CN113265595B - 一种用于低合金无缝管的连铸坯及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于低合金无缝管的连铸坯，其中的Cr、Mn、Mo的质量百分总含量≤5％，连铸坯中的柱状晶比例≥95％，且等轴晶区域内大于0.5mm的点状偏析的数量低于15个。相应地，本发明还公开了一种所述的用于低合金无缝管的连铸坯的生产方法。优化了连铸过程，控制柱状晶比例和降低点状偏析，并利用拉矫机的压力进行管坯轻压下改善铸坯心部缺陷。通过该生产方法生产出的坯，铸坯心部质量高，点状偏析少，后续还可用于制得一种大幅度改善内壁带状偏析的低合金无缝管。

Description

一种用于低合金无缝管的连铸坯及其生产方法

技术领域

本发明涉及一种钢材及其生产方法，尤其涉及一种连铸坯及其生产方法。

背景技术

随着国民生产对油气资源需求的日益扩大，油井管在高强韧、耐高温高压、耐硫化氢应力腐蚀和耐二氧化碳腐蚀等方面需要有更高的性能。这使得原来不太关注的无缝管内壁偏析问题逐渐受到重视。在低合金钢油井管中，内壁偏析显著影响其韧性、硫化氢应力腐蚀、氢致开裂和疲劳强度。并且目前无缝钢管的内壁偏析在管坯质量控制以及轧管热处理方面等方面均无有效的控制手段。通常情况下只有添加更高的Cr、Mo等合金元素，来保证钢管内壁偏析区的性能。但是这些合金元素的添加会大大提高制造成本。

研究发现，铸坯的偏析对轧材带状缺陷与最终产品的带状组织具有一定的遗传性影响，且C、P、S、Mn、Mo等元素在铸态产品中易形成微观或半宏观偏析，之后通过热轧过程遗留到轧材中，形成细长的MnS夹杂或条带状硬化组织。因此，为了得到优质无缝管必须严格控制铸态产品中的元素偏析。

一般来说，铸坯中的中心偏析经常是由圆形或椭圆形的斑点状偏析组成，这些斑点状偏析的大小约为300μm～3mm，这种偏析被称为点状偏析或半宏观偏析。

在铸锭中，点状偏析有两种不同的形成机理：

(1)由于钢液脱氧不良，钢液凝固时有气体逸出。气泡在上升过程中把原来不稳固的枝晶架或小晶核冲走,枝晶间的尚未凝固的富集低熔点组元和夹杂的粘稠钢液回填,这些粘稠钢液凝固后就形成了点状偏析。

(2)由于枝晶间的富集液具有比重轻、表面张力小的特点，枝晶间富集液会以条状或点状形态自然上浮形成点状偏析。如果铸锭断面尺寸较大，热量散失困难，液态合金冷却速度缓慢，会给枝晶间低熔点的溶液聚集及上浮创造有利条件。而在铸坯中，由于钢液凝固是以枝晶生长的模式进行，合金元素在枝晶间聚集，导致枝晶内元素浓度降低，枝晶间和枝晶内的元素分布产生差异。随着温度降低，等轴晶继续凝固并产生微观偏析，在最后的凝固末端产生凝固收缩，由于等轴晶阻碍了钢液的补缩，因此由若干等轴晶相互粘结而形成的空间中会产生负压，抽吸枝晶间富集溶质的钢液，形成了点状偏析。

现有公开的技术仅针对宏观偏析的优化提出了一定的控制措施，对于影响后续工序的铸坯中心半宏观偏析或点状偏析的控制并没有有效手段，而铸坯半宏观偏析或点状偏析会直接遗传为后续无缝管产品的内壁带状偏析。

例如：公开号为CN103350216A，公开日为2013年10月16日，名称为“一种铸锭均质化的控制方法”的中国专利文献公开了一种将熔炼金属在铸型中逐层浇注，浇铸与凝固交替进行，浇铸完上一浇铸层后停止浇铸，采用微包浇铸逐层凝固的方法。该方法将宏观偏析控制在了很小的每一浇铸层厚度范围内，使得各凝固层之间的凝固时间差异小，晶粒尺寸差异也小，从而达到均质化的效果。该发明虽然解决的是管坯的宏观偏析问题，并不涉及如何解决点状偏析的问题。

