CN103276315B - 一种900MPa级超高强高韧性管线钢板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种900MPa级超高强度高韧性管线钢板，其化学成分的重量百分比为：C：0.035～0.065、Si：0.15～0.40、Mn：1.90～2.50、P：≤0.012、S：≤0.0015、Nb：0.030～0.055、Ti：0.010～0.025、Cu：0～0.30、Cr：0.35～0.60、Ni：0.10～0.50、Mo：0～0.50、Al：0.020％～0.050、B：0.0010～0.0030、N：≤0.0080；步骤：冶炼并连铸成坯；对铸坯加热；粗轧；精轧；快速冷却；停留40～60S后矫直。本发明由于添加B、Cr元素，降低Nb、Mo、Ni含量，可以显著降低超高强度X80管线钢的生产成本，提高效率；金相组织为贝氏体+少量M-A组织，主要力学性能达到：R_P0.2≥900MPa，R_m≥1050MPa，R_P0.2/R_m≤0.90，延伸率（A_50mm）≥12％，-20℃KV₂≥200J，-15℃DWTT SA≥85％。

Description

一种900MPa级超高强高韧性管线钢板及其制造方法

技术领域

本发明涉及微合金化钢制造领域，具体地说是为满足国内外高压长输管道主干线对超高强度、高韧性管线钢板的需求，提供一种900MPa级高韧性管线钢板及其制造方法。

背景技术

随着世界经济的高速发展，对石油、天然气等能源资源的需求与日俱增，石油、天然气长输管道的建设得到蓬勃发展。为提高长输管道的输送效率和运行的经济性，近年来，管道的输送压力和管径不断增加，为保障高压长输管道运行的安全性，对所使用的管线钢材料的强度和断裂韧性的要求也不断提高，超高强度高韧性管线钢在未来长输管道中的大规模工程应用已成为必然。为此，本发明提供一种900MPa级超高强度高韧性管线钢板及其制造方法。

在本发明专利之前，专利申请号为200410025584.41的发明专利“高强度高韧性X80管线钢及其热轧板制造方法”、专利申请号为200810227820.9的发明专利“一种高强韧性螺旋埋弧焊管用X80热轧卷板及其生产方法”、专利申请号为200910237313.8的发明专利“一种管线用钢X70热轧卷板及其制造方法”等阐述了我国长输管道主干线目前主要采用的X70、X80级管线钢及其制造方法，在长输管道现有输送压力条件下（10MPa或12MPa），该系列产品能够满足长输管道的安全运营，但随着长输管道运行经济性要求的不断提高，管道输送压力进一步提高，届时X70、X80级管线钢将无法满足管道运行的安全性要求。

专利申请号为201210050624.5的中国发明专利“高强度低屈强比X90热轧钢板及其生产方法”、专利申请号为200810012150.9的中国发明专利“一种高强度X100管线钢热轧平板及其生产方法”、专利号为JP2006233263的日本发明专利“X120超高强度焊接钢管及其制造方法”、专利号为JP2007023346的日本发明专利“具有优异时效性能的高强度焊接钢管及其制造方法”等阐述了采用各种不同成分设计，结合TMCP工艺生产超高强度X90～X120级管线钢的方法，此类管线钢当管道输送压力在12～18MPa时将具有良好的应用性，但如管道输送压力进一步提高，同样将难以满足管道运营的安全性要求。

专利申请号为201010276430.8的中国发明专利“低屈强比超高强度X130管线钢及其热轧平板的制造方法”阐述了一种采用低C、高Mn、高Nb，适量添加Cu、Cr、Ni、Mo等合金元素的成分设计，结合常规TMCP工艺生产X130级管线钢板的方法。该生产方法能够达到900MPa级管线钢的高强度，但不添加B、V等强化效果良好的经济性元素，合金设计成本较高，不利于实现规模化生产。

