CN104911496A - 拖泵车单层混凝土输送管用钢及生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种拖泵车单层混凝土输送管用钢及其生产方法，碳0.38～0.48％、硅0.05～0.35％、锰1.60～2.50％、钙0.0015～0.0030％、铬0.35～0.65％、钨0.30～0.50％、铒0.05～0.20％、铝0.015～0.045％、磷≤0.010％、硫≤0.003％、氮≤0.006％、余量为铁和不可避免的杂质。该钢的耐磨性能高，且在生成过程中控制适当的终轧和卷取温度，减少钢卷在两相区停留时间，快速冷却至伪共析珠光体析出区间，减少先共析铁素体的生成，保证卷取后缓冷过程中不生成先共析铁素体，同时避免卷取温度过低形成贝氏体，从而达到形成更多珠光体的目的。

Description

拖泵车单层混凝土输送管用钢及生产方法

技术领域

本发明涉及一种耐磨钢，属于低合金钢制造领域，具体涉及一种拖泵车单层混凝土输送管用钢。

背景技术

目前，我国正处于基础建设的高峰时期，房地产、水利设施、交通设施等等行业都大量需求混凝土输送用工程机械，如拖泵车。拖泵车用混凝土单层输送管是一种消耗产品，输送混凝土达到一定立方面积后需要更换，故其需求量非常大。目前不同的工程机械厂家采用不同的混凝土输送管材料，如钢铁材料、塑胶材料、陶瓷材料等等，其中以钢铁材料为主。衡量混凝土输送管道材料的优越性指标是钢铁材料的耐磨性和抗疲劳性能。目前普通托泵车用混凝土钢管输送石料量约10000～15000m³，采用高耐磨管寿命可提高到≥40000m³。

国内主要的拖泵车用混凝土单层输送管采用高频直缝电阻焊的方法制管，所用钢材主要有20、40Mn、50等优质碳素钢，随着钢中碳含量提高其耐磨性得到显著提高，组织中先共析铁素体量减少，淬透性更好。但随着碳含量提高，材料的强度提高，韧塑性下降，冷成型性及加工性能显著下降，同时焊接性也显著降低。

中国发明专利申请(公开号1036146444A、公开日2014.03.05)公开了一种泵车用高耐磨合金钢材料，其含有的化学元素成分及其重量百分比为：碳0.2～0.4、硅1.4～1.7、锰4.2～4.4、铬1.7～2.1、钼0.4～0.7、铝0.1～0.3、硼0.3～0.5、钛0.5～0.8、La0.04～0.07、S≤0.04、P≤0.04、余量为铁。本发明专利申请合金钢硬度高、耐磨性极好、强韧性高、可塑性好、耐腐蚀性较好，适用于强磨损环境中工作，如泵车罐体、输送管等，使用寿命长。但添加太多的Si、Mn、Cr、Al等合金元素，成本偏高。并且钢中添加过多的Si，对韧性不利；过多的Mn，不利于焊接；过多的Al，容易形成氧化物夹杂；加上该钢P、S含量控制较松，钢质纯净度不高，影响钢管综合性能。另外，该钢碳含量相对较低，有较多的先共析铁素体，导致退火时珠光体球化率较差，且未说明在轧制工艺上如何避免产生过多的先共析铁素体来提高退火时珠光体球化率。

中国发明专利申请(公开号103173682A、公开日2013.06.26)公开了一种混凝土输送管用热轧卷板及其制造方法，其成分重量百分比(％)为：C：0.60～0.70；Si：0.12～0.37；Mn：0.90～1.20；Al：0.015～0.06；P≤0.035；S≤0.035；Cr：0.20～0.50；V≤0.25，余量为Fe及不可避免的杂质元素。其工艺包括：铁水预处理→转炉冶炼→炉外精炼→板坯连铸→红送直装→板坯加热→高压水除鳞→粗轧机组轧制→高压水除鳞→精轧机组轧制→卷取→质量和性能检验→包装标志→入库的方式生产。方法二、铁水预处理→转炉冶炼→炉外精炼→板坯连铸→板坯退火→板坯加热→高压水除鳞→粗轧机组轧制。本发明专利申请钢中P、S要求较松，而单层混凝土输送管采用高频电阻熔融焊接方式，焊接接头位置对钢中P、S含量要求严格，一旦焊接接头位置存在有害杂质，则会形成严重焊接缺陷。

