技术领域
[0001] 本
发明属于
冶金技术领域，具体涉及一种低温高压管道连接件用钢及其连铸圆坯的制造方法。
背景技术
[0002] 对于长距离输送低温、高压石油、
天然气的管道，要求用于制造管道与管道之间连接件（例如，
法兰、三通、弯头、
阀门等）的钢材具有良好的
焊接性能的同时，要保证连接件内部能够承受高压、低温等周围环境
温度的变化、以及振动、自重和外载重量及地理
位置不同所产生的复杂作用
力的影响。因此，制造上述管道连接件的钢材必须具有良好的焊接性能、高强度、良好的塑性及韧性，尤其应具有良好低温（≤-51℃）冲击韧性。
[0003] 目前，在国内用于制造上述连接件的钢材主要是采用16Mn、20#、Q345E等，而国外主要采用美标ASTMA105/A105M管道元件用
碳钢锻件及ASTMA350/A350M-2007管道部件用
碳钢和低
合金钢锻件等标准，涉及A105、A350系列钢种。但上述钢材存在低温性能不稳定的缺点，尤其是低温（≤-51℃）冲击韧性
波动大、偏低、难以满足要求，成为制约上述连接件用钢的
瓶颈。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于提供一种能够解决以上多个技术问题中的至少一个技术问题的低温高压管道连接件用钢及其连铸圆坯的制造方法。
[0005] 根据本发明的低温高压管道连接件用钢，以
质量百分比计包含以下成分：C：0.12% ～ 0.16%，Si：0.15% ～ 0.30%，Mn：1.20% ～ 1.45%，P ≤ 0.025%，S ≤ 0.015%，Cr：0.15% ～ 0.25%，V：0.04% ～ 0.10%，Nb：0.02% ～ 0.05%，Alt：0.015% ～ 0.040%，-4 -4 -4 -4
H≤2.0×10 %，N：120×10 %～260×10 %，T.O≤15×10 %，余量为Fe及不可避免的杂质。
[0006] 其中，各组分含量还可以是：C：0.12%～0.14%，Si：0.18%～0.25%，Mn：1.30%～1.40%，P≤0.020%，S≤0.010%，Cr：0.20%～0.25%，V：0.05%～0.10%，Alt：0.020%～-4 -4 -4
0.035%，H≤1.5×10 %，N：150×10 %～230×10 %。
[0007] 本发明还提供一种上述低温高压管道连接件用钢的连铸圆坯。
[0008] 本发明还提供一种制造上述连铸圆坯的方法，该方法依次包含以下工序：（1）电炉初炼工序：
炉料结构采用废钢和
铁水；在进行无渣出钢的过程中加入造渣料之后，再加入含
铝脱氧剂；控制熔清碳≥0.50%、熔清磷≤0.025wt%，控制初炼炉
冶炼终点C为0.08%～0.10%、终点P≤0.015%，出钢温度为1620℃～1680℃；其中，所述炉料结构中铁水的质量百分比为55%～75%；所述造渣料的加入量相对于每吨钢为12kg～18kg；所述含铝脱氧剂的加入量相对于每吨钢为1.5kg～3.0kg；（2）LF精炼工序：将LF炉工位的钢液
温度控制在1510～1560℃，采用碳粉和碳化
硅扩散脱氧以及喂入铝线强脱氧相的复合脱氧方式进行脱氧，采用含氮合金或低吹氮气的方式增氮；出钢前，喂入硅
钙线对夹杂物做变质处理并深脱氧；其中，所述铝线用量相对于每吨钢为1.0kg～1.5kg，所述钙线用量相对于每吨钢为0.010kg～0.015kg，所述出钢温度为1610℃～1640℃；（3）VD
真空脱气工序：
在真空度67Pa以下保持10min～20min，优选为15min～20min。真空处理后钢液中的H-4
含量为1.5×10 wt%以下；钢液经真空精炼回到常压状态后，底吹氩气流量为120L/min～
260L/min，压力为0.20MPa～0.40MPa，保持软吹时间为15min～25min；（4）连铸工序：执行恒温、恒拉速、恒液面的操作；（5）
铸坯缓冷工序：将所述工序（3）中指出的连铸圆坯经二冷段冷却、矫置、运输棍道转移至
冷床后，进行缓冷并保温；其中，缓冷时间为48小时以上，吊出温度为250℃以下。