专利申请号为US5900075的美国发明专利描述了一种通过热处理促进Cu析出强化的超高强度管线钢，该方法能够达到900MPa级的高强度，但是生产工艺复杂，且工艺成本较高，不利于实现经济型规模化生产。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中关于高钢级管线钢强度的不足，不能满足未来高压管道的需求、合金成本高、生产工序复杂等不足，提供一种适用于未来超高压长输管道主干线建设的900MPa级超高强度高韧性管线钢板及其制造方法，该方法生产工序简单，制造成本较低，各项主要力学性能指标达到：R_P0.2≥900MPa，R_m≥1050MPa，R_P0.2/R_m≤0.90，延伸率（A_50mm）≥12％，-20℃ KV₂≥200J，-15℃ DWTT SA≥85％。

实现上述目的的措施：

一种900MPa级超高强度高韧性管线钢板，其化学成分的重量百分比为：C：0.035～0.065、Si：0.15～0.40、Mn：1.90～2.50、P：≤0.012、S：≤0.0015、Nb：0.030～0.055、Ti：0.010～0.025、Cu：0～0.30、Cr：0.35～0.60、Ni：0.10～0.50、Mo：0～0.50、Al：0.020％～0.050、B：0.0010～0.0030、N：≤0.0080，Ni/Cu≥0.5，Cr+Cu+Ni≤1.1，其余为Fe和不可避免的杂质。

其特征在于：还添加有重量百分比含量为≤0.30%的Cu。

生产上述钢板的方法，主要包括以下步骤：

1）冶炼并连铸成坯；

2）对铸坯加热，控制加热温度在1050～1120℃；保证微合金化元素的充分固溶，同时防止奥氏体晶粒过分长大；

3）进行粗轧：控制粗轧温度在980～1090℃，每道次压下率不低于10%，通过动、静态再结晶使奥氏体晶粒充分细化，同时抑制奥氏体晶粒长大；

4）进行精轧，控制精轧温度在750～920℃，累计压下率不低于70%，以防止部分再结晶导致的晶粒大小不均，同时使奥氏体晶粒充分压扁，形成足够多的变形带以利于形核，细化相变后组织；  

5）进行快速冷却，控制冷却速度在30～60℃/S，终冷温度不超过200℃；

6）快冷后在矫直机前停留40～60S进行矫直。

本发明中各元素的作用机理如下：

碳（C）含量为0.035～0.065％，加入一定量的碳，可以大幅提高钢的强度，但是碳含量超过一定程度时，钢的低温韧性显著恶化，因而将碳含量限定为0.035～0.065％。

硅（Si）含量为0.15～0.40％，主要起固溶强化作用，同时避免因添加过量导致钢的塑、韧性显著恶化。

锰（Mn）含量为1.90～2.50％，加入较高的经济合金化元素锰，可以显著提高钢的强度，此外，锰还可以在一定程度上细化晶粒，改善钢的冲击韧性，但是过量的锰易形成偏聚，导致钢的成分和组织不均。

铌（Nb）含量为0.030～0.055％，铌可以显著提高钢的奥氏体再结晶温度，扩大未再结晶区范围，便于实现高温控轧，降低轧机负荷，同时铌还可以抑制奥氏体晶粒长大，具有显著的细晶强化和析出强化作用。但是在高强度贝氏体钢中，添加过量的铌会促进M-A岛的生成，降低焊接热影响区的韧性，且Nb属于贵重金属，增加含量会显著提高合金设计成本，因此，将铌的含量控制在较低水平。

钛（Ti）含量为0.010～0.025％，钛与铌在钢中的作用类似，有较强的细晶强化和析出强化作用，微量的钛还可以在高温下与碳、氧结合，形成高温难熔的析出物，有利于抑制焊接热影响区的奥氏体晶粒长大，显著改善焊接热影响区的韧性。

镍（Ni）含量为0.10～0.50％，镍能够有效提高钢的淬透性，具有一定的固溶强化作用，还能显著改善钢的低温韧性。此外，镍还能有效阻止Cu的热脆性引起的网裂，并显著提高钢的耐腐蚀性能。但镍与钼类似，属于贵重金属，易导致钢的制造成本大幅提高，此外，过高的镍含量易造成钢板氧化铁皮难以去除，导致钢板表面质量问题。

