CN101165203A

CN101165203A - 超高强度高韧性x120管线钢及其制造方法

Info

Publication number: CN101165203A
Application number: CNA2006101172392A
Authority: CN
Inventors: 高珊; 郑磊; 吴海凤
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2006-10-18
Filing date: 2006-10-18
Publication date: 2008-04-23
Anticipated expiration: 2026-10-18
Also published as: CN101165203B

Abstract

本发明涉及一种超高强度高韧性X120管线钢及其制造方法。超高强度高韧性X120管线钢组成成分的重量百分比为：碳：0.015～0.060％；锰：1.80～2.50％；硅：≤0.60％；钛：0.005～0.03％；铝：≤0.06％；钒：≤0.15％；硼：0.0005～0.0030％；磷：≤0.015％；硫：≤0.003％；铌：0.043～0.150％；氮：≤0.012％；铜、镍、铬、钼中的两种或两种以上，其中，铜：≤0.80％、镍：≤1.20％、铬≤1.20％、钼：≤1.0％；铁和微量杂质：余量。本发明的超高强度高韧性X120管线钢与目前管线工程已使用的最高强度等级的管线钢X80相比，在强度上提高了40％，对降低输送管线的建设成本有明显的作用。

Description

超高强度高韧性X120管线钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种管线钢及其制造方法，特别涉及一种超高强度、高韧性X120管线钢及其制造方法。

背景技术

近年来能源结构的变化以及对能源需求的增长，极大地促进了长距离输送管线的发展。为提高输送效率、降低工程投资，长距离石油天然气输送管线用钢向高钢级发展已成趋势。目前世界各国使用的管线钢标准中的最高钢级仅到X80(屈服强度大于等于555MPa)。如CN1715434A公开了一种高强度高韧性X80管线钢，其组成成分的重量百分比为：碳0.025～0.080％；硅：0.19～0.30％；锰：1.70～1.90％；钛：0.01～0.02％；铝：0.015～0.040％；钒：0.055～0.065％；镍：≤0.30％；铬≤0.02％；硼：≤0.0002％；磷：≤0.018％；硫：≤0.005％；钙：0.002～0.003％；钼：0.20～0.40％；铜：≤0.30％；铌：0.02～0.08％；氮：≤0.006％；氧：≤0.004％；氢：≤0.00025；铁和微量杂质：余量。但是，其强度达不到X120的要求。

长距离高压输送对管线钢性能提出了更为严格的要求。从考虑输送管道的运营稳定性和安全性出发，对管线用钢的强度、韧性均提出了更高的要求。同样的输送条件下，应用更高钢级管线钢产品可以使钢管的壁厚减薄，节省用钢量，或在管道口径、壁厚不变的条件下提高输送压力，达到提高输送量的目的。例如X80钢级的管线钢强度将比X70钢级提高了12％，而X120比X100提高20％。因此，管线钢钢级的不断提高已经成为管线钢的发展趋势，长距离高压输气管线应用屈服强度等级大于等于690MPa的X100管线钢和屈服强度等级大于等于827MPa的X120超高强度等级的管线钢是目前国际管道工业和冶金工业共同发展的方向。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了得到具有超高强度高韧性的X120管线钢，高强度高韧性X120管线钢成分设计思想是以超低C、高Mn，通过加入微量Nb、V、Ti等微合金元素、少量Mo、Cr、B及Cu、Ni合金元素，结合热轧控轧控冷工艺，获得贝氏体+马氏体组织，以保证管线钢具有高强度高韧性的性能。

为实现上述目的，本发明的超高强度高韧性X120管线钢，其组成成分的重量百分比为：碳：0.015～0.060％；锰：1.80～2.50％；硅：≤0.60％；钛：0.005～0.03％；铝：≤0.06％；钒：≤0.15％；硼：0.0005～0.0030％；磷：≤0.015％；硫：≤0.003％；铌：0.043～0.150％；氮：≤0.012％；铜、镍、铬、钼中的两种或两种以上，其中，铜：≤0.80％、镍：≤1.20％、铬≤1.20％、钼：≤1.0％；铁和微量杂质：余量。

其主要组成成分的作用有以下几个方面：

碳：是钢中最经济、最基本的强化元素，通过固溶强化和析出强化对提高钢的强度有明显作用，但是提高C含量对钢的延性、韧性和焊接性有负面影响，因此近代管线钢的发展过程是不断降低C含量的过程。降低C含量一方面有助于提高钢的韧性，另一方面可改善钢的焊接性能。当C含量低于0.11％时管线钢可具有良好的焊接性。所以，目前管线钢的C含量一般小于0.11％，对需更高韧性的管线钢则采用C小于0.06％的超低C含量设计。此外为提高钢中的有效Nb含量，碳含量必须低于0.06％。本发明选取0.015～0.060％。