中国发明专利申请(公开号102747290A、公开日2012.10.24)公开了一种经济型耐磨钢管及其制造方法，其化学成分重量百分比为：C：0.42～0.60％、Si：0.10～0.40％、Mn：0.60～1.40％、P≤0.020％、S≤0.010％、Cr：0.20～0.80％、Al：0.010～0.080％、Ti：0.005～0.040％、Ca：0.0010～0.0050％、B≤0.0015％、N：0.0030～0.0100％，余量为Fe和不可避免的杂质。制造方法，包括冶炼、铸造、热轧、制管、焊接、淬火和回火等步骤。通过以上成分及工艺得到的高硬度、高耐磨性耐磨钢焊管，适用于工程机械中极易磨损设备，如混凝土泵车输送管等。该发明专利申请中钢含有较高的C、Cr等元素，还含有B等提高淬透性的元素，钢板的强度比较高，但韧塑性相对差一些。并且该发明专利申请中P、S含量较高，对焊接性能和加工性能不利；另外，N含量较高，最高达到0.010％，过高的N含量，当铸坯温度低于900℃时，AlN在晶界析出，加剧钢的脆化，铸坯矫直时出现边部裂纹，铸坯轧制后形成翘皮裂纹，影响钢板使用性能。

中国发明专利申请(公开号101323934、公开日2008.12.17)公开了一种高抗磨混凝土输送管，由重量比为0.15～0.4％的C，0.1～2.0％的Si，1.6～3.0％的Mn，0.3～2.0％的Cr，0～0.5％的Mo，0.02～0.1％的V，0.01～0.06％的Ti，0～0.03％的Ni，0～0.5％的Cu，0.02～0.06％的Nb，0.01～0.05％的Al，0.0005～0.005％的B，0.02～0.06％的Re，0～0.02％的N，0～0.035％的S，0～0.035％的P和余量的Fe组成，经冶炼、离心浇铸、热轧、控制冷却等步骤制成。该发明专利申请生产工艺简短，生产的输送管具有高抗磨性能的马氏体、贝氏体金相组织，使用寿命比20号无缝管提高4～20倍。但该发明专利申请适用于铸造产品，含有较高的Ni、Mo、V、Cu、Nb等贵重合金元素，成本高昂。同样的，该钢碳含量相对较低，有较多的先共析铁素体，导致退火时珠光体球化率较差，且未说明在轧制工艺上如何避免产生过多的先共析铁素体来提高退火时珠光体球化率，钢板成型及加工性能相对差一些。并且，该钢N含量控制较松，资料显示，钢中N含量高，容易和微合金元素Nb产生氮化物析出。当铸坯温度降至950℃以下，大量的微细Nb(C、N)由γ中析出，造成延塑性急剧降低；温度低于900℃以下，则进入AlN析出温度区，AlN在γ晶界析出也会加剧钢的脆化，在铸坯矫直时出现边部裂纹，轧制后形成边部翘皮，影响钢板成材率和使用性能。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种加工成型性能和耐磨性能均优良的拖泵车单层混凝土输送管用钢。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：拖泵车单层混凝土输送管用钢，其特征在于：含有的化学元素成分及其重量百分比为：碳0.38～0.48％、硅0.05～0.35％、锰1.60～2.50％、钙0.0015～0.0030％、铬0.35～0.65％、钨0.30～0.50％、铒0.05～0.20％、铝0.015～0.045％、磷≤0.010％、硫≤0.003％、氮≤0.006％、余量为铁和不可避免的杂质。

