30CrMnSiB钢、缸体用无缝钢管及其生产方法 【技术领域】
本发明涉及一种缸体用无缝钢管及其生产方法，属于钢铁冶金领域。
背景技术
在上世纪70年代以成都无缝钢管厂为代表的国内无缝钢管生产厂家为替代国外选用的25CrMo4、30CrMo、40Cr、30CrMnSi等材料而开发的能够节约较贵的Cr和Mo等合金元素的27SiMn钢种应用于制作缸体和筒身等零件的无缝钢管。国内液压缸体用无缝钢管除少数为碳素钢外，其主要钢种是27SiMn钢。经过30多年的使用情况表明，27SiMn钢经过调质后，具有高强度、高韧性，较好的耐磨性以及良好的可焊性、切削加工性能和镀铬性能，能够满足一般液压支柱管等缸体的使用要求，因此27SiMn无缝钢管在各种缸体上广泛使用。
近年来，随着我国煤炭工业和工程机械行业的迅速发展，采煤机械和工程机械的大型化使其使用的油缸的缸径越来越大，液压压力的增加使油缸的壁厚越来越厚，而且对钢的强韧性有了更高的要求，因此27SiMn无缝钢管显示出有明显不足。主要表现在，钢管的淬透性不足，当油缸壁厚超过30mm时，27SiMn钢管整体调质后的力学性能难以满足屈服强度大于835MPa的要求；27SiMn钢对回火脆性比较敏感。
作为微量元素，硼对钢的组织和性能有显著的影响，是微量合金元素中用量少、效果最显著的一个。如微量(0.0005％～0.0030％)硼可成倍提高钢的淬透性而代替较贵的合金元素，其作用与添加0.6％Mn，0.7％Cr，0.5％Mo或1.6％Ni相当。我国具有大量的硼资源，可以利用硼来节约大量的Cr、Mo等合金元素，经济实用。硼是极活泼的元素，在钢中易于与O、N化合形成稳定的夹杂物而丧失其有益的作用，只有固溶在钢中的有效硼才能起到明显的提高淬透性的作用。因此含硼钢的广泛应用必须在冶炼时以良好的脱氧、精炼和合理的加硼方法为基础。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题是提供一种淬透性高的钢种，30CrMnSiB钢。钢的组分(重量百分比)为：碳0.22％～0.35％、硅0.90％～1.20％、锰0.80％～1.10％、铬0.80％～1.10％、硼0.0005％～0.0035％、钛≤0.05％、磷≤0.035％、硫≤0.035％、镍≤0.30％、铜≤0.20％、钼≤0.10％、铝≤0.05％、铁余量。
本发明提供的30CrMnSiB钢使用了适量的硼和钛，很经济地大幅度提高了材料的淬透性；同时该钢种适于生产缸体用无缝钢管，尤其适合钢管壁厚S≥30mm的大口径厚壁液压支柱管和对强韧性有更高要求的缸体用钢管。
本发明所要解决的另一技术问题是提供上述钢的生产方法。
含硼钢中加入适量的钛可以确保固溶在钢中的有效硼的比例，控制的原则是钢中Ti/N≥4。当钢中Ti/N≥4时，有效硼占全硼的比例会超过70％。钢中加入微量的钛可以有效地细化晶粒，与适量硼配合可以明显减低钢在250～400℃左右的回火脆性。本发明在30CrMnSi钢种里加入微量的硼和钛，目的是提高淬透性的同时，细化钢的晶粒，提高钢材的韧性和冲击性能。
本发明30CrMnSiB钢包括以下步骤：
a、采用转炉或者电炉初炼
对以废钢、生铁和铁水为主要原料生产初炼钢水，其出钢钢水中碳≥0.06％、磷≤0.020％，硫≤0.040％，出钢温度为1620～1680℃；在出钢过程中在钢包中预脱氧。
b、LF炉精炼