硼：要防止BN的形成，并且必须抑制Fe₂₃(CB)₆的硼的碳化物的形成。因此，硼的加入量需限制一个非常窄的范围，本发明选取0.0005～0.0030％。需注意的是硼必须存在于沿晶界的固溶体中。

锰：通过固溶强化提高钢的强度，是管线钢中补偿因C含量降低而引起强度损失的最主要且最经济的强化元素。Mn还是扩大γ相区的元素，可降低钢的γ→α相变温度，有助于获得细小的相变产物，可提高钢的韧性、降低韧脆转变温度。因此对X120管线钢的Mn含量设计在1.80～2.50％范围。

铌：是现代微合金化管线钢中最主要的元素之一，对晶粒细化的作用十分明显。通过热轧过程中NbC应变诱导析出阻碍形变奥氏体的回复、再结晶，经控制轧制和控制冷却使非再结晶区轧制的形变奥氏体组织在相变时转变为细小的相变产物，以使钢具有高强度和高韧性。

本发明就是配合适当的C含量提高Nb的含量发挥NbC的作用，本发明选取0.043～0.150％。

钛：是强的固N元素，Ti/N的化学计量比为3.42，利用0.02％左右的Ti就可固定钢中60ppm以下的N，在板坯连铸时可形成细小的高温稳定的TiN析出相。这种细小的TiN粒子可有效地阻碍板坯再加热时的奥氏体晶粒长大，有助于提高Nb在奥氏体中的固溶度，同时对改善焊接热影响区的冲击韧性有明显作用。本发明选取0.005～0.03％。

铬、钼：是扩大γ相区，推迟γ→α相变时先析出铁素体形成、促进针状铁素体形成的主要元素，对控制相变组织起重要作用，在一定的冷却条件和终止轧制温度下超低碳管线钢中加入，就可获得明显的针状铁素体及贝氏体组织，同时因相变向低温方向转变，可使组织进一步细化，主要是通过组织的相变强化提高钢的强度。本发明选取铬≤1.20％、钼：≤1.0％。

铜、镍：可通过固溶强化作用提高钢的强度，同时Cu还可改善钢的耐蚀性，Ni的加入主要是改善Cu在钢中易引起的热脆性，且对韧性有益。在厚规格管线钢中还可补偿因厚度的增加而引起的强度下降。本发明选取铜：≤0.80％、镍：≤1.20％。

硫、磷：是钢中不可避免的杂质元素，希望越低越好。通过超低硫(小于30ppm)及Ca处理对硫化物进行夹杂物形态控制，可使管线钢具有高的冲击韧性。

因此，针对微合金化低碳贝氏体组织具有高强度高韧性，以晶粒细化、相变强化、析出强化和位错强化等材料强化理论为基础，对具有贝氏体组织X120管线钢的成分设计采用了较低的碳含量、超低硫、Nb、V、Ti微合金化、控制组织的Mo、Cr、B合金化及适当加入Cu、Ni、的成分设计。热轧工艺采用了控轧控冷的热机械处理技术，通过合理的成分和工艺进行最终产品的组织控制，以获得具有高强度高韧性的超低碳贝氏体组织。

本发明的超高强度高韧性X120管线钢的制造方法的工艺路线如下：备料→转炉或电炉冶炼→炉外精炼→铸造→板坯再加热→控制轧制→控制冷却。

热轧工艺进行如下控制：

(1)板坯加热温度：1100～1250℃；

(2)再结晶区控轧轧制的温度控制范围：900～1200℃；

(3)非再结晶区控轧轧制的温度控制范围：720～940℃

(4)终止轧制温度：720～880℃；

(5)终止冷却温度：200～500℃；

(6)冷却速度：3～30℃/s

与现有生产钢种(最高级别X80)相比，按照上述技术方案生产出的管线钢的性能达到以下要求：

(1)拉伸性能：

目标：σ_0.5≥827MPa，σ_b≥931MPa，

(2)V型缺口冲击性能：

目标：试验温度-20℃，10mm×10mm×55mm试样的冲击功平均值≥231J，剪切面积单个≥80％，平均≥90％；50％FATT≤-40℃。

(3)DWTT性能：

目标：试验温度-20℃，平均剪切面积SA％≥85％，单个SA％≥70％。

(4)横向冷弯性能：

目标：d＝2a，180°，完好。

本发明具有如下特点：(1)与以往管线钢成分相比，本发明的合金配方方面考虑B元素，以便得到贝氏体组织。同时考虑加入Cu、Ni、Cr、Mo等元素的二种或二种以上，这样一来降低了生产制造成本和增加了生产可制造性；(2)它以超低碳为特点，在保证强度前提下，增加了冲击韧性和良好的焊接性能，使管线钢具有良好的止裂能力；(3)充分利用了C和Nb元素的关系，在一定的配合下使之生成NbC产生细晶强化作用，及利用Nb的提高再结晶温度作用以配合控轧工艺，不仅提高了产品的综合性能，而且能够采取灵活的热轧生产工艺，提高生产率、减小轧机负荷，所生产的产品具有较高的冲击韧性，能够充分保证高的强度和韧性，具有良好的止裂能力。与目前管线工程已使用的最高强度等级的管线钢X80相比，在强度上提高了40％，对降低输送管线的建设成本有明显的作用。

