一种高压管道阀门用钢及其制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种高压管道阀门用钢及其制备方法，所述阀门用钢组成按重量百分数为：C：0.19～0.23％，Si：0.15～0.25％，Mn：0.95～1.10％，Cr：≤0.30％，Cu≤0.40％，S≤0.020％，P≤0.020％，Ni≤0.40％,Mo：≤0.12％，Ti：0.010～0.040％，V：≤0.03％，Nb：≤0.02％，Al：0.015～0.025％，[O]≤15×10-6，[N]≤90×10-6，余为Fe和不可避免的杂质。本发明通过控制碳、锰元素的含量，保证了钢的力学性能要求，同时对残余元素的含量进行控制，保证了材料的焊接性能要求，增强了钢材的疲劳强度，保证了阀门的稳定性。本发明通过控制铁水(或生铁)兑入比例、精炼炉渣量、VD炉操作和强化水口保护浇铸效果，加钛固氮，氮含量可控制在90ppm以下。
【专利说明】一种高压管道阀门用钢及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于冶金【技术领域】，具体涉及一种用于制造高压管道阀门用钢及其制造方 法。
【背景技术】
[0002] 阀门在管道上主要起切断和节流作用。高压阀门性能直接影响整个系统工作的可 靠性、安全性、工作效率和使用寿命。在那些须频繁增压卸压的系统中，显得尤为重要。高 压阀门的主要失效原因为，气蚀和冲蚀磨损，而影响气蚀和冲蚀的因素很多，主要有材料的 力学性能、流体力学因素和环境影响。为了提高高压阀门抗冲蚀磨损的能力，高压管道阀门 用钢一般具有如下的要求：材料硬度高；屈服点高、稳定性好；疲劳强度高。
[0003] 高压管道阀门主要使用于温度为：_29?427°C，用于控制水、液化气体、蒸汽、油 品、天然气等各种类型流体的流动。
[0004] 专利文献CN102383065A公开了一种高性能阀门钢及其制备方法，其主要是将组 成原料：基体为Fe元素，Cr、W、Sn、Ta、Mn、Al和C按一定重量份混合，然后经过熔炼、热处 理和真空浇注得到高性能阀门钢。该申请的技术方案适合聚变堆，而不能适用于高压管道 阀门，且存在成本较高的问题。
【发明内容】
[0005] 本发明针对高压管道阀门用钢使用要求，开发生产高压管道阀门用钢，通过合理 设计钢种成分，改进制备方法；解决钢材成分设计、性能、组织、表面质量的问题，提供了一 种可以满足用户需求的高压管道阀门用钢及其制造方法。
[0006] 本发明提供了一种高压管道阀门用钢，其组成按重量百分数为：
[0007] C :0· 19 ?0· 23 %，Si :0· 15 ?0· 25 %，Mn :0· 95 ?1. 10 %，Cr :彡 0· 30 %， Cu 彡 0· 40 %，S 彡 0· 020 %，P 彡 0· 020 %，Ni 彡 0· 40 %，Mo :彡 0· 12 %，Ti :0· 010 ? 0.040 %，V:彡 0.03 %，Nb:彡 0.02 %，Α1:0·015 ?0.025 %，[0]彡 15ΧΚΓ6， [Ν] < 90 X 10_6,余为Fe和不可避免的杂质。
[0008] 如下为本发明钢材中各组分的含量以及作用说明：
[0009] 为了保证材料的焊接性，本发明对该材料的碳当量进行了规定：CEV = C+Mn/6+(C r+Mo+V) /5+ (Ni+Cu) /15 < 0. 43% X对钢的机械性能影响极为显著，对钢的心部强度影响很 大，C的含量太低，强度达不到要求，而过高会使钢的塑性和韧性下降。为保证钢材性能稳 定控制碳含量在〇. 19?0. 23%。
[0010] 锰是一种弱脱氧剂。适量的锰可有效提高钢材强度，消除硫、氧对钢材的热脆影 响，改善钢材热加工性能，并改善钢材的冷脆倾向，同时不显著降低钢材的塑性、冲击韧性。 本发明中控制Mn含量在0.95?1. 10%。
