学校：内蒙古科技大学 专业：材料成型与控制技术 姓名：董天文
指导老师：包喜荣，王晓东
圆钢的发展简单叙述
1.概述
圆钢属建造用和机械用碳素结构钢，是指截面为圆形的实心长条钢材，为简单断面型钢。 2.种类和规格
1.按化学成分分类 ：低碳钢、中碳钢和高碳钢。 (1) 低碳钢
低碳钢又称软钢，含碳量从0.10%至0.30%低碳钢易于接受各种加工如锻造，焊接和切削，常用於制造链条，铆钉，螺栓，轴等。
（2）中碳钢
中碳钢的含碳量为0.25%～0.60%。其中有镇静钢、半镇静钢、沸腾钢等多种产品。除碳外还可含有少量锰（0.70%～1.20%）。按产品质量分为普通碳素结构钢和优质碳素结构钢。热加工及切削性能良好，焊接性能较差。强度、硬度比低碳钢高，而塑性和韧性低于低碳钢。可不经热处理，直接使用热轧材、冷拉材，亦可经热处理后使用。淬火、回火后的中碳钢具有良好的综合力学性能。能够达到的最高硬度约为HRC55(HB538），σb为600～1100MPa。所以在中等强度水平的各种用途中，中碳钢得到最广泛的应用，除作为建筑材料外，还大量用于制造各种机械零件。
（3）高碳钢
高碳钢常称工具钢，其含碳量从0.60%至1.70%，可以淬硬和回火。锤，撬棍等由含碳量0.75%的钢制造；切削工具如钻头，丝攻，铰刀等由含碳量0.90% 至1.00% 的钢制造。
2.按钢的品质分类 ：普通碳素钢和优质碳素钢 （1）普通碳素结构钢
普通碳素结构钢又称普通碳素钢，对含碳量、性能范围以及磷、硫和其他残余元素含量的限制较宽。在中国和某些国家根据交货的保证条件又分为三类：甲类钢（A类钢）是保证力学性能的钢。乙类钢（B类钢）是保证化学成分的钢。特类钢(C类钢）是既保证力学性能又保证化学成分的钢，常用于制造较重要的结构件。中国目前生产和使用最多的是含碳量在0.20%左右的A3钢（甲类3号钢），主要用于工程结构。
有的碳素结构钢还添加微量的铝或铌（或其他碳化物形成元素）形成氮化物或碳化物微粒，以限制晶粒长大，使钢强化，节约钢材。在中国和某些国家，为适应专业用钢的特殊要求，对普通碳素结构钢的化学成分和性能进行调整，从而发展了一系列普通碳素结构钢的专业用钢（如桥梁、建筑、钢筋、压力容器用钢等）。
（2）优质碳素结构钢
优质碳素结构钢和普通碳素结构钢相比，硫、磷及其他非金属夹杂物的含量较低。根据含碳量和用途的不同，这类钢大致又分为三类：①小于0.25%C为低碳钢，其中尤以含碳低于0.10%的08F,08Al等，由于具有很好的深冲性和焊接性而被广泛地用作深冲件如汽车、制罐„„等。20G则是制造普通锅炉的主要材料。此外，低碳钢也广泛地作为渗碳钢，用于机械制造业。②0.25～0.60%C为中碳钢，多在调质状态下使用，制作机械制造工业的零件。③大于0.6%C为高碳钢，多用于制造弹簧、齿轮、轧辊等。根据含锰量的不同，又可分为普通含锰量（0.25～0.8%）和较高含锰量（0.7～1.0%和0.9～1.2%）两钢组。锰能改善钢的淬透性，强化铁素体，提高钢的屈服强度、抗拉强度和耐磨性。通常在含锰高的钢的牌号后附加标记“Mn”，如15Mn、20Mn以区别于正常含锰量的碳素钢。
3.按用途分类 ：碳素结构钢、碳素工具钢
碳素工具钢 含碳量在0.65～1.35%之间，经热处理后可得到高硬度和高耐磨性，主要用于制造各种工具、刃具、模具和量具。
碳素结构钢按照钢材屈服强度分为5个牌号：Q19
5、Q
215、Q2
35、Q2
55、Q275等，每个牌号由于质量不同分为A、B、C、D等级，最多的有四种，有的只有一种；另外还有钢材冶炼的脱氧方法区别，脱氧方法符号：F——沸腾钢、b——半镇静钢、Z——镇静钢、TZ——特殊镇静钢、
4.按生产加工类型分类：热轧、锻制和冷拉
热轧圆钢的直径为5～250mm，其中直径为5～25mm的小圆钢常用做拉拔钢丝的原料，因此称为线材，由于一般是成盘供货的，所以也叫热轧盘条。大于25mm的圆钢，主要用于制造 机械零件或作无缝钢管坯。