又例如：公开号为CN105568122A，公开日为2016年5月11日，名称为“φ280mm的30CrMo圆管坯中心偏析控制方法”的中国专利文献公开了一种采用结晶器电磁搅拌与凝固末端电磁搅拌相结合的技术，使得坯壳均匀生长。柱状晶组织在搅拌过程中不断冲刷熔断，等轴晶形核率提高，柱状晶生长被抑制，从而避免或减少铸坯中心偏析。该发明通过抑制柱状晶生长，提高等轴晶比例来减少中心偏析。

再例如：公开号为CN105950951A，公开日为2016年9月21日，名称为“一种通过添加稀土元素改善钢坯中溶质碳偏析的方法”的中国专利文献公开了一种通过添加稀土元素改善钢坯中溶质碳偏析的方法，通过添加微量稀土铈，使凝固体系中溶质碳的平衡分配系数提高，从而达到从本质上改善溶质碳偏析的目的。该发明通过添加稀土元素来抑制碳的偏析，但是Mn、Cr、Mo等元素的偏析未能得到有效抑制，而且生产成本也比较高。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种用于低合金无缝管的连铸坯，其旨在降低铸坯心部的点状偏析，解决现有连铸坯的铸坯心部的疏松和缩孔等问题，从而改善该用于低合金无缝管的连铸坯后续穿孔、轧制成的无缝钢管内壁的带状偏析的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种用于低合金无缝管的连铸坯，所述连铸坯中的Cr、Mn、Mo的质量百分总含量≤5％，连铸坯中的柱状晶比例≥95％，且等轴晶区域内大于0.5mm的点状偏析的数量低于15个。

本发明的另一目的在于提供一种低合金无缝管，所述的低合金无缝管其采用上述用于低合金无缝管的连铸坯制得。

相应地，本发明的又一目的在于提供一种上述用于低合金无缝管的连铸坯的生产方法，该生产方法工艺简单，通过针对连铸过程的工艺优化，控制柱状晶比例和降低点状偏析，大大降低了合金的成本，提高了铸坯心部质量。

为了实现上述目的，本发明提供了上述的用于低合金无缝管的连铸坯的生产方法，包括：

浇铸过程中将钢水的过热度控制在30-50℃；

采用结晶器电磁搅拌和凝固末端电磁搅拌组合的搅拌方式；

将浇铸拉速控制在1.4-2.0m/min，连铸机二冷水比水量控制在0.6-1.0L/kg。

需要说明的是，在本发明所述的生产方法中，对于浇铸过程中钢水过热度的控制，与常规工艺相比，本发明进一步提高了钢水过热度。这是为了使铸坯柱状晶得到发展，从而有利于结晶器化渣，同时还能弥补浇铸过程的温度损失，增大温度梯度。但是发明人通过研究发现，过热度也不宜太高，否则容易出现中心缩松或裂纹。因此，在本发明所述的用于低合金无缝管的连铸坯的生产方法中，控制浇铸过程中刚水的过热度为30-50℃。

在本发明所述的生产方法中，还采用了结晶器电磁搅拌和凝固末端电磁搅拌组合的搅拌方式。在采用结晶器电磁搅拌时，钢液会在结晶器范围内旋转流动，从而可以清洗凝固前沿，扩大等轴晶区，使凝固坯壳更加均匀。但是，在单独采用结晶器电磁搅拌时，由于钢液在结晶器内过热耗散变快，凝固终点会略微提前，铸坯表面温度略微增加，结晶器区域内的凝固坯壳厚度将会略微减薄。同样的，虽然单独采用凝固末端电磁搅拌可以提高剩余液相金属的流动性，使富集溶质的剩余液相更均匀，改善连铸中心偏析，但当电磁搅拌幅度过大时，会导致流动的不合理，造成等轴晶区扩大，最终导致连铸中心产生负偏析的“白亮带”。因此本案发明人创造性地提出了采用结晶器电磁搅拌和凝固末端电磁搅拌组合的搅拌方式，从而既兼顾了结晶器电磁搅拌和凝固末端电磁搅拌的优点，又克服了其各自的缺点。