[0011] Si可强烈提高渗层的淬透性，但在渗碳过程中容易发生晶界氧化而形成黑色网 状缺陷；随合金元素添加量的增加，钢的马氏体点下降，使淬火后渗层中含有大量残余奥氏 体，影响零件的疲劳性能及耐磨性，控制Si含量在0. 15?0. 30%。
[0012] S、P在钢中视为有害元素，因此，本发明控制S彡0. 020%，P彡0. 020%。
[0013] Cr、Ni、Cu、V、Mo、Nb为残余元素，根据碳当量的要求及降成本的需求，控制Cr : 彡 0· 30%，Cu 彡 0· 40%，Ni 彡 0· 40% ,Mo :彡 0· 12%，V :彡 0· 03%，Nb :彡 0· 02%，；为提 高钢的纯净度和疲劳寿命。
[0014] 本发明还对氧、氮和铝、钛提出了控制要求：[0]< 15X10-6, [N] < 60X10-6， [Al] :0· 015 ?0· 025%，[Ti] :0· 010 ?0· 040%。
[0015] 优选的，本发明的高压管道阀门用钢组成按重量百分数为
[0016] C :0· 20 ?0· 23 %，Si :0· 17 ?0· 25 %，Mn :0· 95 ?L 00 %，Cr :0· 10 ? 0. 15 %, Cu ^ 0. 25 %, S ^ 0. 015 %, P ^ 0. 020 %, Ni ^ 0. 25 % , Mo ： ^ 0. 12 %, Ti ： 0· 010 ?0· 040%，V :彡 0· 03%，Nb :彡 0· 02%，Al :0· 015 ?0· 025%，[0]彡 15X10-6， [N] <90 X 10-6,余为Fe和不可避免的杂质。
[0017] 本发明提供了一种高压管道阀门用钢的制备方法，包括冶炼及合金化、浇注、乳 制、缓冷，并控制钢的化学成分重量百分比含量为：C :0. 20?0. 23%，Si :0. 17?0. 25%， Mn :0· 95 ?L 00 %，Cr :0· 10 ?0· 15 %，Cu 彡 0· 25 %，S 彡 0· 015 %，P 彡 0· 020 %， Ni 彡 0· 25 %，Mo :彡 0· 12 %，Ti :0· 010 ?0· 040 %，V :彡 0· 03 %，Nb :彡 0· 02 %，Al : 0.015?0· 025%，[0]彡15X10-6, [N]彡90X10-6,余为Fe和不可避免的杂质。
[0018] 本发明通过钢包吹氩、真空脱气处理加强钢的脱氧去气的冶炼控制，终脱氧喂入 铝线，LF炉出钢前喂入钛线控制钛含量；采用全程保护浇注；为提高钢材组织均匀性，设计 钢坯在加热炉的均热温度为1130?1250°C，Φ500πιπι热坯加热时间彡4. 5h，冷坯加热时间 彡5. 5h ;Φ650πιπι热坯加热时间彡5. 0h，冷坯加热时间彡7. Oh ;开轧温度1090?1190°C， 终轧温度850?1000°C等步骤来保证产品具有一定的组成。
[0019] 进一步优选的，高压管道阀门用钢以以下工艺条件进行制备：
[0020] (1)冶炼：控制铁水（或生铁）兑入比例55 %?65%，电炉终点碳含量控制在 彡0. 10% ;采用铝脱氧，控制钢芯铝加入量在1. 5?2. 5kg/t钢。电炉出钢温度控制在 1600 ?1640 °C。
[0021] 在精炼过程中选择精炼渣系和软吹氩制度，去除钢中夹杂物、降低总氧含量，提高 钢的纯净度。喂铝线1. 0?I. 5m/吨钢并控制钢水中铝处于0. 015?0. 025%和钙线1. 5? 2. Om/吨钢（Φ 13mm)。加钛2-4米/吨钢固氮，氮含量可控制在80ppm以下。VD炉真空度 小于67Pa保持时间不小于15min。VD处理后保证软吹时间不小于12min。控制上钢温度为 1575±5°C。
