CN102021497A - 一种x80管线钢热轧板卷及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种X80管线钢热轧板卷及其制造方法，钢的化学成分重量百分比为：C 0.02％-0.06％、Si 0.05％-0.35％、Mn 1.70％-1.90％、P≤0.015％、S≤0.004％、Cr 0.20％-0.35％、Mo 0.06％-0.15％、Nb 0.06％-0.11％、V≤0.08％、Ni≤0.20％、Cu≤0.25％、Ti 0.005％-0.025％、Als 0.015％-0.045％、Ca0.001％-0.004％、N≤0.006％，余量为Fe和不可避免杂质，且冷裂纹敏感系数Pcm≤0.21％。其制造方法为：连铸板坯在500-850℃直接进行热装炉，加热至1150-1250℃出炉，粗轧的终轧温度为1030-970℃，精轧的终轧温度为750-850℃，精轧的压缩比大于60％，板卷采用层流冷却方式以10-25℃/s的速度进行快速冷却，在450-580℃进行卷取。本发明采用热装轧制技术，提高了热能使用效率，节省能源，缩短生产周期，提高生产效率，大大降低生产成本。

Description

一种X80管线钢热轧板卷及其制造方法

技术领域

本发明属于高强度低合金钢的制造领域，具体涉及一种X80管线钢及其制造方法，特别是涉及API SPEC 5L规范中一种制造螺旋埋弧焊钢管用X80管线钢热轧卷板及其制造方法。

背景技术

管道输送是长距离输送石油、天然气最经济、安全、高效和环保的运输方式，随着全球能源结构的优化调整，石油、天然气能源需求量日益增加，刺激了管道建设的快速发展。

为降低管道建设和运营成本，提高输送效率，长输管线向采用高钢级、高压、大口径输送发展已成为管道建设的主流趋势，促进了高级别管线钢的研制与发展，兼顾高强度和高韧性的X70-X80管线钢已成为国际长输管线工程的主流钢级，尤其是我国西气东输二线工程近8000km干线全部采用X80钢级，市场前景广泛。

目前世界绝大多数国家的石油、天然气输送管道工程用管线钢钢管均遵循美国石油协会API SPEC 5L规范，大口径输送管道工程用钢管按制管方式分为螺旋埋弧焊钢管和直缝埋弧焊钢管，对应两种焊管所采用的原料分别为热轧板卷和热轧钢板。

为满足采用高压、大口径、长距离输送管线工程的需要，要求管线钢同时兼顾高强度、良好低温韧性和良好焊接性能等，因此X80管线钢一般采用针状铁素体组织设计。

在本发明之前，已经有多个有关X80管线钢的发明专利，与本发明较为接近的发明专利有：1)中国专利，公开号CN 1715434A，“高强度高韧性X80管线钢及其热轧卷板制造方法”；2)中国专利，公开号CN 101270441A，“一种经济型X80管线钢及其生产方法”；3)中国专利，公开号CN 1715434A，“具有抗HIC性能X80管线钢及其热轧板制造方法”，4)日本专利，公开号JP 2004269964，“高强度钢板的制造方法”；5)日本专利，公开号JP 11080833，“具有优良抗HIC性能的高强度钢管用钢板制造方法”；6)日本专利，公开号JP 10102184，“制造高强度电阻焊钢管用热轧钢板”。其中3个日本专利，均为制造直缝焊钢管用X80热轧钢板的发明专利，与本发明产品不同。而3个中国专利与本发明产品最为接近，均为制造螺旋埋弧焊钢管用X80热轧板卷的发明专利。

以上专利文献公开的X80管线钢达到了高强度和高韧性等，但连铸板坯采用250mm厚板坯，在连铸坯再加热前板坯需下线精整，热能损失较大，生产周期较长，生产成本高。同时专利文献公开X80热轧板卷的厚度较薄、最厚规格为15mm，难以满足高压、大口径、厚壁长输管道工程用钢的需要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用中等厚度板坯连铸连轧生产工艺、经济地生产制造厚规格X80管线钢热轧板卷及其的制造方法。解决现有技术中合金设计添加贵重合金元素，且制造过程中采用厚规格连铸板坯、在连铸坯再加热前板坯需下线精整，热能损失较大，生产周期较长，以及生产成本高等诸多问题。

为解决现有技术中存在的问题，特别是连铸板坯采用厚板坯，连铸坯需下线精整，生产成本高，以及热轧板卷的厚度较薄难以满足长输管道工程用钢的需要等问题，特提出本发明的技术方案。

本发明的技术方案之一是，提出一种具有针状铁素体组织的低碳低钼X80管线钢，其化学成分的重量百分比(％)为：C 0.02％-0.06％、Si 0.05％-0.35％、Mn 1.70％-1.90％、P≤0.015％、S≤0.004％、Cr 0.20％-0.35％、Mo 0.06％-0.15％、Nb 0.06％-0.11％、V≤0.08％、Ni≤0.20％、Cu≤0.25％、Ti0.005％-0.025％、Als 0.015％-0.045％、Ca 0.001％-0.004％、N≤0.006％，余量为Fe和不可避免杂质，且冷裂纹敏感系数Pcm≤0.21％。