以下简述本发明中选定合金元素及成分范围的理由：

碳：碳是提高硬度、强度和耐磨性的主要元素，同时提高钢带的淬透性。亚共析钢碳含量越高，先共析铁素体量越少。但是碳含量高，钢的韧塑性及焊接性能变差，根据本发明钢的用途特性，本发明中碳含量控制范围在0.38～0.48％，优选0.42～0.48％。

硅：硅是炼钢脱氧的必要元素，且以固溶强化形式提高钢的强度；含量太低脱氧效果不佳，含量太高在后续直缝电阻焊时会产生低熔点的硅酸盐，增加熔渣和熔化金属的流动性，降低焊缝品质；同时硅元素能提高碳在钢中的活度，从而加大钢带表面脱碳倾向，但硅含量太高会降低韧性，本发明中控制硅含量为0.05～0.35％。

锰：锰也是脱氧元素之一，同时能提高钢的强度。锰是提高钢淬透性和耐磨性的重要元素，锰含量超过1％时，钢的耐磨性显著增强。但是锰含量较高对焊接性能不利，锰选择为1.60～2.50％。

钙：含量控制在0.0015～0.0030％，微量的钙使长条状硫化物夹杂球化，减小钢材各项异性差异，提高钢带韧性。同时微量的钙促进C的晶界偏聚，使先共析铁素体在奥氏体晶界较难形核，从而起到抑制先共析铁素体的作用。

铝：含量控制在0.015～0.045％，铝是有效的脱氧元素，能细化晶粒，提高钢的强度和韧性。铝含量过高Al₂O₃夹杂物，影响钢材性能。

铬：铬是中等碳化物形成元素，在所有各种碳化物中，铬碳化物是最细小的一种，它可均匀地分布在钢体积中，所以具有高的强度、硬度、屈服点和高的耐磨性。由于它能使组织细化而又均分布，所以塑性、韧性也好，这对工具钢尤有价值。同时，铬的加入均可以提高材料的硬度并且在共析转变过程中，促进珠光体转变，稳定和细化珠光体。铬能使C曲线右移，推迟铁素体，珠光体转变，可部分抑制先共析铁素体。一定量的铬能够抑制中、高碳钢的脱碳。但当铬含量过高时，会提高钢的强度，增加中高碳钢的冷裂纹敏感性和降低塑韧性。铬选择为0.35～0.65％，优选0.40～0.60％。

钨(W)、铒(Er)：在合金结构钢中加入钨，能形成稳定的合金碳化物，阻碍奥氏体晶粒长大，还能增加渗碳层硬度，提高耐磨性。钨能耐高温，而且溶于钢中会与碳形成碳化物称为碳化钨，能提高钢的强度。在钢中加入0.3～1.0％的钨，还可以降低钢的回火脆性。铒在钢中的作用与铌、钒、钛相似，含量较小时，有脱氧、净化和细化晶粒的作用。能提高钢的低温韧性，消除时效现象，提高钢的抗压性能。关键的是，实验研究证明，大于0.3％的钨和大于0.05％铒复合添加可以显著提高钢的耐磨性能。本发明钢选取的钨在0.30％～0.50％，铒在0.05％～0.20％。

磷：磷一般被认为是杂质，明显影响钢的冷弯成型性能。磷和碳一样可提高钢的强度和硬度，却降低了钢延展性和韧性或冲击强度，特别是对调质钢。对本发明钢而言，杂质元素磷若大量存在，会对高频电阻焊产生严重不利影响，其化合物增加熔渣和熔化金属的流动性，降低焊缝品质；因此，本发明钢的磷含量要求低于0.010％。

硫：硫一般被认为是有害元素，硫化物降低钢的横向延展性和韧性。而且，硫含量的增加会削弱钢的焊接性，对钢的表面质量也是不利的。同样，硫化物增加熔渣和熔化金属的流动性，降低了焊缝品质；本发明钢的硫含量要求低于0.003％。

