专利名称：500MPa级VN合金化非调质无缝钢管及其制作方法
技术领域：
本发明涉及一种500MPa强度级别钒氮(VN)合金化非调质无缝钢管及其制作方 法。
背景技术：
鉴于国内部分油田的油藏较浅，不需要高钢级的套管进行钻井作用，但普通 500MPa级别的钢管强度可以达到要求，韧性很低，使用上安全性不足。鉴于此，特在考虑强 度和韧性均满足用户要求的情况，开发了此新钢种及工艺用来生产有特殊要求的套管。
原来生产500MPa强度级别钢管采用的碳锰钢加钒合金化、轧态或正火态交货 的工艺。原钢种成分范围如下:C :0. 32% 0. 36%、 Si :0. 20% 0. 40%、 Mn :1. 25% 1. 45%、P《0. 020%、S《0. 015%、Cr :《0. 30%、V :0. 04% 0. 08%、N :不做控制。采用
此钢种在炼钢及轧管工艺上没有特殊要求，一般采用轧态交货。轧态性能统计情况如下 _屈服(MPa) 抗拉(MPa) 延伸率(％) Min. 500 717 26
Average 515 781 30
STDEV 10.82 22:32 2.05
冲击功(J)，横向，10*5mm，20'C 剪切比OO
123平均123平均
Max.1819221940404037
Min.74351010010
Average1414131419191819
STDEV2.662.643.232. 408.197.418. 377. 46 从上表可以看出，在屈服强度达到500MPa和抗拉强度达到700MPa的情况下，对应 的横向冲击功在2(TC的冲击温度和10*5咖尺寸下平均只有14J，剪切比不到20%，折算到 全尺寸10W0mm也只有28J。最小的冲击功只有3J，折算后只有6J，达不到交货条件。在生 产时需要对这些韧性不足的钢管进行正火热处理来提高韧性，增加了工艺时间和成本，造 成热处理产能资源的消耗。
发明内容
本发明是鉴于上述技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种500MPa强度 级别钒氮(VN)合金化非调质无缝钢管及其制作方法，从而解决采用原钢种、工艺生产的 500MPa级无缝管冲击韧性低、工艺复杂、成本高的技术难题，达到减少工序、降低成本生产 高韧性的500MPa级无缝管的目的。 为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种500MPa强度级别钒氮 (VN)合金化非调质无缝钢管，该无缝钢管的化学成分按重量％为C :0. 28% 0. 34%、Si : 0.32% 0.50%、Mn :1.25% 1.45%、0<P《0.020%、0<S《0.0 1 5%、Cr:0.30%
30. 45%、 V :0. 08% 0. 1 5%、N:0. 0 1 0% 0. 025%，余量为Fe和含量不可去除的痕量 元素。 还提供一种500MPa强度级别钒氮(VN)合金化非调质无缝钢管的制作方法，该方
法包括以下步骤