钢水通过钢包转运到LF炉内进行精炼，在LF精炼炉内喂入铝丝继续脱氧，加入精炼合成渣等造渣材料扩散脱氧。钢水脱氧良好后加入硅铁和铬铁、锰铁和增碳剂等材料，在LF炉内将钢水的主要化学成分(C、Cr、Si、Mn)调整合格。整个过程中，钢包底吹Ar畅通，同时避免钢液裸露。
当白渣保持时间足够(时间≥15min)且硫到位，喂铝丝100m左右(或加入SiAlBaCa1.0Kg/t钢)进行终脱氧，再加入FeTi，加完FeTi用较低吹Ar强度搅拌3min以上，再加入FeB(B≥15％，铁余量)；LF炉结束后喂CaSi丝0.5～0.8Kg/t钢，精炼渣碱度达(CaO/SiO2)＜5，以较小的吹氩强度净吹5分钟以上时出钢，出钢温度为1550～1600℃。
进一步地，为了稳定和提高硼的收得率，消除因为硼铁粒度大小导致收得率大幅度波动的情况，采用将硼铁装入一端用钢筋封闭，一端用铁皮封闭的钢管中加入LF炉钢包中的方法
c、轧管用钢锭浇铸
钢水浇铸温度为1540～1580℃，可以采用φ450～φ700mm的圆波浪钢锭或者圆形钢锭进行浇铸。也可采用圆坯连铸的浇铸方式，连铸坯浇注时中间包温度按1510～1550℃控制。
本发明所要解决的又一技术问题是提供一种无缝钢管，它是由30CrMnSiB钢加热到1220℃～1260℃，轧制成所需尺寸要求的无缝钢管。
上述无缝钢管经过830℃～920℃油淬和500℃～580℃回火水冷，调质热处理，可用于工程机械、煤矿液压支架等领域的各种液压缸体，尤其适合钢管壁厚S≥30mm的大口径厚壁液压支柱管和对强韧性有更高要求的缸体用无缝钢管。
进一步地，本发明缸体用无缝钢管的屈服点σs为945～1230MPa，抗拉强度σb为1050～1370MPa，断后伸长率65为12～16.5％，常温冲击功Aku2为34～91J。
本发明的贡献在于：不改变原有优质钢种的生产条件，采用优选化学成分、优化生产工艺等手段，达到工程机械、煤矿液压支架等领域的各种液压缸体的技术要求。提供了一种满足我国煤炭工业和工程机械行业的技术要求，生产工艺科学、易操作、经济可靠的新型缸体用无缝钢管钢种，不仅安全可靠，而且可以节约金属使用量，以更好地满足市场要求。钢材批量生产后各项力学性能优良，淬透性良好，尤其适合壁厚大于30mm以上缸体的生产。可以节约金属使用量从而节省社会资源，以更好地满足市场对高强度、高韧性缸体用无缝钢管的要求。
【具体实施方式】
本发明提供一种30CrMnSiB钢。钢的组分(重量百分比)为：碳0.22％～0.35％、硅0.90％～1.20％、锰0.80％～1.10％、铬0.80％～1.10％、硼0.0005％～0.0035％、钛≤0.05％、磷≤0.035％、硫≤0.035％、镍≤0.30％、铜≤0.20％、钼≤0.10％、铝≤0.05％、铁余量。该钢种适于生产缸体用无缝钢管，尤其适合钢管壁厚S≥30mm的大口径厚壁液压支柱管和对强韧性有更高要求的缸体用钢管。其制备方法由以下步骤完成：
a、采用转炉或者电炉初炼
对以废钢、生铁和铁水为主要原料生产初炼钢水，其出钢钢水中碳≥0.06％、磷≤0.020％，硫≤0.040％，出钢温度为1620～1680℃；在出钢过程中在钢包中预脱氧。
b、LF炉精炼
钢水通过钢包转运到LF炉内进行精炼，在LF精炼炉内喂入铝丝继续脱氧，加入精炼合成渣等造渣材料扩散脱氧。钢水脱氧良好后加入硅铁和铬铁、锰铁和增碳剂等材料，在LF炉内将钢水的主要化学成分(C、Cr、Si、Mn)调整合格。整个过程中，钢包底吹Ar畅通，同时避免钢液裸露。