[0009] 其中，在工序（1）中，造渣料由预熔低熔点调渣剂和石灰组成；预熔低熔点调渣剂与石灰的重量比为1：1～1.3：1；预熔低熔点调渣剂包含以下成分：CaO：40wt%～60wt%，SiO2：5wt%～15wt%，Al2O3：20wt%～35wt%，MgO：5wt%～15wt%。
[0010] 其中，在工序（1）中，加入造渣料之后还加入合金，合金为硅锰、锰铁、铬铁和含氮合金中的任意一种或多种。
[0011] 其中，在工序（2）中，LF精炼白渣保持时间为20min以上，控制终渣主要成分质量百分比为：CaO：45%～55%，SiO2：8%～12%，Al2O3：20%～25%，MgO：5%～8%，FeO+MnO≤0.5%。
[0012] 其中，在工序（2）中，对于同一批次，控制精炼后的钢液中下述成分的质量百分比的波动范围为：C：±0.01%，Si：±0.03%，Mn：±0.02%，Cr：±0.02%，V：±0.01%，Nb：±0.01%，Al：±0.005%，N：±0.0015%。
[0013] 其中，在工序（4）中，浇注
中间包钢液的液面为850mm～900mm，末端
电磁搅拌参数为300A/9.0Hz，钢液浇注
过热度15℃～25℃；连铸冷却各段水量分配比为：足辊段30%，二冷一段25%，二冷二段20%，二冷三段15%，二冷四段10%；比水量0.28L/kg～0.32L/kg。
[0014] 其中，在工序（5）中，铸坯矫直温度为930℃以上。
[0015] 根据本发明提供的低温高压管道连接件用钢，具有洁净度高、成分稳定、焊接性能优良、高强、高韧、低温（-51℃）冲击韧性AKV≥30J等优点。
[0016] 本发明提供的上述管道连接件用钢以连铸圆坯的形式存在，可用于制造管道连接件，该连铸圆坯具有良好的表面及内部质量，组织致密、均匀。
[0017] 根据本发明提供的用于低温高压管道连接件的连铸圆坯的制备方法，所得到的管道连接件用连铸圆坯的洁净度、组织致密性、均匀性均有很大提高，满足制造低温、高压管道连接件要求。
具体实施方式
[0018] 在本发明中，如无特别说明，所采用的百分比均为质量百分比。需要说明的是，本发明中没有详细描述的操作均为本领域的
现有技术，在此不再赘述。
[0019] 本发明的低温高压管道连接件用钢以质量百分比计包含以下成分：C：0.12%～0.16%，Si：0.15% ～0.30%，Mn：1.20%～1.45%，P ≤0.025%，S≤0.015%，Cr：0.15%～-4
0.25%，V：0.04%～0.10%，Nb：0.02%～0.05%，Alt：0.015%～0.040%，H≤2.0×10 %，N：
-4 -4 -4
120×10 %～260×10 %，T.O≤15×10 %，余量为Fe及不可避免的杂质。
[0020] 为了进一步提高本发明的低温高压管道连接件用钢的性能，本发明的低温高压管道连接件用钢的成分可进一步限定为：C：0.12%～0.14%，Si：0.18%～0.25%，Mn：1.30%～1.40%，P≤0.020%，S≤0.010%，Cr：0.20%～0.25%，V：0.05%～0.10%，Nb：0.02%～0.05%，-4 -4 -4 -4
Alt：0.020%～0.035%，H≤1.5×10 %，N：150×10 %～230×10 %，T.O≤15×10 %，余量为Fe及不可避免的杂质。
[0021] 以下对本发明的低温高压管道连接件用钢中的主要成分的设计机理进行详细说明。
[0022] C：提高钢的强度和硬度，降低塑、韧性及焊接性能。碳含量低于0.12%的强度和力学性能不易达到要求；高于0.16%难以满足对材料塑、韧性及焊接性能，尤其是低温冲击性能要求。
[0023] Si:溶入铁素体，提高钢的强度、硬度，降低塑、韧性；并显著提高钢的屈强比，最低含量在0.15%时才能起有效作用；含量较高、特别是与Mn共存时，易引起晶粒粗大，增加回火脆性，显著提高钢的脆性转变温度，结合本发明的低温高压管道连接件用钢的总体要求，将Si含量确定为0.15%～0.30%，优选为0.18%～0.25%。