在本发明所述的生产方法中，由于采用了相对较高的过热度，柱状晶比例会得到显著提升。但是另一方面，由于过热度较高，也会带来漏钢的风险，因此发明人采用较慢的连铸拉速，即1.4-2.0m/min，与之匹配，从而既防止了漏钢，又保证了较好的铸坯质量。

此外，本案发明人根据传热计算模型发现末端电磁搅拌位置靠前，为发挥末端电磁搅拌效果，在拉速不变的前提下，提高二冷水量，可以使凝固终点向前移动，推迟凝固末端电磁搅拌的有效作用位置，同时还可以进一步提高柱状晶的比例，减少等轴晶区点状偏析的数量。但二冷比水量提高到一定程度，冷却效果就不明显了。因此，经过综合分析，将本发明所述的用于低合金无缝管的连铸坯的生产方法中的二冷比水量控制为0.60-1.00L/kg。

进一步地，在本发明所述的生产方法中，其中浇铸过程中钢水的过热度控制在35-45℃之间。

进一步地，在本发明所述的生产方法中，控制结晶器电磁搅拌(M-EMS)的强度为50-300A，并且/或者凝固末端电磁搅拌(F-EMS)的强度为50-400A。

在一些优选的实施方式中，控制结晶器电磁搅拌的强度可以为100-200A，并且/或者凝固末端电磁搅拌的强度可以为100-300A。

在本发明所述的用于低合金无缝管的连铸坯的生产方法中，为兼顾铸坯质量和柱状晶比例，结晶器电磁搅拌强度控制在50-300A，优选控制在100-200A之间；凝固末端电磁搅拌强度控制在50-400A，优选控制在100-300A之间。

进一步地，在本发明所述的生产方法中，控制浇铸拉速可以为1.6-1.8m/min，并且/或者控制连铸机二冷水比水量可以为0.7-0.9L/kg。

进一步地，在本发明所述的生产方法中，控制结晶器电磁搅拌的频率为3-6Hz，并且/或者凝固末端电磁搅拌的频率为3-6Hz。

进一步地，在本发明所述的生产方法中，采用连铸机拉矫机的压下力进行轻压下，以使连铸坯的径向压下率为1-7％。

在一些优选的实施方式中，控制连铸坯的径向压下率可以为2-5％。

在本发明所述的生产方法中，通过利用拉矫机的压力进行下压，弥补了柱状晶发达后带来的铸坯心部裂纹、缩孔和疏松等缺陷。需要说明的是，压下量不宜过低，否则心部质量得不到改善。同时压下量也不宜过大，过大容易发生漏钢等浇铸事故。

本发明所述的用于低合金无缝管的连铸坯的生产方法工艺简单，通过针对连铸过程的工艺优化，控制柱状晶比例和降低点状偏析，大大降低了合金的成本，提高了铸坯心部质量。

同样地，本发明所述的低合金无缝管的连铸坯以及采用该连铸坯制得的无缝管也具有同样的有益效果。

具体实施方式

下面将结合具体的实施例对本发明所述的用于低合金无缝管的连铸坯及其生产方法做进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。

实施例1-6以及对比例1-3

本发明的各实施例和对比例中所用的钢的化学成分如表1所示。

表1.(质量分数，wt％)

本发明所述的用于低合金无缝管的连铸坯按照表1所示的化学成分进行冶炼，然后进行浇铸。其中在浇铸步骤的各工艺参数控制如下(本案各实施例的具体参数参见下述表2)：

浇铸过程中将钢水的过热度控制在30-50℃；

采用结晶器电磁搅拌和凝固末端电磁搅拌组合的搅拌方式；

将浇铸拉速控制在1.4-2.0m/min，连铸机二冷水比水量控制在0.6-1.0L/kg。

对比例1-3的连铸坯按照表1所示的化学成分进行冶炼，然后进行浇铸。

表2列出了实施例1-6以及对比例1-3的连铸坯的具体工艺参数。

表2.