低钼X80管线钢的成分设计思想是以低C、高Mn、高Nb，通过加入微量Ti等微合金元素、少量Cr及Cu、Ni、Mo合金元素，结合热机械控制轧制生产工艺获得细小的针状铁素体组织，以保证管线钢具有高强度高韧性的性能，其主要元素的选择理由如下：

C：碳为碳化物形成元素，是钢中最经济、最基本最有效的强化元素，通过固溶强化和析出强化对提高钢的强度有明显作用，但提高碳含量对产品的冲击韧性和焊接性能有负面影响。本发明的碳含量为0.02％-0.06％，低碳保证管线钢具有良好低温韧性、良好焊接性能和抗氢致裂纹(HIC)性能。

Mn：锰具有固溶强化作用，还可降低γ-α相变温度，进而细化铁素体晶粒，同时补偿因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。本发明的锰含量为1.70％-1.90％，高锰促进针状铁素体形核，高Mn/C可提高钢材屈服强度和冲击韧性，降低韧脆转变温度，细化碳氮化物析出尺寸，促进沉淀强化效果。

Nb：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。高铌可延迟奥氏体再结晶，降低相变温度，促进针状铁素体组织和M-A岛的形成。通过固溶强化、相变强化、析出强化等机制来获得高强度、高韧性性能。本发明的铌含量为0.06％-0.11％。

Mo：钼可有效提高钢的淬透性、扩大γ相区，具有降低γ-α相变温度，抑制多边形铁素体(PF)的形成，促进针状铁素体(AF)的转变，并提高Nb(C、N)的沉淀强化效果，提高钢材的强度和断裂韧性。但钼较贵重、在不影响性能的前提下尽量减少其含量。本发明的钼含量为0.06％-0.15％。

Cr：铬可有效提高淬透性，抑制多边形铁素体和珠光体的产生，促进在中温和低温区内形成晶内有大量位错分布的铁素体或贝氏体。与Mo组合使用，其效果更为显著。本发明的铬含量为0.20％-0.35％。

Ti：钛是强的固氮元素，Ti/N的化学计量比为3.42。加入0.015％左右Ti时，可在板坯连铸时形成高温稳定细小的TiN析出相，这种析出相可有效阻止连铸坯在加热过程中奥氏体晶粒的长大，同时对改善钢焊接时热影响区的断裂韧性有明显作用。本发明的Ti含量控制在0.005％～0.025％。

Cu、Ni：铜镍可通过固溶强化作用提高钢的强度。Cu还可以改善钢的耐蚀性，同时加入Ni主要是改善Cu在钢中易引起的热脆性，且对韧性有益。

Pcm：控制冷裂纹敏感系数有利于保障产品的焊接性能，本发明的Pcm控制在0.15％～0.20％。

本发明的技术方案之二是，提出一种采用中等厚度板坯连铸连轧生产工艺经济地生产制造厚规格X80管线钢热轧卷板的制造方法。其生产工艺流程涉及：铁水预处理-转炉冶炼-炉外精炼(RH+LF+钙处理)-连铸-板坯加热-轧制-层流冷却-卷取。其特征是：

1)冶炼连铸工艺：铁水预处理，转炉冶炼——经顶吹或顶底复合吹炼，炉外精炼——经RH真空处理、LF炉轻脱硫处理及进行钙处理以控制夹杂物形态和提高钢的延展性、韧性和冷弯性能，板坯连铸制成连铸板坯——连铸采用电磁搅拌或动态轻压下、以提高连铸板坯的质量，应用170mm厚连铸坯，明显薄于目前国内外主要应用的250mm左右厚连铸坯，其凝固冷却速率远远大于传统的厚板坯，二次枝晶间距大幅度减小。

2)轧制工艺：连铸板坯在500-850℃温度直接进行热装炉加热，连铸板坯经步进式加热炉加热至1150-1250℃出炉，随后经粗轧及精轧机组两阶段控制轧制，粗轧的终轧温度为1030-970℃，精轧的终轧温度为750-850℃，精轧的压缩比大于60％，随后板卷采用层流冷却方式以10-25℃/s的速度进行快速冷却，在450-580℃温度进行卷取。

采用本发明生产上述厚规格X80热轧板卷，可制成螺旋缝埋弧焊钢管。按API 5L标准规定，上述X80钢级管体屈服强度为555-705MPa，抗拉强度625-825MPa，伸长率≥16％，-20℃夏比冲击功(3个试样平均)Akv≥240J，-15℃落锤撕裂试验剪切面积(2个试样平均)≥85％。

本发明技术方案的特别之处在于：1)采用连铸板坯的厚度仅为170mm；2)制造的热轧卷板为特厚规格，最厚规格可达18.4mm。3)采用短流程连铸连轧生产工艺；4)连铸工艺上采用动态轻压下连铸技术和无缺陷板坯连铸技术，连铸板坯无需下线精整；5)轧制工艺上采用热装轧制技术，连铸板坯在500-850℃温度可直接进行热装炉，提高了热能使用效率节省能源，缩短生产周期，提高生产效率，大大降低生产成本。