[0024] Mn：溶入铁素体、强化基体，明显提高钢的淬透性，细化珠光体组织，改善力学性能，含量低于1.20%不能满足材料力学及抗低温性能要求；含量高于1.45%时，增加材料的焊接裂纹倾向，影响材料焊接性能。
[0025] P、S：改善钢的切削性能，显著降低钢的塑性和韧性，增加钢产生裂纹的倾向，恶化材料的综合力学性能，应尽量降低其含量。本发明的低温高压管道连接件用钢采用P≤0.025%且S≤0.015%；优选为P≤0.020%，S≤0.010%。
[0026] Cr：明显提高钢的强度和淬透性，同时提高
耐磨性和抗
腐蚀能力，但含量过高，易增加钢的回火脆性；根据本发明的低温高压管道连接件用钢的使用性能要求，设计铬含量为0.15%～0.25%，优选为0.20%～0.25%。
[0027] V：细化晶粒组织，提高晶粒粗化温度，降低钢的过热敏感性，提高钢的强度和韧性，并改善其塑性和韧性，增加回火
稳定性，降低材料的裂纹敏感性。本发明的低温高压管道连接件用钢采用V含量为0.04%～0.10%；优选为0.05%～0.10%。
[0028] Nb：细化晶粒和沉淀强化作用，提高钢的粗化晶粒温度，降低钢的过热敏感性和回火脆性，提高钢的强度和韧性及蠕化抗力。同时，能降低钢中气体含量及改善钢的低温性能和腐蚀性能，含量高于0.05%时作用增加不明显。综合考虑连接件用钢的性能要求，设计本发明的低温高压管道连接件用钢采用Nb含量为0.02%～0.05%。
[0029] Alt：是指全铝含量。主要细化晶粒、脱氧、固氮，提高钢的韧性，改善钢的综合力学性能，含量低于0.015%不能起到有效作用；含量高于0.040%时，形成Al2O3硬质夹杂几率增加，降低钢的疲劳寿命，恶化低温冲击韧性，同时，易造成钢液二次氧化，降低钢液流动性，恶化钢的质量。本发明的低温高压管道连接件用钢优选为Alt：0.020%～0.035%。
[0030] T.O：是指总氧含量。含量增加，钢的洁净度降低，钢中夹杂物增多，全氧含量高于-415×10 %时，将显著降低钢塑、韧性及疲劳性能，恶化钢的综合力学性能。
[0031] H：含量高于2.0×10-4%，钢易产生白点、点状偏析、疲劳断裂等，显著恶化钢的质量，甚至造成钢材报废。
[0032] N：可起到固溶强化和沉淀强化作用，是很强的形成和稳定奥氏体元素，与钢中V、Nb、Ti、Al等形成稳定的氮化物，将大大提高钢的强度、硬度及抗疲劳性能。但是，N含量过高会导致钢的时效及蓝脆现象；同时，造成钢的偏析、疏松及气泡等
缺陷产生，增加钢中夹杂物，显著恶化钢的韧性。因此，N含量的设计与钢中存在的氮化物形成元素含量有关。综合考虑连接件用钢的性能要求，本发明的低温高压管道连接件用钢采用N含量为-4 -4 -4 -4120×10 %～260×10 %，优选为150×10 %～230×10 %。
[0033] 另外，为了进一步提高性能，对本发明的低温高压管道连接件用钢的含量还可以进行以下限定：
[0034] Ti：强碳、氮化物形成元素，固溶强化作用强，降低
固溶体的韧性，细化晶粒、改善回火稳定，有二次硬化作用，但当含量超过0.020%时，材料的耐低温性能明显降低，因此，优选为本发明的低温高压管道连接件用钢中Ti≤0.02%。
[0035] Cu：作为钢中的有害残余元素，含量高于0.25%时，降低钢的塑、韧性，连铸坯易产生星状裂纹。因此，优选为本发明的低温高压管道连接件用钢中Cu≤0.25%。
[0036] 本发明中的连接件可以是法兰、三通、弯头、阀门等。本发明的低温高压管道连接件用钢以连铸圆坯的形式存在。
[0037] 本发明提供的低温高压气体管道连接件用连铸圆坯的制造方法，包括如下的生产工序：电炉初炼工序→LF精炼工序→VD真空脱气工序→连铸工序→铸坯缓冷工序→检验、精整工序；具体来说是指：
[0038] （1）电炉初炼工序：采用废钢和铁水的炉料结构，炉料结构中铁水的质量百分比占55%～75%；电炉初炼完成进行无渣出钢的过程中，加入由预熔低熔点调渣剂及石灰组成的混合造渣料。加入所述混合造渣料后，再加入合金和含铝脱氧剂；另外，控制熔清碳≥0.50%，熔清磷≤0.025%，控制初炼炉冶炼终点C为0.08%～0.10%、P≤0.015%，出钢温度为1620℃～1680℃。