表3列出了本发明实施例1-6以及对比例1-3所得到的用于低合金无缝管的连铸坯的柱状晶比例、点状偏析状况和缺陷状况。

表3.

从表2和表3中可以看出，由于采用了本发明所述的技术方案，本发明实施例1-6中制得的用于低合金无缝管的连铸坯的柱状晶比例均≥95％，等轴晶区域内大于0.5mm的点状偏析的数量均低于11个。

此外，本发明的实施例6的连铸机拉矫机的径向压下率为1.0％，其没有位于本发明的优选范围内，因此虽然其柱状晶比例满足≥95％，等轴晶区域内大于0.5mm的点状偏析的数量满足低于15个，但是其中心缺陷的状况要相对劣于本案的实施例1-5。

此外，从表2和表3还可以看出，对比例1和对比例2的钢水过热度控制超出了本案权利要求的范围，对比例3只采用了凝固末端电磁搅拌，而未采用结晶器电磁搅拌和凝固末端电磁搅拌组合的搅拌方式。因此对比例1-3制得的连铸坯的柱状晶比例和等轴晶区域内大于0.5mm的点状偏析的数量均不能满足本案的要求。

需要说明的是，本发明的保护范围中现有技术部分并不局限于本申请文件所给出的实施例，所有不与本发明的方案相矛盾的现有技术，包括但不局限于在先专利文献、在先公开出版物，在先公开使用等等，都可纳入本发明的保护范围。

此外，本案中各技术特征的组合方式并不限本案权利要求中所记载的组合方式或是具体实施例所记载的组合方式，本案记载的所有技术特征可以以任何方式进行自由组合或结合，除非相互之间产生矛盾。

还需要注意的是，以上所列举的实施例仅为本发明的具体实施例。显然本发明不局限于以上实施例，随之做出的类似变化或变形是本领域技术人员能从本发明公开的内容直接得出或者很容易便联想到的，均应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于低合金无缝管的连铸坯，其特征在于，所述连铸坯中的Cr、Mn、Mo的质量百分总含量≤5％，所述连铸坯中的柱状晶比例≥95％，等轴晶区域内大于0.5mm的点状偏析的数量低于15个；其中所述连铸坯采用下述工艺制得：

浇铸过程中将钢水的过热度控制在36-50℃；

采用结晶器电磁搅拌和凝固末端电磁搅拌组合的搅拌方式；

将浇铸拉速控制在1.4-2.0m/min，连铸机二冷水比水量控制在0.6-1.0L/kg；

采用连铸机拉矫机的压下力进行轻压下，以使连铸坯的径向压下率为1-7％。

2.一种低合金无缝管，其采用如权利要求1所述的连铸坯制得。

3.一种如权利要求1所述的连铸坯的生产方法，其特征在于：

浇铸过程中将钢水的过热度控制在36-50℃；

采用结晶器电磁搅拌和凝固末端电磁搅拌组合的搅拌方式；

将浇铸拉速控制在1.4-2.0m/min，连铸机二冷水比水量控制在0.6-1.0L/kg；

采用连铸机拉矫机的压下力进行轻压下，以使连铸坯的径向压下率为1-7％。

4.如权利要求3所述的生产方法，其特征在于，其中浇铸过程中将钢水的过热度控制在36-45℃。

5.如权利要求3所述的生产方法，其特征在于，控制结晶器电磁搅拌的强度为50-300A，并且凝固末端电磁搅拌的强度为50-400A。

6.如权利要求5所述的生产方法，其特征在于，控制结晶器电磁搅拌的强度为100-200A，并且凝固末端电磁搅拌的强度为100-300A。

7.如权利要求3所述的生产方法，其特征在于，控制浇铸拉速为1.6-1.8m/min，并且控制连铸机二冷水比水量为0.7-0.9L/kg。

8.如权利要求3所述的生产方法，其特征在于，控制结晶器电磁搅拌的频率为3-6Hz，并且凝固末端电磁搅拌的频率为3-6Hz。

9.如权利要求3所述的生产方法，其特征在于，控制连铸坯的径向压下率为2-5％。