①炼钢 采用有害残余元素含量低的优质废钢加海绵铁或铁水，配制上述成分要求的各种 合金原料，运用电弧炉进行冶炼，通过向钢水中加入石灰造泡沫渣，充分吸附钢水中的有害 元素P、S，使P、S含量降至最低；使用偏心炉底出钢，再采用钢包炉精炼、精确调整主要合金 成分符合要求后，喂入Al丝进行脱氧处理，然后再喂入Si-Ca丝进行夹杂物变形控制。当 钢中含有S时，如果没有其他与S结合的元素，则优先与锰Mn结合生成MnS，因为MnS夹杂 为长条形且塑性较好，在后续的轧制过程中能进一步沿着轧制方向变形，增大各向异性并 降低冲击韧性。通过加入SiCa丝进行变形处理，Ca可以与MnS和A1203发生反应，形成圆 球形的铝酸钙和硫化钙夹杂的复合体，并呈弥散分布，且通过喂入SiCa丝也能起到脱硫作 用，进一步降低S含量，净化钢液。最后再喂入VN合金丝，需采用小流量氩气进行搅拌并静 置5min，使VN合金均匀化并保留钢水中的N含量。待温度为1569 1589°C时进行连铸铸 成圆坯。 ②轧管 上述铸成的圆坯经过检验，表面质量、几何尺寸符合要求后被送入到环形炉中进 行加热，加热温度为1230°C 132(TC并保温2 4小时，然后穿孔机穿孔、高精度限动芯棒 连轧机组进行连轧，在连轧后提高传送辊道速度，保证钢管入炉前温度^ 65(TC，钢管送入 到设定温度为900 97(TC的再加热炉进行加热，保温0. 5 1小时后，通过定径机或者张 力剪径机精确定径，在冷床上冷却后，锯切、冷矫直，最后制出的钢管经过无损探伤和精整 工序后送到下道工序；
③管加工 检测性能合格后的钢管接着进行螺纹加工，测长、称重、涂漆、喷标等工艺后，制成 上述的无缝钢管； ④上述制成的钢管性能为屈服强度^ 500MPa，抗拉强度^ 700MPa，延伸率可以 达到28%以上，温度为Ot:时纵向全尺寸夏比冲击吸收功为最小65J，管体截面全壁厚组 织为珠光体+铁素体组织，平均硬度约为HRC18. 5。 本发明的效果是采用以上成分和制作方法后制造的无缝钢管具有新的工艺路线， 由于不经过真空处理工艺和后续的热处理工艺，能节省工艺成本和工艺时间。采用本发明 后利用钒氮(VN)合金化非调质的方法即可生产出500MPa强度级别的无缝钢管，且具有良 好的冲击韧性。本工艺可以替代一般需要经过常化工艺或者正火工艺才能生产的有相同性 能要求的500MPa级无缝管。
具体实施例方式
结合实施例对本发明的500MPa强度级别钒氮(VN)合金化非调质无缝钢管及其制 造方法加以说明。 本发明的500MPa强度级别钒氮(VN)合金化非调质无缝钢管，该钢管的化学成分按重量％为C :0. 28 % 0. 34 %、 Si :0. 32 % 0. 50 %、 Mn :1. 25 % 1. 45 %、0 <P《0. 020%、0< S《0. 01 5%、Cr :0. 30% 0. 45%、V :0. 08% 0. 15%、N :0. 010% 0. 025%，余量为Fe和含量不可去除的痕量元素。
制造上述无缝钢管的方法包括以下步骤
1、炼钢 采用有害残余元素含量低的优质废钢加海绵铁或铁水，配制上述成分要求的各种 合金原料，运用电弧炉进行冶炼，通过向钢水中加入高活性度的石灰造泡沫渣，充分吸附钢 水中的有害元素P、 S等；使用偏心炉底出钢，再采用独特的控制工艺，即钢包炉精炼、夹杂 物控制技术、VN丝喂入技术、非真空处理技术、连铸技术来生产钒氮合金化的无缝管。钢包 炉精炼调整好钢水的主要合金元素含量及温度后就可以吊入VD (真空处理)工位进行后续 处理。先喂入Al丝进行深脱氧，然后再喂入Si-Ca丝进行夹杂物变形控制。当钢中含有S 时，如果没有其他与S结合的元素，则优先与锰Mn结合生成MnS。因为MnS夹杂为长条形且 塑性较好，在后续的轧制过程中能进一步沿着轧制方向变形，增大各向异性并降低冲击韧 性。通过加入SiCa丝进行变形处理，Ca可以与MnS和A1^3发生反应，形成圆球形的铝酸 钙和硫化钙夹杂的复合体，并呈弥散分布，且通过喂入SiCa丝也能起到脱硫作用，进一步 降低S含量，净化钢液。最后再喂入VN合金丝。