本发明涉及钢铁冶金加工领域，具体涉及一种10crni3mov圆管坯及其制备方法和应用。
背景技术：
10crni3mov钢具有较好的抗海水腐蚀和耐海水冲刷性能，广泛用于海洋装备和环境装备制造，因其良好的韧性，对船舶的抗冲击能力和轻量化制造有着积极的作用。
目前国内同类型钢的圆管坯主要采用转炉或电弧炉冶炼，且作为最终产品的高压钢瓶主要采用钢板焊接制造成型，焊接的高压钢瓶存在着韧性不佳、焊缝焊接质量风险、性能一致性较差、焊缝易受腐蚀和装备结构寿命短等问题。同时，高压钢瓶对钢的纯净度有着很高的要求。
因此，开发高压无缝钢瓶用10crni3mov圆管坯，解决焊接的钢瓶带来的上述问题，将对提高装备整体质量有着深远的影响。
技术实现要素：
本发明的目的是为了提供一种10crni3mov圆管坯及其制备方法和应用。
现有同类型钢的圆管坯制备的高压焊接钢瓶存在着焊缝焊接质量风险、性能一致性较差、焊缝易受腐蚀和装备结构寿命短等问题，本发明的发明人经过深入研究后发现，开发高压无缝钢瓶可有效解决上述问题，但这就对高压无缝钢瓶用圆管坯提出了更高的要求。本发明的发明人经过深入研究后还发现，当采用特定的冶炼工艺制备特定锥度的钢锭，制备得到的圆管坯具有高纯净度、良好的韧性、极佳的成型性和耐腐蚀性，以此圆管坯锻制的无缝钢管及无缝钢瓶综合性能优良。基于此，完成了本发明。
具体地，本发明第一方面提供一种10crni3mov圆管坯的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)按配方量进行配料，依次进行电弧炉熔炼、钢包炉精炼、真空脱气精炼后，得到电渣自耗电极；
(2)将步骤(1)所得电渣自耗电极进行电渣重熔得到钢锭；
(3)当所述钢锭的锥度≤1.5％，进行去应力退火得到圆管坯；当所述钢锭的锥度＞1.5％，依次进行去应力退火、锻制和退火处理得到圆管坯；
其中，在步骤(2)中，以所述钢锭的总重量为100％计，所述钢锭化学成分控制为：c＝0.07～0.14％，si＝0.17～0.37％，mn＝0.30～0.60％，cr＝0.90～1.20％，ni＝2.60～3.00％，mo＝0.20～0.27％，v＝0.04～0.10％，其余为不可避免的杂质和fe。
优选地，在步骤(1)中，所述电渣自耗电极中的有害元素要求为：cu≤0.10％，s≤20ppm，p≤70ppm，[h]≤2ppm。
优选地，在步骤(2)中，所述电渣重熔采用四元电渣渣系，以所述电渣渣系总重量为100％计，所述电渣渣系含有55～70重量％的caf2、10～25重量％的al2o3、1～10重量％的cao和2～10重量％的mgo；所述电渣重熔要求s≤10ppm。
优选地，在步骤(3)中，所述钢锭的锻制温度为1100-1250℃。
优选地，在步骤(3)中，所述钢锭锻制为一火次锻造成型。
优选地，在步骤(3)中，所述钢锭锻制后的退火处理中，退火温度为650-700℃。
优选地，在步骤(3)中，所述得到圆管坯后还需进行表面处理；更优选地，所述表面处理为表面修磨或表面车光。
本发明第二方面提供由上述方法制备制备得到的圆管坯。
本发明第三方面提供由上述圆管坯制备得到的无缝钢管。
本发明第四方面提供由上述无缝钢管制备得到的无缝钢瓶。
本发明方法制备10crni3mov圆管坯，采用的是电弧炉+炉外精炼+电渣重熔的方式，提高了铸锭的致密度和纯净度，减少了钢锭的成分偏析，利用不同锥度的钢锭制备得到的圆管坯具有高纯净度、良好的韧性、极佳的成型性和耐腐蚀性。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本文中所披露范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明第一方面提供一种10crni3mov圆管坯的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)按配方量进行配料，依次进行电弧炉熔炼、钢包炉精炼、真空脱气精炼后，得到电渣自耗电极；