氮：它与合金元素生成氮化物是非金属夹杂，更重要的是降低了合金元素的作用。含氮钢在退火过程中因氮化物析出而会显著降低它的塑性。铁素体溶解氮的能力很低。当钢中溶有过饱和的氮，在放置较长一段时间后或随后在200℃～300℃加热就会发生氮以氮化物形式的析出，并使钢的硬度、强度提高，塑性下降，发生时效。本发明钢的氮≤0.006％。

本发明还提供一种如上述所述拖泵车单层混凝土输送管用钢的生产方法，包括以下步骤：

1)冶炼、铸造

按所述成分及重量百分比、采用超纯净钢冶炼技术制备铸坯；

2)轧制

铸坯加热温度1220～1280℃、加热时间180～240min，加热炉采用还原性气氛；粗轧开轧温度1100℃～1200℃、粗轧终轧温度1000℃～1040℃，精轧开轧温度980℃～1000℃、精轧终轧温度860℃～920℃；

3)冷却、卷取

上下冷却集管水比1∶1.25～1∶1.50、水量比1∶1，并且为减少先共析铁素体的生成，需尽量减少钢卷在α+γ两相区温度区间停留时间，因此，在A_C3+(10～25)℃温度下快速冷却至伪共析珠光体析出区间，并且保证平均冷速50℃/s～100℃/s，终轧后平均冷速如果超过100℃/s以上，钢板表层与心部组织难以一致，表层易生成贝氏体；控制卷取温度Ac₁-(30～50)℃，一方面保证卷取后缓冷过程中不生成先共析铁素体，同时，避免卷取温度过低形成贝氏体，从而达到形成更多的珠光体；

其中：A_C3为加热时先共析铁素体全部转变为奥氏体的终了温度，其温度为837℃；

Ac₁为加热时珠光体向奥氏体转变的温度，其温度为727℃；

4)退火

热轧态钢卷空冷至室温后，加热至650℃～750℃、保温时间14～28h，随炉缓冷至580℃以下，出炉空冷至室温，从而使钢得到良好的加工和成型性能，钢卷退火后的组织为充分球化的珠光体。

进一步地，所述步骤2)铸坯加热之前需对铸坯堆冷32～48小时；因本发明的钢属于中碳钢，碳含量和合金含量相对较高，为了防止铸坯冷却过程中产生热裂纹，而造成断坯现象或导致钢板产生裂纹，连铸步骤后，铸坯必须堆冷32h后才能下送轧钢厂。

进一步地，所述步骤4)中热轧态钢卷空冷至室温后，经全氢式罩式退火炉进行球化退火。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明的拖泵车单层混凝土输送管用钢，采用中高碳钢成分设计，未添加Ni、Mo、Cu等贵重合金，降低了生产成本。另外，添加钙作为合金化元素，一方面改善硫化物夹杂，减小钢的各项异性，另一方面钙促进碳的晶界偏聚，使先共析铁素体在奥氏体晶界较难形核，从而起到抑制先共析铁素体的作用；添加铬作为合金化元素，一方面能提高钢的淬透性，可以提高材料的硬度并且在共析转变过程中，促进珠光体转变，稳定和细化珠光体，同时抑制中、高碳钢的脱碳，另一方面形成细小的铬碳化物，均匀地分布在钢体积中，使钢具有高的强度、硬度、屈服点和高的耐磨性；复合添加钨和铒，形成稳定的合金碳化物，阻碍奥氏体晶粒长大；增加渗碳层硬度，显著提高钢的耐磨性能。

2、本发明钢的屈服强度R_eL≤400MPa、抗拉强度R_m≤600MPa、HB≤180、延伸率A≥22％、-20℃低温冲击性能≥100J。

3、本发明钢经高频淬火、回火后，双面完全脱碳层深度≤0.08mm、内表面硬度达52～60HRC。

4、控制适当的终轧和卷取温度，减少钢卷在两相区停留时间，快速冷却至至伪共析珠光体析出区间，减少先共析铁素体的生成，保证卷取后缓冷过程中不生成先共析铁素体，同时避免卷取温度过低形成贝氏体，从而达到形成更多珠光体的目的，易于大规模生产。

5、本发明拖泵车单层混凝土输送管用钢的生产方法工序简单、生产成本较低、效率高。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，便于更清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