在VD(真空处理)工位不进行真空处理， 因为N元素为气体元素，在真空处理过程中会因压力降低而加快集聚并上浮，导致最终产 品的N含量达不到控制要求。故不采用真空处理技术，但需要全程采用小流量氩气搅拌技 术，喂入VN合金丝并静置5min后送到连铸台，通过6流弧形连铸机连铸成圆坯，连铸过程 中应严格控制钢水过热度、拉坯速度和冷却水量。连铸后的圆坯经火焰切割成合适的定尺 长度后，在冷床上冷却到室温。质检人员检查外表面质量和尺寸精度后，合格的圆坯即可转 移到下道工序。严格控制钢水过热度、拉坯速度和冷却水量。
2、轧管 上述连铸成的圆坯经过检验，表面质量、几何尺寸符合要求后被送入到环形炉中 进行加热，加热温度为1230°C _13201:并保温2 4小时，然后经过穿孔机穿孔、高精度限 动芯棒连轧机组进行连轧，在连轧后提高传送辊道速度，保证钢管入炉前温度^ 65(TC，钢 管送入到设定温度为900 97(TC的再加热炉进行加热，保温0. 5 1小时后，通过定径机 或者张力剪径机精确定径，在冷床上冷却后，锯切、冷矫直，最后制出的钢管经过无损探伤 和精整工序后送到下道工序；
3、管加工 采用本发明生产的500MPa级无缝钢管不需要后续的热处理工艺，检测性能合格 后的钢管在进行螺纹加工，测长、称重、涂漆、喷标等工艺后，即可制成上述的500MPa强度 级别钒氮(VN)合金化非调质无缝钢管； 4、上述制成的钢管性能为屈服强度^ 500MPa，抗拉强度^ 700MPa，延伸率可以 达到28%以上，温度为Ot:时纵向全尺寸夏比冲击吸收功为最小65J，管体截面全壁厚组织 为珠光体+铁素体组织，平均硬度约为HRC18. 5。 以下以含量为C :0. 28% 0. 34%、 Si :0. 32% 0. 50%、 Mn :1. 25% 1. 45%、0 < P《0 020%、0 < S《0. 01 5%、Cr :0. 30% 0. 45%、V :0. 08% 0. 1 5N :0. 010% 0. 025%，余量为Fe和痕量元素的钢管为例，阐述本发明的产品制造方法
1、炼钢 a.纯净钢技术 配料采用P， S含量低的优质废钢+铁水(或生铁)，尽可能从源头降低钢中有害 元素含量。90/150吨超高功率电弧炉(EAF)偏心炉底出钢，减少温降和钢水二次氧化；采 用留钢留渣操作工艺，保证氧化渣不流入钢包。 泡沫渣冶炼，钢包炉(LF)，采用CaO_Al203高碱度渣，加CaC2粒还原气氛强，包底吹 氩气搅拌，埋弧加热，具有良好的脱氧、脱硫效果，减少夹杂物。
b.夹杂物控制技术 包芯丝喂丝处理(FW):通过向钢水喂入Si-Ca丝改变夹杂物形态，使长条状的MnS 夹杂转变成CaS的球形复合夹杂物，从而改善钢的韧性、降低各向异性，从本质上提高钢的 性能，特别是韧性。
c.连铸技术 六流弧形连铸机(CCM)采用带有Ar气密封的保护套管，中包覆盖剂，浸入式水口
和结晶器保护渣的保护浇铸先进技术，使钢水和空气完全隔离，防止钢水在浇铸过程中的
二次氧化。 2、轧管 a.精轧技术 计算机自动控制炉温的环型管坯加热炉，精确控制管坯温度，保证管坯轧成管子 后性能的稳定和尺寸精度。 为保证壁厚的均匀和内外表面的质量，设有热定心及高压水除磷同时，设有荒管 内表面喷硼砂。 精轧成品孔型设计确保管子外径及壁厚精度。
