J。C：0.30～0.33％，Si：0.20～0.35％，Mn：0.65～0.70％，Cr：1.00～1.10％，Ni：0.20～0.25％，Mo：0.20～0.25％，V：≤0.02％，P≤0.020％，S≤0.015％，Alt≤0.040，气体[H]≤1.5ppm，[O]≤20ppm，[N]≤100ppm；
表1为本发明各实施例钢的化学成分
表2为石油管道阀体用钢的生产工艺指标
表3为石油管道阀体用钢的低倍组织
一般疏松 中心疏松 偏析
实施例1 0.5 1.0 0
实施例2 0.5 0.5 0.5
实施例3 1.0 0.5 0.5
技术要求 ≤1.5 ≤1.5 ≤2.0
表4为石油管道阀体用钢的非金属夹杂物级别
A细 A粗 B细 B粗 C细 C粗 D细 D粗
实施例1 1.0 0 1.0 0 0 0 0.5 0
实施例2 0.5 0.5 0 0.5 0.5 0 0 0.5
实施例3 1.0 0 0.5 0 0 0.5 0.5 0
技术要求 ≤1.5 ≤1.5 ≤1.5 ≤1.5 ≤1.5 ≤1.0 ≤1.5 ≤1.5
表4中，A类夹杂物为硫化物类，细系的夹杂物宽度为2-4um，粗系的宽度为＞4-12um；B类夹杂物为氧化铝类，细系的宽度为2-9um，粗系的宽度为＞9-15um；C类夹杂物为硅酸盐类，细系的宽度为2-5um，粗系的为＞5-12um；D类夹杂物为环状氧化物类，细系直径为3-8um，粗系为＞8-13um。
表5为石油管道阀体用钢的力学性能
Rm/MPa Rp0.2/MPa A/％ Z/％ Akv(-46℃)/J
技术要求 ≥655 ≥517 ≥17 ≥35 ≥27
实施例1 712 651 21 55 36
实施例2 698 639 19 56 39
实施例3 721 662 20 58 39
说明：Rm(MPa)：抗拉强度；Rel(MPa)：屈服强度A(％)：断后伸长率；Z(％)：断面收缩率；HBW：布氏硬度。参考国标：GB/T 228.1金属材料拉伸实验第一部分：室温试验方法。

Claims (10)

1.一种石油管道阀体用钢，其特征在于，所述钢材含有下述质量百分比含量的化学成分：
C：0.30～0.33％，Si：0.20～0.35％，Mn：0.65～0.70％，Cr：1.00～1.10％，Ni：0.20～0.25％，Mo：0.20～0.25％，V：≤0.02％，P≤0.020％，S≤0.015％，Alt≤0.040，气体[H]≤1.5ppm，[O]≤20ppm，[N]≤100ppm；其余为Fe及其他不可避免杂质。
2.如权利要求1所述的石油管道阀体用钢，其特征在于，
所述石油管道阀体用钢，Ni含量满足0.06C+0.04Si+0.072Mn+0.043Cr+0.03Mo≤Ni≤0.15C+0.12Si+0.11Mn+0.07Cr+0.05Mo。
3.如权利要求1所述的石油管道阀体用钢，其特征在于，所述石油管道阀体用钢，抗拉强度≥655MPa，屈服强度≥517MPa，延伸率≥17％，端面收缩率≥35％，-46℃冲击功≥27J。
更优选的，所述石油管道阀体用钢，抗拉强度655-760MPa，屈服强度517-700MPa，延伸率17-25％，端面收缩率35-70％，-46℃冲击功27-50J。
更优选的，所述石油管道阀体用钢，抗拉强度690-730MPa，屈服强度630-670MPa，延伸率19-22％，端面收缩率55-60％，-46℃冲击功36-40J。
4.如权利要求1-3任一项所述的石油管道阀体用钢的生产方法，其特征在于：经电炉冶炼、炉外精炼、真空脱气，连铸生产Φ650mm连铸大圆坯，轧制成Φ280mm圆棒；压缩比≥4。