铬（Cr）的含量为0.35～0.60％，铬能显著提高钢的淬透性，并具有一定的固溶强化作用，可以在很大程度上替代贵重合金元素Mo、Ni。此外，加入一定的铬还能改善钢的耐候、耐腐蚀性能，但加入过量，易导致钢的韧脆转变温度显著上升。

钼（Mo）的含量为0.001～0.50％，钼显著推迟γ→α转变，抑制铁素体和珠光体形核，促进具有高密度位错亚结构的贝氏体/针状铁素体的形成，使得钢在轧后一个较宽的冷速范围内得到贝氏体/针状铁素体组织。为保证特厚规格管线钢板板厚方向的组织、性能均匀性，将Mo含量控制在较高水平。但钼属于贵重金属，加入量增加会提高钢的制造成本，同时过高的钼还会导致钢的低温韧性恶化。

铜（Cu）的含量为0~0.30%，适量添加铜元素，提高钢的强度和淬透性，并能改善钢的耐候、耐腐蚀性能。但铜为低熔点金属，易引起热脆，添加过量对钢的低温韧性不利。

铝（Al）的含量为0.020～0.050％，铝是钢中主要的脱氧元素，能够显著降低钢中的氧含量，同时铝与氮的结合形成AlN，能够有效地细化晶粒。但是钢中铝含量超过0.05％时，易导致铝的氧化物夹杂明显增加，降低钢的洁净度，对钢的低温韧性不利。

硼（B）的含量为0.0010～0.0030%，加入微量的B可以显著抑制铁素体在奥氏体晶界上的形核，同时还使贝氏体转变曲线变得扁平，从而即使在低碳的情况下在一个较大的冷速范围内也能得到贝氏体组织，使管线钢达到很高的强度级别。但加入量达到一定程度后，B的作用达到饱和，且容易导致钢质脆化，因此将硼的含量控制在0.0010～0.0030％。

磷（P）、硫（S）、氮（N）含量分别为：[%P]≤0.012，[%S]≤0.0015，[%N]≤0.008。磷易导致钢的冷脆，硫易引起热脆，而氮易引起钢的淬火失效和形变失效，导致钢的性能不稳定，因此应尽量降低钢中的磷、硫、氮的含量。

此外，保证Ni/Cu≥0.5，让低熔点的Cu与Ni形成熔点较高的完全固溶体，防止低熔点Cu引起的热脆。

保证Cr+Cu+Ni≤1.1％，严格控制铬、铜、镍等合金含量总量，降低合金成本，保证钢板具有良好的焊接性能。

本发明中主要工艺作用如下：

本发明之所以将铸坯加热温度在1050～1120℃，是因为通过理论计算和多次实验室试验研究，在1050℃以上，钢种的微合金碳/氮化合物能够充分固熔，且加热温度超过1120℃时，原奥氏体晶粒急剧长大，因此严格限定铸坯加热温度区间。

之所以控制在冷却速度为30～60℃/s，将终冷温度控制在不超过200℃，是因为通过材料热力学计算和多次实验室研究，当冷却速度为30～60℃/s，终冷温度控制在200℃以下时，能够有效提高本发明钢的强度，充分细化和韧化成本组织，获得理想的强、塑、韧性匹配。

本发明与现有技术相比，通过添加较经济的B、Cr等高淬透性合金元素，降低Nb、Mo、Ni等贵重金属的合金用量，可以显著降低生产成本，提高生产效率。经试验标明，本发明的金相组织为理想的贝氏体+少量弥散分布的M-A组织，各项主要力学性能指标达到：屈服强度（R_P0.2≥900MPa），抗拉强度（R_m）≥1050MPa，屈强比（R_P0.2/R_m）≤0.90，延伸率（A_50mm）≥12％，-20℃ KV₂≥200J，-15℃ DWTT SA≥85％。

具体实施方式

下面对本发明予以详细描述：

实施例1：

一种900MPa级超高强度高韧性管线钢板，其化学成分及重量百分比为：C：0.035％、Si：0.21％、Mn：2.41％、P：0.012％、S：0.0014％、Nb：0.055％、Ti：0.019％、Cu：0.14％、Cr：0.47％、Ni：0.37％、Mo：0.32％、Al：0.043％、B：0.0028％、N：0.0073％，余量为Fe及不可避免的夹杂。