当白渣保持时间足够(时间≥15min)且硫到位，喂铝丝100m左右(或加入SiAlBaCa1.0Kg/t钢)进行终脱氧，再加入FeTi(Ti：30％，铁余量)，加完FeTi用较低吹Ar强度搅拌3min以上，再加入FeB(B：18％，铁余量)；LF炉结束后喂CaSi丝0.5～0.8Kg/t钢，精炼渣碱度达(CaO/SiO2)＜5，以较小的吹氩强度净吹5分钟以上时出钢，出钢温度为1550～1600℃。
进一步地，为了稳定和提高硼的收得率，消除因为硼铁粒度大小导致收得率大幅度波动的情况，采用将硼铁装入一端用钢筋封闭，一端用铁皮封闭的钢管中加入LF炉钢包中的方法
c、轧管用钢锭浇铸
钢水浇铸温度为1540～1580℃，可以采用φ450～φ700mm的圆波浪钢锭或者圆形钢锭进行浇铸。也可采用圆坯连铸的浇铸方式，连铸坯浇注时中间包温度按1510～1550℃控制。
其中，所述预脱氧可以采用加入硅铝钡钙(钙≥10％、钡≥13％、铝≥8％、硅≥50％、碳≤2.0％、磷≤0.10％、硫≤0.15％、铜≤0.30％，铁余量)和铝块(铝≥99％)进行预脱氧。
冶炼过程中采用的硅铁、锰铁、增碳剂、CaSi丝、精炼合成渣等可以采用市售合格产品，只要能够达到冶炼要求，满足各化学成分调整合格即可。
下面通过实施例的方式对本发明做进一步描述，但不应理解为是对本发明的限制。以下实施例采用的部分原料化学组成如下：
硅铁：硅≥70％、锰≤0.4％、碳≤0.01％、铝≤1.0％、铁余量；
锰铁：碳≤1.0％、锰≥75％、硅≤1.0％、铁余量；
铬铁：铬62.0～72.0％，碳3.0～6.0％，硫≤0.05％，磷≤0.06％，铁余量；
增碳剂：C≥90％，S≤0.5％，H2O≤0.5％；
铝丝：Al≥99.00％，Fe≤0.5％，Si≤0.45％，Mg≤0.05％；
CaSi丝：Ca≥28％，Si 55～65％，Al≤2.4％，C≤0.8％，P≤0.04％，S≤0.06％，H2O≤0.5％；
精炼合成渣：CaO 64～68％，CaF2 10～14％，Al2O3 9～13％。
实施例1本发明30CrMnSiB无缝钢管的制备
(1)在超高功率电炉中加入铁水和废钢，铁水和废钢的比例为24.4％：75.6％，经过加入吨钢33.3kg的石灰和喷入适量的碳粉造渣，当钢水温度为1650℃，钢水中的C为0.10％，P为0.011％，S为0.035％时出钢，在出钢过程中向钢包内加入4.0Kg/t钢水的高碳锰铁和4.0Kg/t钢水的硅铝钡钙预脱氧。
(2)钢水通过钢包转运到LF炉内进行精炼：在LF精炼炉内喂入0.90Kg/t钢水的铝丝继续脱氧，喂Al丝结束后加入13.33Kg/t钢水的精炼合成渣和0.5Kg/t钢水的电石等材料造渣扩散脱氧。钢水脱氧良好后加入硅铁和铬铁、锰铁和增碳剂等材料，在LF炉内将钢水的主要化学成分调整合格(C：0.29％，Si：0.98％，Mn：0.92％，Cr：0.93％)。整个过程中，钢包底吹Ar畅通，同时避免钢液裸露。
(3)LF精炼炉白渣保持时间≥17min、硫为0.004％，此时喂铝丝约0.20Kg/t钢水左右(或加入SiAlBaCa 1.0Kg/t钢水)进行终脱氧后，再加入FeTi合金(Ti：30％，铁余量)1.5Kg/t钢水，加完FeTi用较低吹Ar强度搅拌4min，再采用将硼铁装入一端用钢筋封闭，一端用铁皮封闭的钢管中加入LF炉钢包中的方法加入FeB(B：18％，铁余量)1.2Kg/t钢水；LF炉结束后喂CaSi丝0.55Kg/t钢，精炼渣碱度(CaO/SiO2)＝4.0后以较小的吹氩强度净吹7分钟出钢。LF精炼炉出钢温度为1560℃。