1)本发明X80管线钢热轧板卷采用低钼C-Mn-Cr-Mo-Nb系针状铁素体组织设计，钼含量不大于0.15％，可选择添加V、Ni和Cu等合金元素，不添加B合金元素，合金成本适中，产品达到API SPEC 5L规范要求X80管线钢要求。

2)本发明采用170mm厚连铸坯、在短流程连铸连铸生产线生产出厚规格X80管线钢热轧卷板，最厚规格可达18.4mm。

3)本发明X80管线钢制造采用动态轻压下连铸技术和无缺陷板坯连铸技术，连铸板坯无需下线精整，连铸板坯在500-850℃温度可直接进行热装炉再加热，提高了热能使用效率节省能源，缩短生产周期，提高生产效率，大大降低生产成本。

4)本发明X80管线钢具有优良的综合强韧性能：高强度——满足APISPEC 5L规范要求；良好的低温断裂韧性——-20℃夏比冲击功大于300J、剪切面积大于85％，-15℃落锤撕裂试验的剪切面积大于85％。

5)本发明X80管线钢具有良好的焊接性能，其冷裂纹敏感系数Pcm不大于0.21％，推荐使用合理的焊接材料和焊接工艺，可获得良好的焊接性能。

具体实施方式

下面列举本发明的实施例，这些实施例仅对本发明最佳实施方式的描述，但并不对本发明的范围有任何限制。表1为试验钢的化学成分，其工艺流程为铁水预处理-转炉冶炼-炉外精炼(RH+LF+钙处理)-连铸-板坯加热-轧制-层流冷却-卷取，试验钢具体工艺制度见表2。表3为试验钢的力学性能。

表1实施例试验钢化学成分(wt，％)

类别	C	Si	Mn	P	S	Als	Cu	Ni	Cr	Mo	V	Nb	Ti	N	Ca	Pcm
																	例1	0.051	0.25	1.87	0.014	0.002	0.029	0.20	0.19	0.29	0.12	-	0.090	0.012	0.003	0.0011	0.189
例2	0.048	0.19	1.81	0.011	0.001	0.028	0.19	0.18	0.30	0.09	-	0.100	0.008	0.003	0.0012	0.178
																	例3	0.041	0.15	1.82	0.013	0.001	0.027	0.17	0.15	0.25	0.10	0.03	0.080	0.009	0.004	0.0015	0.169
例4	0.037	0.24	1.86	0.015	0.003	0.026	0.18	0.16	0.30	0.09	-	0.095	0.011	0.003	0.0022	0.171
																	例5	0.035	0.11	1.75	0.014	0.002	0.022	0.18	0.17	0.30	0.10	-	0.090	0.009	0.004	0.0027	0.160
例6	0.055	0.29	1.83	0.009	0.001	0.032	-	-	0.28	0.11	-	0.085	0.015	0.004	0.0020	0.178

注：Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B.

表2实施例试验钢工艺制度

表3实施例试验钢力学性能

注：拉伸试验、夏比冲击试验和落锤撕裂试验(DWTT)试样的取样方向与轧制方向成30°方向。

由表3可见，本发明生产X80管线钢热轧板卷，具有良好的综合力学性能和焊接性能，可以用于制造满足API SPEC 5L标准要求的大口径X80钢级钢管。

Claims (4)

1.一种X80管线钢热轧板卷，其特征在于化学成分的重量百分比为：C0.02％-0.06％、Si 0.05％-0.35％、Mn 1.70％-1.90％、P≤0.015％、S≤0.004％、Cr 0.20％-0.35％、Mo 0.06％-0.15％、Nb 0.06％-0.11％、V≤0.08％、Ni≤0.20％、Cu≤0.25％、Ti 0.005％-0.025％、Als 0.015％-0.045％、Ca 0.001％-0.004％、N≤0.006％，余量为Fe和不可避免杂质，且冷裂纹敏感系数Pcm≤0.21％。

2.根据权利要求1所述的X80管线钢热轧板卷，其特征在于冷裂纹敏感系数Pcm控制在0.15％～0.20％。

3.一种用于权利要求1或2所述的X80管线钢热轧板卷的制造方法，包括铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼、连铸、板坯加热、轧制、层流冷却、卷取，其特征在于连铸板坯在500-850℃直接进行热装炉加热，连铸板坯经步进式加热炉加热至1150-1250℃出炉，随后经粗轧及精轧机组两阶段控制轧制，粗轧的终轧温度为1030-970℃，精轧的终轧温度为750-850℃，精轧的压缩比大于60％，随后板卷采用层流冷却方式以10-25℃/s的速度进行快速冷却，在450-580℃进行卷取。

4.根据权利要求3所述的X80管线钢热轧板卷的制造方法，其特征在于连铸采用电磁搅拌或动态轻压下，连铸板坯厚度为170mm。