CN103789705A

CN103789705A - 一种超宽规格超大单重管线钢x80卷板及其生产工艺

Info

Publication number: CN103789705A
Application number: CN201410048166.0A
Authority: CN
Inventors: 文新理; 刘雅政; 蒋波; 周乐育; 张朝磊; 赵帆
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2014-02-12
Filing date: 2014-02-12
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2034-02-12
Also published as: CN103789705B

Abstract

一种超宽规格超大单重管线钢X80卷板及其制备，其化学成分具体元素含量为C0.02~0.12%，Si0.10~0.50%，Mn1.00~2.00%，Nb0.02~0.10%，V0.01~0.10%，Ti0.01~0.08%，Cr0.20~1.00%，Mo0.10~0.80%，Ni0.10~0.80%，P≤0.02%，S≤0.01%，其余为Fe和不可避免杂质。工艺流程为铁水→铁水预处理→转炉炼钢→LF+RH精炼并进行Ca处理→连铸机→加热→粗轧→精轧→层流冷却→卷取。本发明的X80卷板宽度和单重大、性能稳定可靠，制成的钢管焊缝长度短，管道安全性高，且大幅度降低钢厂和钢管厂的生产成本。

Description

一种超宽规格超大单重管线钢X80卷板及其生产工艺

技术领域

本发明属于钢铁材料领域，是一种输送天然气用大口径管线用钢，具体涉及一种超宽规格超大单重管线钢X80卷板及其生产工艺。

背景技术

管线钢是指用于制造油气和其他流体输送管道的工程结构钢，管线钢X80是我国目前大批量工程化应用的最高级别管线钢，被广泛应用于西气东输二线、三线和中缅管线等国家重点工程中。随着油气输送管道向高压力、大口径和长距离方向发展，对管线钢X80卷板的规格和单重也提出了更高要求，超宽规格和超大单重是管线钢X80的发展趋势。

目前我国管线钢X80卷板的目标宽度为1550mm，单重27±0.5吨，每个钢卷可制成Φ1219mm钢管4根，每根钢管焊缝长度30.1m。本发明的超宽规格超大单重管线钢目标宽度为1650~1750mm，单重34~38吨，可制成Φ1219mm钢管5~6根。以宽度1650mm、单重34吨为例，同宽度1550mm、单重27吨相比，其优点在于：

1）将焊缝长度从30.1m缩短到27.6m，焊缝越短，钢管的安全性和可靠性越高；

2）每个钢卷可制成的钢管数量提高了一根，使钢管厂生产效率提高25%，金属损失降低20%。

3）单重的增加使钢厂生产效率提高25%，金属损失降低20%，包装成本降低20%。

超宽规格超大单重管线钢X80卷板的开发难度在于宽度增加和单重提高后产品的工艺难度增大、性能降低，因此需要全新的成分和工艺设计，这等同于一种新产品及其生产工艺的开发。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超宽规格超大单重管线钢X80卷板及其生产工艺，节约生产成本、提高生产效率、提高管道运行的安全性和可靠性。超宽规格超大单重管线钢X80卷板与普通X80卷板相比生产难度表现在两方面：一是宽度的增加提高了制造过程轧机的负荷，在原有工艺条件下无法生产；二是单重的增加提高了制造过程中间坯的长度，中间坯进入精轧机组时的头尾温差增加，这种温差导致成品钢卷头尾性能的差异，使钢卷尾部25米长度不合格。因此，超宽规格超大单重管线钢X80卷板的开发不只是在宽度和单重方面量的提高，也是在成分设计和生产工艺方面质的改变。

在成分设计方面，采用“多合金成分设计”：

与普通X80卷板相比，超宽规格超大单重管线钢X80卷板采用较多种类和较高含量的合金成分设计，主要合金元素Mo、Nb、Cr、Ni等含量均有一定程度提高，以保证工艺条件变化后产品的力学性能。其中Nb含量的提高是为了进一步抑制形变奥氏体的回复和再结晶，得到形变缺陷较多的奥氏体组织，以提高相变形核率、抑制新相长大，得到细化的针状铁素体组织；Mo、Cr、Ni含量的提高是为了进一步稳定奥氏体以提高材料的淬透性，保证在提高加热温度和轧制温度后仍能得到优异的力学性能。

本发明的技术方案是：一种超宽规格超大单重管线钢X80卷板，其化学成分的重量百分比为：

C 0.02~0.12%

Si 0.10~0.50%

Mn 1.00~2.00%

Nb 0.02~0.10%

V 0.01~0.10%

Ti 0.01~0.08%

Cr 0.20~1.00%

Mo 0.10~0.80%

Ni 0.10~0.80%

P ≤0.02%

S ≤0.01%

其余为Fe和不可避免杂质。

进一步，本发明的化学成分（重量百分比）优选为：

C 0.03~0.10%

Si 0.15~0.45%

Mn 1.00~2.00%

Nb 0.03~0.09%

V 0.02~0.08%

Ti 0.02~0.06%

Cr 0.25~0.8%

Mo 0.15~0.60%

Ni 0.15~0.60%

P ≤0.01%

S ≤0.008%

其余为Fe和不可避免杂质。

本发明合金设计的原理如下：

C：0.02~0.12%，优选为0.03~0.10%，为了使钢板具有良好的焊接性能、冷弯性能和韧性，特别是低温韧性，必须降低钢中的含碳量。对于针状铁素体管线钢，C作为对韧性等性能的有害元素，必须降至0.12%以下。