具体实施方式

实施例1～5的化学成分、工艺参数和性能结果如下：

●化学成分

实施例1～5的化学成分(wt％)如表1。

表一：化学成分(wt％)

类别	C	Mn	Si	S*	P	Nb	V	Ti	Cu	Ni	Mo	Cr	B	Alt	N
类别	C	Mn	Si	S*	P	Nb	V	Ti	Cu	Ni	Mo	Cr	B	Alt	N	例1	0.055	1.85	0.20	0.0028	0.010	0.045	-	0.010	0.15	0.6	0.35	0.15	0.0007	0.02	0.0040
例2	0.020	1.80	0.25	0.0016	0.015	0.120	-	0.015	-	1.00	-	1.0	0.0006	0.03	0.0045	例1	0.055	1.85	0.20	0.0028	0.010	0.045	-	0.010	0.15	0.6	0.35	0.15	0.0007	0.02	0.0040
例2	0.020	1.80	0.25	0.0016	0.015	0.120	-	0.015	-	1.00	-	1.0	0.0006	0.03	0.0045	例3	0.020	2.25	0.25	0.0016	0.015	0.115	-	0.015	-	0.20	0.80	-	0.0010	0.03	0.0045
例4	0.035	2.00	0.25	0.0016	0.0085	0.090	-	0.016	0.70	0.20	-	0.55	0.0013	0.034	0.0040	例3	0.020	2.25	0.25	0.0016	0.015	0.115	-	0.015	-	0.20	0.80	-	0.0010	0.03	0.0045
例4	0.035	2.00	0.25	0.0016	0.0085	0.090	-	0.016	0.70	0.20	-	0.55	0.0013	0.034	0.0040	例5	0.025	2.15	0.25	0.0016	0.015	0.130	0.08	0.015	-	0.20	0.40	-	0.0025	0.03	0.0045

●热轧工艺

工艺路线如下：备料→转炉或电炉冶炼→炉外精炼→铸造→板坯再加热→控制轧制→控制冷却。实施例1～5的工艺参数见表2。

表2：

项目	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	实施例5
项目	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	实施例5	板坯加热温度℃	1100	1150	1170	1130	1180
再结晶区控轧轧制的温度℃	1080-900	1130-900	1150-930	1080-900	1150-950	板坯加热温度℃	1100	1150	1170	1130	1180
再结晶区控轧轧制的温度℃	1080-900	1130-900	1150-930	1080-900	1150-950	非再结晶区控轧轧制的温度℃	880-750	880-730	900-780	880-760	900-800
终止冷却温度℃	450	300	300	200	280	非再结晶区控轧轧制的温度℃	880-750	880-730	900-780	880-760	900-800
终止冷却温度℃	450	300	300	200	280	冷却速度℃/s	20	20	25	28	10

●性能结果

分别进行力学、夏比冲击、DWTT实验，实施例1～5的试制板卷性能实验结果如表3所示。

表3

注：拉伸、冲击为横向，试样尺寸为10mm×10mm×55mm，横向冷弯完好。

Claims

1.一种超高强度高韧性X120管线钢，其特征在于，其组成成分的重量百分比为：

碳：0.015～0.060％；

锰：1.80～2.50％；

硅：≤0.60％；

钛：0.005～0.03％；

铝：≤0.06％；

钒：≤0.15％；

硼：0.0005～0.0030％；

磷：≤0.015％；

硫：≤0.003％；

铌：0.043～0.150％；

氮：≤0.012％；

铜、镍、铬、钼中的两种或两种以上，其中，铜：≤0.80％、镍：≤1.20％、铬≤1.20％、钼：≤1.0％；

铁和微量杂质：余量。

2.一种制造如权利要求1所述的超高强度高韧性X120管线钢的方法，工艺步骤包括：备料、转炉或电炉冶炼、炉外精炼、铸造、板坯再加热、控制轧制、控制冷却，其特征在于，板坯加热温度为1100～1250℃；再结晶区控轧轧制的温度控制范围：900～1200℃；非再结晶区控轧轧制的温度控制范围：720～940℃；终止轧制温度：720～880℃；终止冷却温度：200～500℃；冷却速度：3～30℃/s。