锻制圆钢的直径较大，一般用做轴坯。冷拉圆钢直径为3～100mm，尺寸精度要求较高。
按含碳量及相应的用途，进出口的圆钢可分为两类：低碳圆钢及中碳圆钢。低碳圆钢主要用于拔丝，锻造铆钉、螺栓、螺母等金属制品的原材料。中碳圆钢一般用于制作机械结构件。
圆钢与其它钢筋的区别：1外型不一样，圆钢外型光圆，无纹无肋，其它钢筋表面外型有刻纹或有肋，这样就造成圆钢与混凝土的粘结力小，而其它钢筋与混凝土的粘结力大。2成份不一样，圆钢(一级钢)属于普通低碳钢，其它钢筋多为合金钢。3强度不一样，圆钢强度低，其它钢强度高，即直径大小相同的圆钢与其它钢筋相比，圆钢所能承受的拉力要比其它钢筋小，但圆钢的塑性比其它钢筋强，即圆钢在被拉断前有较大的变形,而其它钢筋在被拉断前的变形要小得多。
5圆钢应用
近年来,随着大口径钢管需用量的不断增加,伴随大管坯供量缺口也在扩大。目前,连铸圆坯虽是最经济的最好选择,但品种专一,供量有限,远不能满足当前的钢管生产需要。为此,20世纪90年代末,一些小型初轧机在“连铸上去了,初轧怎么办？”的严峻形势下,瞄准了大管坯这一缺口,攻克了以往生产大圆钢存在的种种工艺技术问题,成功地开发大直径圆钢生产。
江苏诚德钢管股份公司为了很好解决管坯供应问题,于2004年, 仅用不到一年的时间,将原包钢初轧厂￠850mm 二辊粗轧机改为初轧机(辊身长度保持原状1400mm) , 后接￠650mm×2水平连轧机,再接一架￠650mm一架水平连二辊轧机, 呈一条轧制生产线,采用新的轧制工艺方法及大圆钢孔型设计,投入生产。实践证明此工艺方法及孔型设计是可行的,为大直径圆钢生产提供了新的途径。
5.1国内用轧制方法生产大圆钢的现状
无论特钢厂,还是普钢厂用此方法生产大圆钢的厂家很多。孔型系统配置如下:第一架:共轭箱型延伸孔型(一般可配置11道次)出箱方;第二架:平箱——立椭(万能)——椭圆;第三架:成品圆;成品进口夹板在20世纪80年代末基本上采用滑动夹板,从90年代初,采用滚动导板(大规格圆钢未采用)。 初轧机直接出圆钢：初轧机的功能是开坯(方坯、板坯),初轧机只有用推拉床对准孔型及夹住轧件的作用,无固定的导卫装置,所以用传统的椭圆进圆的孔型系统是无法生产圆钢的。
大型圆钢在机械制造行业有较大的需求量,被广泛应用于制作重要的机械零部件。直径在200mm以上的大圆钢通常采用锻造法生产,相对成本较高。采用轧制法生产大圆钢具有以下的优点：(1)生产效率高,轧制圆坯只需2～3min, 锻造圆钢(不计中间加热)需要15～30min;(2)与一般的锻造相比,尺寸精度高、表面质量好;(3)低能耗、高成材率。用钢锭或大方坯以锻造法生产一般要经过两至四火成材,轧制大圆钢比锻造大圆钢的能耗低,同时轧制成材率比锻造高5%左右;(4)生产较经济。因此,在初轧机上开发大圆钢生产技术是非常有意义的,不仅可以满足市场需求,还可以解决初轧机闲置的问题。初轧机的特点决定了轧制过程是在无导卫夹持情况下进行,需保证在无导卫情况下咬入和轧制过程的稳定性。采用Visual Basic开发了一套大圆钢轧制规程设计系统,并用于现场的轧制规程设计。[2]
中国在初轧机上生产圆钢可分为三个阶段:第一阶段(20世纪70年代末) 为初始阶段: 首先是大冶钢厂￠850mm初轧机上生产,以后又有北满钢厂￠825mm初轧机上生产,采用3.2t钢锭生产￠150mm、160mm等规格。上钢五厂750mm初轧机上也曾试轧过。孔型设计方法按照前苏联巴赫捷诺夫初轧机大圆钢孔型设计方法设计的,生产中,成品孔及八角孔的反扭转相当严重,合格率低,机时产量低,上述二厂在70年代后期不大生产。