生产工艺步骤：

1)冶炼并连铸成坯；

2)将钢坯加热至1052℃；

3)钢坯出炉后进行粗轧，其开轧温度为1031℃，粗轧各道次压下率≥10%，粗轧结束温度为980℃；

4)粗轧结束后待温至920℃开始进行精轧，精轧结束温度为846℃，精轧累计压下率为80％；

5)钢板精轧结束后立即进行超快速冷却，终冷温度为188℃，冷却速率为：36.4℃/s；

6)钢板经过超快速冷却后，在矫直机前停留50s后进行强力矫直，制得所需钢板。

实施例2：

一种900MPa级超高强度高韧性管线钢板，其化学成分及重量百分比为：C：0.042％、Si：0.39％、Mn：2.50％、P：0.011％、S：0.0010％、Nb：0.051％、Ti：0.025％、Cu：0.30％、Cr：0.35％、Ni：0.42％、Mo：0.18％、Al：0.049％、B：0.0030％、N：0.0066％，余量为Fe及不可避免的夹杂。

生产工艺步骤：

1)、冶炼并连铸成坯；

2)、将钢坯加热至1105℃；

3)、钢坯出炉后进行粗轧，其开轧温度为1084℃，粗轧各道次压下率不低于10%，粗轧结束温度为1066℃；

4)、粗轧结束后待温至900℃开始进行精轧，精轧结束温度为826℃，精轧累计压下率为79.1％；

5)、钢板精轧结束后立即进行超快速冷却，终冷温度为188℃，冷却速率为：30.5℃/s；

6)、钢板经过超快速冷却后，在矫直机前停留45s后进行强力矫直，制得所需钢板。

实施例3：

一种900MPa级超高强度高韧性管线钢板，其化学成分及重量百分比为：C：0.048％、Si：0.34％、Mn：2.32％、P：0.010％、S：0.0011％、Nb：0.047％、Ti：0.015％、Cu：0％、Cr：0.60％、Ni：0.32％、Mo：0.36％、Al：0.032％、B：0.0026％、N：0.0060％，余量为Fe及不可避免的夹杂。

生产工艺步骤：

1)冶炼并连铸成坯；

2)将钢坯加热至1120℃；

3)钢坯出炉后进行粗轧，其开轧温度为1090℃，粗轧各道次压下率不低于10%，粗轧结束温度为1078℃；

4)粗轧结束后待温至890℃开始进行精轧，精轧结束温度为804℃，精轧累计压下率为80％；

5)钢板精轧结束后立即进行超快速冷却，终冷温度为195℃，冷却速率为：59.8℃/s；

6)钢板经过超快速冷却后，在矫直机前停留60s后进行强力矫直，制得所需钢板。

实施例4：

一种900MPa级超高强度高韧性管线钢板，其化学成分及重量百分比为：C：0.054％、Si：0.27％、Mn：2.15％、P：0.008％、S：0.0008％、Nb：0.042％、Ti：0.012％、Cu：0.19％、Cr：0.52％、Ni：0.28％、Mo：0.24％、Al：0.021％、B：0.0013％、N：0.0054％，余量为Fe及不可避免的夹杂。

生产工艺步骤：

1)冶炼并连铸成坯；

2)将钢坯加热至1083℃；

3)钢坯出炉后进行粗轧，其开轧温度为1062℃，粗轧各道次压下率不低于10%，粗轧结束温度为1036℃；

4)粗轧结束后待温至880℃开始进行精轧，精轧结束温度为794℃，精轧累计压下率为77.8％；

5)钢板精轧结束后立即进行超快速冷却，终冷温度为166℃，冷却速率为：43.2℃/s；

6)钢板经过超快速冷却后，在矫直机前停留40s后进行强力矫直，制得所需钢板。

实施例5：

一种900MPa级超高强度高韧性管线钢板，其化学成分及重量百分比为：C：0.059％、Si：0.15％、Mn：1.91％、P：0.007％、S：0.0005％、Nb：0.032％、Ti：0.010％、Cu：0.23％、Cr：0.43％、Ni：0.12％、Mo：0.50％、Al：0.028％、B：0.0010％、N：0.0046％，余量为Fe及不可避免的夹杂。