[0039] 其中，混合造渣料的加入量为12kg/t钢～18kg/t钢，混合造渣料优选为预熔低熔点调渣剂与石灰按重量比1：1～1.3：1进行混合而成。进一步优选预熔低熔点调渣剂中包括如下质量百分比的组分：CaO：40wt%～60wt%，SiO2：5wt%～15wt%，Al2O3：20wt%～35wt%，MgO：5wt%～15wt%。所加入的合金为硅锰、锰铁和铬铁、含氮合金中的一种或多种，但本发明不限于此，具体的合金加入种类和加入量根据钢的成分而定。含铝脱氧剂的加入量为1.5kg/t钢～3.0kg/t钢。
[0040] 另外，在电炉初炼工序中所用的电炉优选为
碱性
电弧炉。
[0041] （2）LF（LADLE FURNACE）精炼工序：精炼炉采用LF炉，采用碳粉和碳化硅扩散脱氧和喂入铝线强脱氧相的复合脱氧方式脱氧，利用含氮合金或低吹氮气的方式增氮。出钢前，喂入硅钙线对夹杂物做变质处理并深脱氧。到LF炉工位钢液温度控制在1510～1560℃，优选为1530～1550℃。钢液在精炼炉经送电化渣、调渣、喂线、搅拌等工序，完成脱氧、
脱硫，去除夹杂，调整成分，控制温度等处理过程。采用碳化硅扩散脱氧以及在分析一次样前喂入铝线强脱氧相的复合脱氧方式脱氧。出钢前，喂入钙线对夹杂物做变质处理并深脱氧。其中，铝线用量为1.0kg/t钢～1.5kg/t钢，钙线用量为0.010kg/t钢-0.015kg/t钢。出钢温度控制在1610～1640℃，优选为1620～1630℃。
[0042] 另外，在上述LF精炼工序中，LF精炼白渣保持时间≥20min，优选保持时间为25～35min，控制终渣主要成分质量百分比：CaO：45%～55%，SiO2：8%～12%，Al2O3：20%～
25%，FeO＋MnO≤0.5%，MgO：5%～8%。
[0043] 另外，在所述LF精炼工序中，调整成分所用合金为锰铁、铬铁、含氮合金、
钒铁、铌铁中的一种或多种。采用底吹氮气方式为钢液增氮，合金加入种类和数量及氮气底吹时间，可根据具体分析结果确定。
[0044] 另外，在所述LF精炼工序中，LF炉精炼使钢液实施窄成分控制，对于同一批次，控制精炼后的钢液中下述成分的质量百分比的波动范围为C：±0.01%，Si：±0.03%，Mn、Cr：±0.02%，V、Nb：±0.01%，Al：±0.005%、N：±0.0015%。
[0045] LF炉出钢后，进入VD真空脱气工序前还进行扒渣操作，扒渣量为总渣质量的30%-80%。
[0046] （3）VD（VACUUM DEGASSING）真空脱气工序：真空精炼炉采用VD炉，主要完成钢液脱H，进一步促进夹杂物上浮，
净化钢液。钢包至VD炉工位后，测温，抽真空进行真空脱气处理，在真空度67Pa以下保持时间为10min～20min，优选为15min～20min。真空处理后-4 -4H≤2.0×10 wt%，优选为H≤1.5×10 wt%。钢液经真空精炼回到常压状态后，进入软吹处理阶段，控制底吹氩气流量为120L/min～260L/min，压力为0.25MPa～0.35Mpa，保持软吹时间为15min～25min，其中软吹状态为渣面微动，钢液不裸露。
[0047] （4）连铸工序：实行恒温、恒拉速、恒液面的“三恒”操作，采用吹氩密封大包长水口+中间包内置式水口+吹氩密封
浸入式水口、钢包和中间包均加盖保温、中间包钢液面采用低碳高碱度
覆盖剂及碳化稻壳双层保温的全保护低过热度浇注，结晶器液面自动控制，末端电磁搅拌，动态弱冷配水，多点连续矫直技术。
[0048] 另外，在所述连铸工序中，正常浇注中间包钢液液面850mm～900mm，末端电磁搅拌参数：300A/9.0Hz，钢液浇注过热度15℃～25℃，连铸冷却各段水量分配比为：足辊段30%，二冷一段25%，二冷二段20%，二冷三段15%，二冷四段10%，比水量0.28L/kg～0.32L/kg。
[0049] 另外，采用嵌式六
机架连续拉矫机，铸坯矫直温度≥930℃，优选铸坯矫直温度930～950℃，进一步优选铸坯矫直温度为935～945℃。断面规格为Ф350mm时，拉速控制在0.35-0.45m/min。