第二阶段(20世纪80年代初～90年代末)为发展阶段:长城钢厂￠825mm初轧机, 采用3.2t钢锭,生产￠280～180mm圆钢,其针对成品孔及品前孔(八角孔)轧制不稳定状况在孔型设计上、装备上改进,取得了明显效果,使圆钢合格率大幅度提高,可达99.7%,而且能按国家标准组织生产。在孔型设计方面采用:箱型——倒角方——带圆弧的八角(近似椭圆多边孔)——圆孔型。
同时在装备上采用夹板盒——即平时是装在轧机平台上的电动葫芦吊在空中, 只有当轧件进成品孔前,才将夹板盒放在辊道上,用推拉床拨动对准孔型,再夹紧夹板盒,然后轧件通过夹板盒进入孔型轧制。
第三阶段(20世纪90年代末至今)为成熟阶段:以上钢五厂为代表的小型初轧厂,在吸取长城钢厂的经验情况下,又对初轧生产圆钢的孔型系统进一步探索,尤其对带弧八角孔进圆孔的稳定性方面作了大量的细致工作,生产圆钢时不采用夹板盒装置,目前圆钢生产的质量、产量已与大生产的方坯相当。[1] 其圆钢属简单断面, 孔型设计已相当成熟, 无论采用钢锭、连铸方坯、矩形坯、还是圆坯作坯料轧制时,都经过了一组箱型延伸孔型压缩断面, 然后最少2或3个孔型过渡到椭圆孔, 再进成品圆孔。
随着国内钢材市场竞争的日益激烈,面对圆钢市场的变化和发展,及时调整圆钢品种结构,适时开发适销对路的高附加值产品,棒材厂立足于拓宽大圆钢品种规格,合理确定产品大纲,根据市场需求进行新产品开发,发挥大圆钢“大、长 直”的优势,优化大圆钢生产工艺,为大圆钢生存发展确立正确的方向;根据现有的设备情况,选择设计适合初轧机轧制圆钢的孔型系统及工艺制度,包括孔型系统设计、轧辊孔型加工、加热制度、轧制制度、压下规程，使轧钢设备与工艺相匹，提高市场竞争力。[3] 生产J55热轧带钢的实际工艺路线采用:铁水预处理→120t转炉炼钢-LF炉外精练(进行Ca处理)→连铸→连铸坯再加热1700mm轧机热连轧→层流冷却→卷取→取样→性能检验→包装入库→发货。
冶炼工艺采用铁水预处理脱硫,使入炉铁水硫含量≤0.003%,并使用优质废钢。转炉出钢时采用奥钢联(VAI)气动挡渣,控制下渣量。在LF炉中进行深脱硫及合金微调,进行Ca质处理,控制钢水温度及成分至终点目标要求。
钢水浇铸时, 采用碱性钢包和中间包、长水口氩气密封全程保护浇铸、下渣自动检测等先进技术,保证钢水不产生二次氧化,不增氮,钢中氧化物夹杂能在中间包和结晶器内上浮,被保护渣捕捉。控制中间包温度, 稳定拉坯速度,控制结晶器、二冷段冷却强度,从而保证获得表面质量和内部质量均较好的板坯。[5]
板坯送至热连轧厂,经1700mm连轧机组轧成6.0～11.0mm卷板。在整个热轧生产过程中,严格控制板坯加热温度、粗轧开轧温度、精轧入口温度、终轧温度和卷取温度,通过合理的控轧控冷制度保证卷板力学性能的稳定。本钢实际生产
的J55钢带综合性能达标率达100% ,完全满足J55钢带制管后管体性能的要求。以下以石油套管为例:莱钢J55石油套管用钢的生产工艺流程为：铁水预处理—120 t顶底复吹转炉—LF精炼—板坯连铸—合格连铸坯准备—加热—高压水除鳞—（E
1、四辊R1）可逆粗轧3～5道次—热卷箱—开卷—飞剪切头尾—E2前高压水除鳞—（E
2、F1～F6）1500mm精轧机组—层流冷却—卷取—卸卷、打捆。[6]
为满足J55石油套管性能要求，依据美国石油协会API SPEC 5CT标准，结合莱钢以往的生产经验，进行J55石油套管用钢的研制与开发。力学性能要求如下：试样方向为纵向；屈服强度450～550 MPa；抗拉强度≥530 MPa；断后伸长率（L0=50 mm b=25.4 mm ≥21%；－10℃V型冲击试验试样尺寸10mm×10mm×55 mm，冲击功≥30J。与生产普通钢种相比J55石油套管用钢由于焊接成品管要经静水压实验、压扁实验、沟腐蚀实验，在油田使用过程中还要经射孔、高强度挤压的考验。因此，J55石油套管用钢要求：钢质纯净，夹杂物少；有良好的冲击韧性；力学工艺性能稳定，强度要求高，硬度要达到一定要求；有良好的成型性能和焊接性能。同时该钢种生产对磷、硫含量，碳当量要求十分严格，以满足焊接性能和抗腐蚀性能的要求。[4]