生产工艺步骤：

1)冶炼并连铸成坯；

2)将钢坯加热至1053℃；

3)钢坯出炉后进行粗轧，其开轧温度为1030℃，粗轧各道次压下率不低于10%，粗轧结束温度为983℃；

4)粗轧结束后待温至850℃开始进行精轧，精轧结束温度为752℃，精轧累计压下率为77.8％；

5)钢板精轧结束后立即进行超快速冷却，终冷温度为182℃，冷却速率为：46.9℃/s；

6)钢板经过超快速冷却后，在矫直机前停留50s后进行强力矫直，制得所需钢板。

实施例6：

一种900MPa级超高强度高韧性管线钢板，其化学成分及重量百分比为：C：0.065％、Si：0.24％、Mn：2.03％、P：0.006％、S：0.0007％、Nb：0.039％、Ti：0.017％、Cu：0.28％、Cr：0.48％、Ni：0.50％、Mo：0.0013％、Al：0.043％、B：0.0015％、N：0.0073％，余量为Fe及不可避免的夹杂。

生产工艺步骤：

1)冶炼并连铸成坯；

2)将钢坯加热至1078℃；

3)钢坯出炉后进行粗轧，其开轧温度为1060℃，粗轧各道次压下率不低于10%，粗轧结束温度为1034℃；

4)粗轧结束后待温至865℃开始进行精轧，精轧结束温度为777℃，精轧累计压下率为80％；

5)钢板精轧结束后立即进行超快速冷却，终冷温度为100℃，冷却速率为：52.5℃/s；

6)钢板经过超快速冷却后在矫直机前停留60s后进行强力矫直，制得所需钢板。

表1  各实施例的横向主要性能检测统计表

上述实施例仅为最佳例举，而并非是对本发明的实施方式的限定。

Claims (2)

1.一种900MPa级超高强度高韧性管线钢板，其化学成分及重量百分比为：C：0.042％、Si：0.39％、Mn：2.50％、P：0.011％、S：0.0010％、Nb：0.051％、Ti：0.025％、Cu：0.30％、Cr：0.35％、Ni：0.42％、Mo：0.18％、Al：0.049％、B：0.0030％、N：0.0066％，余量为Fe及不可避免的夹杂；

生产工艺步骤：

1)、冶炼并连铸成坯；

2)、将钢坯加热至1105℃；

3)、钢坯出炉后进行粗轧，其开轧温度为1084℃，粗轧各道次压下率不低于10%，粗轧结束温度为1066℃；

4)、粗轧结束后待温至900℃开始进行精轧，精轧结束温度为826℃，精轧累计压下率为79.1％；

5)、钢板精轧结束后立即进行超快速冷却，终冷温度为188℃，冷却速率为：30.5℃/s；

6)、钢板经过超快速冷却后，在矫直机前停留45s后进行强力矫直，制得所需钢板。

2.一种900MPa级超高强度高韧性管线钢板，其化学成分及重量百分比为：C：0.059％、Si：0.15％、Mn：1.91％、P：0.007％、S：0.0005％、Nb：0.032％、Ti：0.010％、Cu：0.23％、Cr：0.43％、Ni：0.12％、Mo：0.50％、Al：0.028％、B：0.0010％、N：0.0046％，余量为Fe及不可避免的夹杂；

生产工艺步骤：

1)冶炼并连铸成坯；

2)将钢坯加热至1053℃；

3)钢坯出炉后进行粗轧，其开轧温度为1030℃，粗轧各道次压下率不低于10%，粗轧结束温度为983℃；

4)粗轧结束后待温至850℃开始进行精轧，精轧结束温度为752℃，精轧累计压下率为77.8％；

5)钢板精轧结束后立即进行超快速冷却，终冷温度为182℃，冷却速率为：46.9℃/s；

6)钢板经过超快速冷却后，在矫直机前停留50s后进行强力矫直，制得所需钢板。