b.工艺控制 环形炉加热温度为128(TC，并且保证管坯温度均匀。 狄舍尔穿管机轧出的毛管壁厚偏差应在±8%以内，为轧制荒管和成品管创造了 良好的前提条件。 在连轧后采取加快运输节奏的方法快速将连轧后的钢管送入再加热炉，保证入炉 前钢管的温度^ 650°C。钢管在设定温度为900 97(TC的再加热炉进行加热，保温0. 5 1小时后，通过定径机或者张力剪径机精确定径，在冷床上冷却后，锯切、冷矫直，最后制出 的钢管经过无损探伤和精整工序，性能检测合格后送到下道工序； 限动芯棒连轧管机避免"竹节"现象，除管端部，整根钢管壁厚不均不超过±4% 。
定径机组保证钢管的外径和壁厚精度，钢管的外径偏差为0-0. 5% D。
矫直机组保证钢管弯曲度指标小于1. 5mm/m。
权利要求
一种500MPa强度钒氮(VN)合金化非调质无缝钢管，其成份的重量％为C0.28％～0.34％、Si0.32％～0.50％、Mn1.25％～1.45％、0＜P≤0.020％、0＜S≤0.01 5％、Cr0.30％～0.45％、V0.08％～0.1 5％、N0.01 0％～0.025％，余量为Fe和含量不可去除的痕量元素。
2. —种制造500MPa强度级别钒氮(VN)合金化非调质无缝钢管的方法，该方法包括以下步骤① 炼钢采用废钢加海绵铁或铁水，配制上述成分要求的各种合金原料，运用电弧炉进行冶炼，通过向钢水中加入石灰造泡沫渣，充分吸附钢水中的有害元素P、 S，使P、 S含量降低；使用偏心炉底出钢，再采用钢包炉精炼、调整合金成分符合上述要求后，喂入Al丝进行脱氧处理，然后再喂入Si-Ca丝进行夹杂物变形控制，减小夹杂物对性能、特别是冲击韧性的影响，最后再喂入VN合金丝，需采用小流量氩气进行搅拌并静置5min，使VN合金均匀化并保留钢水中的N含量，待温度为1569-1589t:时进行连铸铸成圆坯；② 轧管上述铸成的圆坯经过检验，表面质量、几何尺寸符合要求后被送入到环形炉中进行加热，加热温度为1230°C _13201:并保温2 4小时，然后穿孔机穿孔、高精度限动芯棒连轧机组进行连轧，在连轧后送入到设定温度为900 97(TC的再加热炉进行加热，保温0. 5 1小时后，通过定径机或者张力剪径机精确定径，在冷床上冷却后，锯切、冷矫直，最后制出的钢管经过无损探伤和精整工序后送到下道工序；③ 管加工检测性能合格后的钢管接着进行螺纹加工，测长、称重、涂漆、喷标工艺后，制成上述的无缝钢管；④ 上述制成的钢管性能为屈服强度^ 500MPa，抗拉强度^ 700MPa，延伸率达到28%以上，温度为Ot:时纵向全尺寸夏比冲击吸收功为最小65J，管体截面全壁厚组织为珠光体+铁素体组织，平均硬度约为服0 18.5。
全文摘要
本发明提供一种500MPa强度级别钒氮(VN)合金化非调质无缝钢管及其制作方法，其成份的重量％为C0.28％～0.34％、Si0.32％～0.50％、Mn1.25％～1.45％、0＜P≤0.020％、0＜S≤0.015％、Cr0.30％～0.45％、V0.08％～0.15％、N0.0100％～0.0250％，余量为Fe和含量不可去除的痕量元素。还提供一种制造500MPa强度级别钒氮(VN)合金化非调质无缝钢管的方法。本发明的效果是采用该方法的成份和工艺后制造的500MPa强度级别钒氮(VN)合金化非调质无缝钢管具有良好的机械性能，在非调质情况下满足500MPa级无缝钢管的性能要求。在其最小屈服强度达到500MPa的情况下，其纵向全尺寸0℃冲击功平均可以达到65J以上。
文档编号C21D8/10GK101694250SQ20091007078
公开日2010年4月14日 申请日期2009年10月13日 优先权日2009年10月13日
发明者刘江成, 史庆志, 周家祥, 周晓峰, 宗卫兵, 张传友, 李效华, 江勇, 章华明 申请人:天津钢管集团股份有限公司;