所得30CrMnSiB的重量百分比组分为：
C：0.30％，Si：0.99％，Mn：0.92％，Cr：0.92％，S：0.003％，P：0.017％，Ni：0.04％，Mo：0.01％，Cu：0.07％，Al：0.017％，Ti：0.025％，B：0.0018％。
()钢水浇铸温度为1553℃，采用φ550mm/3.3t的圆波浪钢锭进行浇铸。
(5)将钢锭在环形炉加热到1265℃，最高加热温度小于1280℃。通过斜轧穿孔机将钢锭穿制成毛管，再通过周期式轧管机轧制成φ395×60规格的厚壁无缝钢管。
采用上述方法所生产的30CrMnSiB无缝钢管制成毛坯尺寸为25mm的试样，经过880℃油淬和520℃回火水冷的调质热处理后，其屈服点σs为1150MPa，抗拉强度σb为1270MPa，断后伸长率65为16％，常温冲击功Aku2为65J。
实施例2本发明30CrMnSiB无缝钢管的制备
(1)在转炉中加入铁水和废钢，铁水和废钢的比例为90％：10％，经过加入石灰等渣料，当钢水温度为1660℃，钢水中的C为0.08％，P为0.010％，S为0.035％时出钢，在出钢过程中向钢包内加入4.0Kg/t钢水的高碳锰铁和2.0Kg/t钢水的硅铝钡钙，1.0Kg/t钢水的铝块预脱氧。
(2)钢水通过钢包转运到LF炉内进行精炼，在LF精炼炉内根据取样分析情况后加入一定量得铝丝继续脱氧，利用加入14.0Kg/t钢水的精炼合成渣等材料造渣扩散脱氧。钢水脱氧良好后加入硅铁和铬铁、锰铁和增碳剂等材料，在LF炉内将钢水的主要化学成分调整合格(C：0.29％，Si：0.95％，Mn：0.97％，Cr：0.98％)。整个过程中，钢包底吹Ar畅通，同时避免钢液裸露。
(3)当白渣保持时间16min后、硫为0.005％后，喂铝丝约0.20Kg/t钢水左右(或加入SiAlBaCa 1.0Kg/t钢水)进行终脱氧后，再加入FeTi合金(Ti：30％，铁余量)1.5Kg/t钢水，加完FeTi用较低吹Ar强度搅拌4min，再采用将硼铁装入一端用钢筋封闭，一端用铁皮封闭的钢管中加入LF炉钢包中的方法加入FeB(B：18％，铁余量)1.2Kg/t钢水；LF炉结束后喂CaSi丝0.50Kg/t钢，且精炼渣碱度(CaO/SiO2)＝4.1后以较小的吹氩强度净吹6分钟出钢。精炼炉出钢温度为1575℃。
所得30CrMnSiB重量百分比组分为：
C：0.30％，Si：0.96％，Mn：0.97％，Cr：0.96％，S：0.003％，P：0.016％，Ni：0.04％，Mo：0.01％，Cu：0.06％，Al：0.021％，Ti：0.025％，B：0.0019％。
(4)钢水连铸时，中间包温度为1530℃，采用φ350mm的4流连铸机进行浇铸，浇注时采用氩气保护浇注水口。
(5)将下好定尺的连铸坯在环形炉加热到1260℃，最高加热温度小于1280℃。通过340MPM轧管机组穿孔、轧管、定径后成为无缝钢管成品，成品规格为φ299×30mm。
采用上述方法所生产的30CrMnSiB无缝钢管制成毛坯尺寸为25mm的试样，经过880℃油淬和520℃回火水冷的调质热处理后，其屈服点σs为1130MPa，抗拉强度σb为1250MPa，断后伸长率δ5为17％，常温冲击功Aku2为68J。