[0022] (2)浇铸，采用全保护浇铸，控制中间包过热度为20?30 °C，液相线温度为 1510°C。控制Φ500πιπι连铸拉坯速度为0. 35±0. Olm/min;控制Φ650πιπι连铸拉坯速度为 0· 25±0· 01m/min〇
[0023] (3)轧制，钢坯在加热炉的均热温度为1130?1250°C，开轧温度1090?1190°C， 终轧温度850?1000°C。
[0024] 优选的，步骤1)所述的精炼渣系为控制精炼渣的组成为：CaO % :45? 50，Si02% :2 ?3，Mg0%:8 ?10，A1203% :30 ?40，TFe% :1 ?2,（Fe0) + (Mn0)刍 1.0% 重量比；所述软吹氩制度为：氩气流量150L/min?300L/min，压力0. 25MPa?0. 30MPa。
[0025] 优选的，步骤1)所述的合适钢水温度为1570±5°C ;优选的，步骤1)所述的合理 的氩气压力〇· 25MPa?0· 3〇MPa。；
[0026] 步骤1)中强化脱氧及夹杂物变形处理。通过VD炉真空脱气处理进一步降低钢中 的气体含量提高钢材的纯净度。
[0027] 步骤1)所述的VD炉为真空脱气炉；VD真空脱气为用来脱除钢中氮气；
[0028] 本发明所述的百分比或其他比例，未特别说明的均为重量比。
[0029] 与现有技术相比，本发明的技术方案的有下列优点：
[0030] (1)本发明钢控制碳、锰元素的含量，保证了钢的力学性能要求，同时对残余元素 进行控制，保证了材料的焊接性能要求。本发明增强了钢材的疲劳强度；保证了阀门的稳定 性。
[0031] (2)氮、氧含量的控制技术：通过控制铁水（或生铁）兑入比例、精炼炉渣量、VD炉 操作和强化水口保护浇铸效果，加钛固氮，氮含量可控制在90ppm以下。
【专利附图】
【附图说明】
[0032] 图1、本发明得到的产品的金相图。
【具体实施方式】
[0033] 本发明采用UHP (超高功率电炉）一LF (炉外精炼）一VD (真空脱气）一连铸（电 磁搅拌）一入坑缓冷一轧制一精整工艺生产钢材。
[0034] 如下实施例以Φ190_规格钢材的生产工艺来具体说明本发明是如何实施的。
[0035] 具体工艺步骤为：
[0036] 1)电炉冶金：炉料结构为废钢+铁水，控制铁水（或生铁）兑入比例55%?65%， 4支炉壁氧枪吹氧脱碳为主，1支炉门氧枪吹氧脱碳为辅；与吹氧相结合，喷吹碳粉造泡沫 渣；配加35 kg /t?40 kg /t石灰造渣脱磷；偏心炉底出钢，留钢留渣操作；出钢过程，底吹 氩气搅拌，钢包内澄料加入量13 kg /t?16 kg /t。电炉终点碳含量控制在< 0. 10%;采用 铝脱氧，控制钢芯铝加入量在1. 5?2. 5kg/t钢。电炉出钢温度控制在1600?1640°C。
[0037] 在精炼过程中选择精炼渣系和软吹氩，去除钢中夹杂物、降低总氧含量，采用SiC 扩散脱氧，分析一次样前喂入铝线深脱氧，提高钢的纯净度。喂铝线I. 0?I. 5m/吨钢并控 制钢水中铝处于0. 015?0. 025%和钙线1. 5?2. Om/吨钢（Φ 13mm)。加钛2-4米/吨钢 固氮，氮含量可控制在80ppm以下。钢包入VD炉之前，扒除50%左右的炉渣；VD炉真空度 小于67Pa保持时间不小于15min。VD处理后保证软吹时间不小于12min。控制上钢温度为 1575±5°C。
[0038] (2)浇铸，采用全保护浇铸，控制中间包过热度为20?30 °C，液相线温度为 1510°C。控制Φ500πιπι连铸拉坯速度为0. 35±0. Olm/min;控制Φ650πιπι连铸拉坯速度为 0· 25±0· 01m/min〇