(2)将步骤(1)所得电渣自耗电极进行电渣重熔得到钢锭；
(3)当所述钢锭的锥度≤1.5％，进行去应力退火得到圆管坯；当所述钢锭的锥度＞1.5％，依次进行去应力退火、锻制和退火处理得到圆管坯；
其中，在步骤(2)中，以所述钢锭的总重量为100％计，所述钢锭化学成分控制为：c＝0.07～0.14％，si＝0.17～0.37％，mn＝0.30～0.60％，cr＝0.90～1.20％，ni＝2.60～3.00％，mo＝0.20～0.27％，v＝0.04～0.10％，其余为不可避免的杂质和fe。
在本发明所述的方法中，在步骤(1)中，所述电渣自耗电极中的有害元素要求为：cu≤0.10％，s≤20ppm，p≤70ppm，[h]≤2ppm；所述电渣自耗电极的规格可以为本领域常规选择，在优选情况下，所述电极规格为φ300mm或φ360mm。
通过采用电弧炉熔炼、钢包炉精炼和真空脱气精炼，冶炼出优质的电渣自耗电极，可有效的去除钢中的杂质元素和气体，且去硫去磷。电弧炉冶炼中，首先要保证钢中的去碳量，一般而言的合金结构钢去碳量≥0.30％即可，10crni3mov钢的去碳量必须做到脱碳量≥0.40％，且要求钢水不能过氧化严重，以免后期脱氧产物去除不尽，影响钢中夹杂物含量；炉外精炼中，炉外冶炼环节在国内外的应用非常广泛，各个厂家都有各自的冶炼方式方法。为兼顾钢液精炼提纯和成分精确控制，精炼10crni3mov钢，采用精脱硫渣系，渣系的优势在于可以最大可能的去除钢中的硫含量，本发明所述10crni3mov电渣自耗电极中的硫含量可以做到20ppm以下，保证了材料的洁净度。脱氧剂选择方面较传统冶炼有较大不同，主要的差别在于终脱氧不使用铝或含铝的脱氧剂，在还原初期做好脱氧工作，还原后期不添加含铝的脱氧剂，可有效的保证材料的洁净度。原理在于铝酸盐夹杂物形成后，通过电渣的去除效果不佳，部分铝酸盐夹杂物继续沉积在钢锭中，因此在炉外冶炼时期要求做到还原初期做好脱氧工作，减少后期夹杂物形成且去除效果不佳的情况，有利于提高材料的纯净度。另外，在此阶段后期要保证适宜的真空脱气温度，脱氧还原要求充分；真空脱气精炼中，通过积累数据，以真空度在67pa以下保持15分钟为界限，保证材料的去气量。去气率与钢水原始的气体含量有关，前期电弧炉冶炼有效的去碳量可以减少后期真空脱气的压力，一般而言，对于该类钢种经上述冶炼操作后，钢中的氢含量[h]≤1.5ppm，[n]≤45ppm。
在本发明所述的方法中，在步骤(2)中，所述电渣重熔采用脱硫较强的四元电渣渣系，以所述电渣渣系总重量为100％计，所述电渣渣系含有55～70重量％的caf2、10～25重量％的al2o3、1～10重量％的cao和2～10重量％的mgo；所述电渣重熔要求s≤10ppm；所述电渣重熔锭的规格可以为常规选择，在优选情况下，所述电渣重熔锭的规格为φ550mm。
在保护气氛保护电渣重熔的前提条件下，可有效控制钢锭中的易烧损元素，提高钢锭化学成分的稳定性，同时该渣系具有良好的去夹渣和脱硫的能力，提高了钢锭的纯净度，使钢锭光洁度好。通过上述电弧炉加电渣双联工艺，使材料不仅在纯净度上满足技术要求，还可为下工序提供均匀致密组织的优质钢锭，提高了材料的综合性能。
在本发明中，所述钢锭的锥度≤1.5％，有利于轧制无缝钢管中的斜轧穿管工序和热轧工序的顺利进行，同时可采用钢锭机加工的方式减少斜轧穿管前钢锭的头部和尾部的尺寸差，防止大变形斜轧过程中出现表面恶性缺陷，提高无缝钢管的表面质量。
在本发明中，所述钢锭仅进行去应力退火得到圆管坯，减少了锻造管坯成型中的金属损失和加工费用，产品经济效益明显。另外，钢锭退火后再进行斜轧穿管，钢锭内部残余组织应力和温度应力可以有效去除，便于钢锭表面机加工。