石油套管是石油、天然气开采过程中使用的重要构件,其中大多品种采用材料为J55等钢级。采用J55等级的热轧带钢制造直缝焊套管的优势在于其壁厚均匀, 几何尺寸精度高,在地下服役时抗挤毁和抗压溃能力较同钢级无缝套管高10%～15%,材料含碳量低,射孔后孔眼无撕裂。我国1986年始引进国外J55钢级ERW套管,使用效果较好。莱芜钢铁(集团)有限责任公司从 2006年开始在1500mm热轧生产线上研制开发石油套管J55钢,已经能够批量生产热轧板卷,制管后套管性能完全符合API SPEC 5CT (2001)标准。
根据套管API SPEC 5CT的标准要求,制管用带钢除了对强度、抗挤毁性有要求外,为了保证其抗射孔开裂性能,对韧性的要求特别严格。然而在生产中经常出现冲击韧度偏低等问题。为了保证J55热轧带钢的质量,抽取具有代表性的6炉(编号1～6分别代表不同的试验炉次) J55钢进行了研究,探讨了化学成分、显微组织对带状组织及冲击韧度的影响,为生产工艺的控制提供合理的依据。如：
取不同冶炼炉次的 J55 钢试样作化学成分分析,结果(质量分数)
各炉号J55 钢的化学成分[4]
Tab.1 Chemical compositions of J55 steel for different batch numbers % 炉号及标准 C Si Mn P S Ceq 1 0.15 0.24 1.16 0.021 0.005 0.348 2 0.16 0.21 1.16 0.011 0.005 0.360 3 0.16 0.24 1.17 0.019 0.005 0.362 4 0.2 0.25 1.2 0.019 0.003 0.405 5 0.17 0.25 1.19 0.015 0.006 0.372 6 0.15 0.23 1.17 0.016 0.004 0.352 API SPEC ≤0.03 ≤0.03 - 5C T
J55钢的连铸坯再加热工艺应为 1280×150 min。 而所取1～5炉次的钢由于后序设备故障,发生加热温度偏高(最高达1300℃)和加热时间过长的情况见。
各炉号J55 钢坯加热温度及加热时间[4]
T ab.2 Heating temperature and heating time o f J55 billet
for different batch numbers 炉号 加热温度/℃ 加热时间/min 1 1285 260 2 1290 260 3 1300 280 4 1295 200 5 1290 200 6 1275 160 上述各炉次钢接着按轧制工艺进行轧制,经粗轧后得到的中间坯厚度在30.0mm左右,投入热卷箱对中间坯进行保温,终轧温度在900℃左右。末架轧机速度基本保持4m/s。经过六机架精轧后进行喷水冷却,然后进入卷取机卷取,根据卷取机能力,控制卷取温度在600℃。最后进行成品检验,包装入库。
J55石油套管用钢成分设计及生产工艺合理可行，产品强度高，冲击韧性好，焊接性能优良，板形好，满足用户使用要求,具备了批量生产的能力。J55石油套管钢的开发成功，扩大了莱钢1500mm宽带生产线的品种，增强了企业市场竞争力。
Production Practice of J55 Oil Casing Steel in Laiwu Steel CHEN Ai-jiao, ZHOU Ping, HUO Xiao-xin, QI Wei- wei （The Technology Research and Development Center of Laiwu Iron and Steel Group Corporation, Laiwu 271104, China）