[0050] （5）铸坯缓冷工序：连铸圆坯经二冷段冷却、矫置、运输棍道转移至冷床后，及时转入缓冷坑缓冷，并加盖保温。缓冷时间≥48h，优选为48～56h。吊出温度≤250℃，优选为150～50℃。
[0051] （6）在上述铸坯缓冷工序（5）之后，本发明还可包括检验、精整工序。具体为：检查连铸圆坯的表面质量并对内部质量进行检验分析，并对连铸圆坯表面及端部进行精整打磨处理。
[0052] 本发明中的“kg/t钢”是指：相对于每吨钢的量（kg）。
[0053] 下面结合具体
实施例，对本发明进一步说明。
[0054] 以下是采用不同工艺参数制备本发明低温高压气体管道连接件（例如，法兰、三通、弯头、阀门等）用连铸圆坯具体实施例。按连铸炉次编号为1#、2#、3#分别作为实施例1、实施例2、实施例3。
[0055] 1、电炉初炼工序中，三个实施例的主要控制工艺参数见表1、2。其中，采用的电炉为
电弧炉。
[0056] 表1电炉初炼过程主要工艺参数
[0057]
[0058] 表2电炉初炼完成后出钢的主要工艺参数
[0059]编号 出钢温度（℃） 混合造渣料（kg/t） 含铝脱氧剂用量（kg/t）
实施例1 1647 13 2.4
实施例2 1656 12 2.5
实施例3 1651 14 2.4
[0060] 2、LF精炼工序，三个实施例的主要控制工艺参数和终渣主要成分分别列于表3和表4。
[0061] 表3LF精炼主要控制工艺参数
[0062]
[0063] 表4LF精炼终渣主要成分（质量百分数，%）
[0064]编号 CaO SiO2 Al2O3 MgO FeO MnO
实施例1 52.06 10.81 23.81 5.42 0.26 0.01
实施例2 50.13 11.25 20.28 6.50 0.28 0.01
实施例3 49.57 9.34 22.70 7.94 0.32 0.01
[0065] 3、VD真空脱气工序中，三个实施例的主要控制工艺参数列于表5，其中，钢包入VD炉之前，扒除60wt%的精炼渣。
[0066] 表5VD炉真空精炼控制工艺参数
[0067]
[0068] 4、连铸工序中，三个实施例均采用全弧形三机三流方/圆坯
合金钢连铸机连铸，弧形半径为R12m，圆坯规格为Ф350mm，正常浇注中间包钢液液面850mm～900mm，结晶器液面自动控制，末端电磁搅拌参数：300A/9.0Hz，钢液浇注过热度15℃～25℃，动态气一雾冷却弱冷配水，冷却各段水量分配比为：足辊段30%，二冷一段25%，二冷二段20%，二冷三段15%，二冷四段10%；采用嵌式六机架连续矫直拉矫机，铸坯矫直温度达到935℃～942℃，其他控制工艺参数见表6。
[0069] 表6连铸控制工艺参数
[0070]
[0071] 5、铸坯缓冷工序
[0072] 连铸圆坯经二冷段冷却、矫直、运输棍道转移至冷床后，及时转入缓冷坑缓冷，并加盖保温，缓冷时间52h，吊出温度130℃～70℃。
[0073] 以下是三个实施例获得的低温高压气体管道连接件（法兰、三通、弯头、阀门等）用连铸圆坯的化学成分，见表7；以及三个实施例生产的Ф350mm连铸圆坯钢材低倍、非金属夹杂物检验结果，见表8、表9。
[0074] 表7本发明钢中成分（质量百分比，%）
[0075]
[0076] 由表7，可以看出用本发明制备方法生产低温、高压气体管道连接件（法兰、三通、弯头、阀门等）用连铸圆坯钢中化学成分控制稳定，LF炉精炼使钢液实现窄成分控制，同一批次：C：±0.01%，Si：±0.03%，Mn、Cr：±0.02%，V、Nb：±0.01%，Al：±0.005%、N：±0.0015%。
[0077] 表8连铸圆坯低倍组织（级）
[0078]
[0079] 表9本发明连铸圆坯非金属夹杂物（级）
[0080]
[0081] 由表8和表9可以看出：本发明制备方法生产低温、高压气体管道连接件（法兰、三通、弯头、阀门等）用连铸圆坯具有组织致密、均匀，洁净度较高等特点。
[0082] 通过本发明提供的低温高压管道连接件用钢及其连铸圆坯的制造方法，具有以下