在本发明所述的方法中，在步骤(3)中，所述钢锭的锻制温度为1100-1250℃。具体地，所述钢锭的锻制温度可以为1100℃、1150℃、1200℃或1250℃。所述锻制圆管坯为一火次锻造成型，锻后温度≥850℃。所述锻制的圆管坯表面无锥度，有利于锻制无缝钢管中的斜轧穿管过程进行，减少荒管表面的轧制缺陷。
在本发明所述的方法中，所述锻造火次为锻造中的加热次数。
在本发明所述的方法中，在步骤(3)中，所述退火处理为锻后缓冷至≤200℃后进行去应力退火。所述退火温度的控制没有特殊要求，只要是利于圆管坯应力去除即可。在具体实施方式中，所述退火温度为650-700℃。
锻制圆管坯后退火，可以将圆管坯存在的不同程度的残余组织应力和温度应力去除，改善圆管坯表面的机加工性能。
在本发明所述的方法中，所述圆管坯表面处理方式可以为本领域常规处理方式。在优选情况下，所述圆管坯表面处理方式为表面修磨或表面车光。
本发明第二方面提供由上述方法制备得到的圆管坯。
本发明方法制备10crni3mov圆管坯，采用的是电弧炉+炉外精炼+电渣重熔的方式，提高了铸锭的致密度和纯净度，减少了钢锭的成分偏析，利用不同锥度的钢锭制备的圆管坯具有高纯净度、良好的韧性、极佳的成型性和耐海水腐蚀性。
本发明第三方面提供由上述圆管坯制备得到的无缝钢管。
本发明第四方面提供由上述无缝钢管制备得到的无缝钢瓶。
采用本发明的圆管坯制备的10crni3mov高压无缝钢管以及由该无缝钢管制备的高压无缝钢瓶，解决了装备的焊缝焊接质量风险、性能一致性较差、焊缝易受腐蚀以及装备结构寿命短等问题，使装备寿命大幅提高，基本做到气瓶与装备同寿命的设计需求，填补了装备的空白。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述，但本发明的保护范围并不局限于此。
这些实施例用于说明本发明提供的所述10crni3mov圆管坯及其制备方法。
实施例1-3
(1)按配方量进行配料，依次进行电弧炉熔炼、钢包炉精炼和真空脱气精炼，得到规格为φ300mm的电渣自耗电极；
(2)将步骤(1)所得φ300mm规格的电渣自耗电极和含有65重量％的caf2、20重量％的al2o3、7重量％的cao和8重量％的mgo的四元电渣渣系进行电渣重熔得到钢锭，钢锭的规格为φ550mm，钢锭的锥度为2％。以所述钢锭的总重量为100％计，所述钢锭化学成分控制为：c＝0.07～0.14％，si＝0.17～0.37％，mn＝0.30～0.60％，cr＝0.90～1.20％，ni＝2.60～3.00％，mo＝0.20～0.27％，v＝0.04～0.10％，其余为不可避免的杂质和fe。
(3)将步骤(2)所得钢锭进行去应力退火、1200℃锻制后，当锻后温度低至200℃时进行650℃去应力退火，得到本发明所述的圆管坯。
实施例4
按照实施例1-3所述的方法进行实施，所不同的是，步骤(2)中所得钢锭的锥度为1％，步骤(3)中钢锭仅进行去应力退火得到圆管坯。
测试例1
对实施例1-4按国家标准gb/t223所述方法进行钢锭化学成分测试，以钢锭的总重量为100％计，其余为不可避免的杂质和fe，测试结果如表1所示。
表1
测试例2
对实施例1-4按国家标准gb/t10561-2005所述方法进行非金属夹杂物测试，测试结果如表2所示。
表2
测试例3
将实施例1-4所述的圆管坯轧制成无缝钢管，按国家标准gb/t228和gb/t229所述方法进行拉伸性能和冲击性能测试，测试结果如表3所示。
表3
通过表1和表2的结果可以看出，采用本发明技术方案制备得到的10crni3mov圆管坯，钢锭成分稳定无明显偏析，各类非金属夹杂物含量均低于标准，钢锭纯净度明显更高。
通过表3的结果可以看出，采用不同方法得到的圆管坯制备的无缝钢管，无缝钢管力学性能优良，能够满足军工产品设计需要，且产品力学性能指标并无明显差异。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。