Abstract:This paper introduced the procees of developing J55 oil casing steel in Laiwu Steel.Through the niobium andtitanium micro-alloyed component design and reasonable production proce, the products for oil casing steel were developed that have high strength and toughne, good welding performance.Tests showed that the products had the characteristics of uniform composition, low oxygen content and tiny grain size, and satisfied use needs of consumers.[6]
Saving Energy and Reducing Pollutants Discharge By Independent
Innovation WANG Yi-qun （Shandong Rizhao Coke and Electric Power Co., Ltd., Rizhao 276807, China） Abstract:According to the characteristics of QRD-2000 （Ⅲ） clean-type heat-recovery tamping-mechanical coke oven, such as operation under negative preure, recovering the waste heat for electricity generation and heating and coking coal of a wide range available, in technology innovation, Shandong Rizhao Coke and Electric Power Co.Ltd.increased technology research of the waste heat utilization, improved the capacity of waste heat utilization, realized recycling utilization of water resources and so on; and in the management innovation, actualized fine management and rational allocation of human resources, implemented the target responsibility system, established the technology center about energy saving and environmental protection etc.Then the corporation embarked one road of independent innovation in developing circular economy.[6]
[1] 徐国荣,苏俊;《大直径圆钢生产新工艺探讨》
[2] 付斌,陈琳,潘红波,沈晓辉,章静,阎军;《初轧大圆钢轧制规程设计》 [3] 袁庆慧,田家栋,于光远;《单机架轧机轧制大圆钢工艺创新与设备改造》 [4] 赵培林,李春传,周平,段明波;《影响 J55 钢组织和性能的因素》 [5] 贾志鑫,焦金华,杜林秀,王国栋;《石油套管用热轧带钢J55的研制与开发》
[6] 陈爱娇,周平，霍孝新，亓伟伟;《莱钢J55石油套管钢的生产实践》