按照本发明化学元素成分、重量百分比及生产方法要求，制备了四个实施例，以及两个对比实施例，分别为实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、对比实施例1、对比实施例2，即冶炼并轧制了6批钢。四个实施例及两个对比实施例的化学元素成分重量百分比、过程工艺参数及试验结果分别见表1、表2和表3。

表1 四个实施例及两个对比实施例的化学成分对比(wt，％)

表2 四个实施例及两个对比实施例的主要工艺参数对比

表3 四个实施例及两个对比实施例的力学性能试验结果对比(退火态)

经对实施例1～实施例4的四个钢进行常温拉伸性能、冲击性能、硬度及用户处理后的使用性能进行检验，其结果：(1)退火态钢：屈服强度R_eL≤390MPa、抗拉强度R_m≤590MPa、HB≤168、延伸率A≥23.0％、-20℃低温冲击性能≥122J；(2)该钢板经过高频淬火+回火后，双面完全脱碳层深度≤0.08mm，内表面硬度达52～60HRC；(3)采用实施例1～实施例4的钢制成的输送混凝土的拖泵车用单层输送管，耐磨性能优良，每管平均输送寿命≥40000m³。四个实施例及两个对比实施例制成钢的使用性能及寿命如表4所示。

表4 四个实施例及两个对比实施例的使用性能及使用寿命

本发明的拖泵车单层混凝土输送管用钢冶金质量优异，采用转炉连铸加控制控冷工艺生产，工序简单、成分偏析小、生产的钢板厚度均匀、性能均匀、生产成本低、效率高，易于大规模生产。

本发明技术领域的科研人员可根据上述作内容和形式非实质性的改变而不偏离本发明所实质保护范围，因此，本发明不局限于上述具体的实施实例。

Claims (6)

1.一种拖泵车单层混凝土输送管用钢，其特征在于：含有的化学元素成分及其重量百分比为：碳0.38～0.48％、硅0.05～0.35％、锰1.60～2.50％、钙0.0015～0.0030％、铬0.35～0.65％、钨0.30～0.50％、铒0.05～0.20％、铝0.015～0.045％、磷≤0.010％、硫≤0.003％、氮≤0.006％、余量为铁和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的拖泵车单层混凝土输送管用钢，其特征在于：所述碳的重量百分比为0.42～0.48％。

3.根据权利要求1所述的拖泵车单层混凝土输送管用钢，其特征在于：所述铬的重量百分比为0.40～0.60％。

4.一种权利要求1所述拖泵车单层混凝土输送管用钢的生产方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)冶炼、铸造

按所述成分及重量百分比、采用超纯净钢冶炼技术制备铸坯；

2)轧制

铸坯加热温度1220～1280℃、加热时间180～240min，加热炉采用还原性气氛；粗轧开轧温度1100℃～1200℃、粗轧终轧温度1000℃～1040℃，精轧开轧温度980℃～1000℃、精轧终轧温度860℃～920℃；

3)冷却、卷取

在A_C3+(10～25)℃温度下、保证平均冷速50℃/s～100℃/s，快速冷却至伪共析珠光体析出区间；控制卷取温度Ac₁-(30～50)℃、上下冷却集管水比1∶1.25～1∶1.50、水量比1∶1；

其中：A_C3为加热时先共析铁素体全部转变为奥氏体的终了温度；

Ac₁为加热时珠光体向奥氏体转变的温度；

4)退火

热轧态钢卷空冷至室温后，加热至650℃～750℃、保温时间14～28h，随炉缓冷至580℃以下，出炉空冷至室温。

5.根据权利要求4所述的拖泵车单层混凝土输送管用钢的生产方法，其特征在于：所述步骤2)铸坯加热之前需对铸坯堆冷32～48小时。

6.根据权利要求4所述的拖泵车单层混凝土输送管用钢的生产方法，其特征在于：所述步骤4)中热轧态钢卷空冷至室温后，经全氢式罩式退火炉进行球化退火。