5.如权利要求4所述的石油管道阀体用钢的生产方法，其特征在于，生产步骤如下：
(1)电炉冶炼：
在电弧炉中冶炼，采用废钢和热装铁水，热装铁水比例＞60％。出钢要求终点C≥0.10％，P≤0.015％，出钢过程随钢流加钢芯铝，钢包合金化时按照各成分下限配入合金调整；
(2)炉外精炼：
钢包到达LF精炼工位后落炉盖测温；根据测温情况送电加热，加入石灰、萤石，吨钢石灰和萤石加入量＞12kg，
在白渣下取样分析，根据分析结果，按内控要求调整C、Si、Mn、Cr、Ni、Mo等成分含量，调整成分时通过料仓自动添加硅铁、高锰、高铬、镍板、钼铁等合金；
(3)真空脱气：
钢包到位后落盖预抽真空，真空度到40-60pa后吹氩气流量控制在100-150NL/min，保持真空处理时间≥20分钟；
破空后取样全分析熔炼成分；
(4)连铸：
VD处理后控制上钢温度：连铸第一炉温度：1580～1595℃，第二炉：1560～1565℃，第三炉以后：1550～1560℃；
采用R16.5m5机5流弧形连铸机生产Φ650mm连铸大圆坯，采用专用连铸保护渣，使用中包覆盖剂，长水口氩封。使用结晶器电磁搅拌和末端电磁搅拌；浇铸过程中包过热度按20～30℃控制。
(5)加热炉加热：
使用步进式加热炉加热，加热时长≥8小时，
(6)轧制：
开轧温度1120℃～1180℃。保证终轧温度920℃～1020℃；轧制成圆棒的规格为Φ250mm，压缩比≥4。
6.如权利要求5所述的石油管道阀体用钢的生产方法，其特征在于，还包括热处理，热处理工艺包括：正火、淬火、回火。
所述正火，加热至860-880℃保温后，空冷。
所述淬火为，加热至845℃-885℃保温后，水或聚合物淬火。
所述回火为，加热至650℃-704℃保温后空冷。
7.如权利要求5或6所述的石油管道阀体用钢的生产方法，其特征在于，步骤(1)所述的钢芯铝，Al含量为75％，钢芯铝的加入量为1.0-1.2Kg/t。
8.如权利要求5或6所述的石油管道阀体用钢的生产方法，其特征在于，步骤(2)所述的根据测温情况送电加热，温度控制在1590-1620℃。
步骤(2)所述的加入石灰、萤石，加入量为：每吨钢加入6.0-7.0kg石灰，每吨钢加入6.0-7.0kg萤石；步骤(2)所述的石灰和萤石的总加入量为每吨钢加入12-14kg。
9.如权利要求5或6所述的石油管道阀体用钢的生产方法，其特征在于，步骤(3)中，钢包到位后落盖预抽真空，真空度到50pa后吹氩气流量控制在110-140NL/min，保持真空处理时间≥20分钟。
步骤(3)中，其熔炼成分特征在于，以质量百分比计包含：C：0.30～0.33％，Si：0.20～0.35％，Mn：0.65～0.70％，Cr：1.00～1.10％，Ni：0.20～0.25％，Mo：0.20～0.25％，V：≤0.02％，P≤0.020％，S≤0.015％，Alt≤0.040，气体[H]≤1.5ppm，[O]≤20ppm，[N]≤100ppm；其余为Fe及其他不可避免杂质。
Ni含量满足0.06C+0.04Si+0.072Mn+0.043Cr+0.03Mo≤Ni≤0.15C+0.12Si+0.11Mn+0.07Cr+0.05Mo。
10.如权利要求5或6所述的石油管道阀体用钢的生产方法，其特征在于，
步骤(4)中，专用连铸保护渣为CrMo钢专用保护渣；
CrMo钢专用保护渣成分％
步骤(4)中，中包覆盖剂为采用CaO-SiO2-MgO作为基本渣系；
CaO-SiO2-MgO渣系成分％
步骤(5)中，加热时长为8-10小时。
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