[0039] (3)轧制，钢坯在加热炉的均热温度为1130?1250°C，开轧温度1090?1190°C， 终轧温度850?1000°C。
[0040] 制备过程的相关工艺参数见表1?表5,化学成份及碳当量见表6;氮、氧含量见表 7 ;低倍见表8 ;力学检验结果表9,其金相图见图1。
[0041] 表1铁水加入情况
[0042]
【权利要求】
1. 一种高压管道阀门用钢，其特征在于，所述阀门用钢组成按重量百分数为： C :0? 19 ?0? 23%，Si :0? 15 ?0? 25%，Mn :0? 95 ?1. 10%，Cr :彡 0? 30%，Cu 彡 0? 40%， S 彡 0? 020 %，P 彡 0? 020 %，Ni 彡 0? 40 %，Mo :彡 0? 12 %，Ti :0? 010 ?0? 040 %，V : 彡 0? 03%，Nb :彡 0? 02%，A1 :0? 015 ?0? 025%，[0]彡 15XKT6, [N]彡 90XKT6,余为 Fe 和不可避免的杂质。
2. 根据权利要求1所述的阀门用钢，其特征在于，所述阀门用钢组成按重量百分数为： C :0? 20 ?0? 23 %，Si :0? 17 ?0? 25 %，Mn :0? 95 ?1. 00 %，Cr :0? 10 ?0? 15 %， Cu 彡 0? 25 %，S 彡 0? 015 %，P 彡 0? 020 %，Ni 彡 0? 25 %，Mo :彡 0? 12 %，Ti :0? 010 ? 0.040 %，V:彡 0.03 %，Nb:彡 0.02 %，A1:0.015 ?0.025 %，[0]彡 15XKT6， [N] < 90 X 10_6,余为Fe和不可避免的杂质。
3. 权利要求1或2任一阀门用钢的制造方法，包括： 1) 冶炼：控制电炉中铁水或生铁兑入比例55 %?65%，电炉终点碳含量控制在 < 0. 10% ;采用铝脱氧，并控制钢芯铝加入量在1. 5?2. 5kg/t钢；电炉出钢温度控制在 1600 ?1640°C ; 2) 浇铸：浇筑时控制中间包过热度为20?30°C，液相线温度为1510°C ; 3) 车L制：钢坯在加热炉的均热温度为1130?1250°C，开轧温度1090?1190°C，终轧 温度 850 ?1000 °C。
4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤1)脱氧时喂铝线1. 0?1. 5m/吨钢 并控制钢水中铝含量为0. 015?0. 025,钙线加入量为1. 5?2. 0m/吨钢，并加钛2-4米/ 吨钢固氮，使氮含量控制在80ppm以下。
5. 根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，步骤1)得到的精炼渣具有如下的 质量组成：CaO% :45 ?50，Si02% :2 ?3，Mg0% :8 ?10, A1203% :30 ?40，TFe% :1 ? 2,（Fe0) + (Mn0)兰 1. 0%。
6. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤1)中还包括VD处理后软吹时间不小 于12min，并控制上钢温度为1575±5°C。
7. 根据权利要求3或6所述的方法，其特征在于，步骤1)还包括如下步骤：控制吹氩 时的氩气压力为〇? 25?0? 30MPa。
【文档编号】C22C38/50GK104480404SQ201410805283
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月22日 优先权日:2014年12月22日
【发明者】郑桂芸, 徐锡坤, 翟正龙, 李小雄, 张伟, 李法兴, 李泰
申请人:山东钢铁股份有限公司