Si：0.10~0.50%，优选为0.15~0.45%，Si在低合金高强度钢中是作为脱氧剂加入的，一部分形成SiO2非金属夹杂物，有一部分溶于钢液中，增加钢液的流动性，冷至室温后溶于铁素体内，Si溶于铁素体后有很强的固溶强化作用，碳钢中每增加0.1%Si，可使热轧钢的抗拉强度提高约8-9MPa左右，屈服强度提高约4-5MPa左右，伸长率下降约0.5%，钢的面缩率和冲击韧性下降不明显，但是含量超过0.8-1.0%时，则引起面缩率下降，特别是冲击韧性显著降低。

Mn：1.00~2.00%，优选为1.00~2.00%，Mn是管线用高强度低合金钢（HSLA）的基本合金元素，添加量在1.0～2.0%的范围。高的Mn/C比对提高抗拉强度和冲击韧性是有益的。但由于锰在钢中与碳、磷元素一样均易形成偏析带，造成钢的组织和硬度不均匀性，Mn含量应进行限制。

Nb：0.02~0.10%，优选为0.03~0.09%，Nb的最突出的作用是抑制高温形变过程的再结晶，Nb(C, N)未溶质点及应变诱导析出是抑制再结晶的主要因素。当钢中固溶的Nb含量增加时，其推迟奥氏体再结晶的作用在较高温度下就能明显地显示出来。当添加量超过0.1%时，强化作用达到饱和。

V：0.01~0.10%，优选为0.02~0.08%，V对奥氏体晶粒细化和再结晶动力学几乎不起作用，V主要通过铁素体中C、N化合物的析出对强化有贡献。V能产生沉淀强化作用进而提高屈服强度，但是提高韧脆转变温度，其含量一般控制在0.10%以下。

Ti：0.01~0.08%，优选为0.02~0.06%，Ti能产生强烈的沉淀强化作用，使钢的强度提高，还能阻止奥氏体再结晶。Ti的含量一般控制在0.1%以下，它能产生晶粒细化作用，提高钢材屈服强度，但对韧性的贡献不大。Ti也能提高晶粒粗化温度，同时对焊接热影响区处的硬度也有好的影响作用。

Cr：0.20~1.00%，优选为0.25~0.8%，Cr是碳化物形成元素，形成硬的碳化物Cr₇C₃或Cr₂₃C₆，另一方面还可以与碳形成复合碳化物。在钢中含足够的碳时，Cr提高钢的强度；在低碳钢中加入Cr能提高强度，但延展性有所降低；Cr可保证中等淬透性，促进晶粒长大，导致钢的脆性增加。

Mo：0.10~0.80%，优选为0.15~0.60%，Mo在高钢级管线钢中是一重要的元素。在连续冷却转变状态图中，钼使铁素体和珠光体区域右移，有形成贝氏体的趋势。当钢中碳含量很低时，在轧后空冷过程中可避免形成马氏体，而形成微细结构的贝氏体和针状铁素体，从而保证钢的良好延性。含钼的钢比不含钼的钢的管材有较高的强度，并比传统的铁素体-珠光体钢有较高的韧性。

Ni：0.10~0.80%，优选为0.15~0.60%，Ni是奥氏体稳定元素，主要用来提高韧性。当

镍同铬一起添加时，更促进贝氏体转变，并使材料的微观结构主要呈现为贝氏体组织。Ni和Mo对钢韧性的影响是相反的，尽管Mo对钢强度的影响是Mn的3.4倍，但会使其韧性显著恶化。Ni的强化效果虽然不及Mo和Mn，但是能够明显改善韧性。

P ：≤0.02%，优选为≤0.01%，P在管线钢中是一种易偏析元素，当磷含量大于0.015%时，磷的偏析会急剧增加，并促使偏析带硬度增加，在偏析区其淬硬性约为碳的2倍，这使HIC性能下降。磷还会恶化焊接性能，降低钢的低温冲击韧性，提高钢的脆性转变温度，使钢管发生冷脆，对于高质量的管线钢应严格控制钢中的磷含量。

S：≤0.01%，优选为≤0.008%，S是管线钢中最为有害的元素之一，对管线钢的低温冲击韧性影响很大，降低硫含量可显著提高冲击韧性。此外，硫还导致管线钢各向异性，在横向和厚度方向上韧性恶化。因此，硫含量是管线钢生产过程中要求最为苛刻的指标，某些管线钢要求S含量小于50ppm、20ppm甚至10ppm。

N：≤0.007%，优选为≤0.005%，N在管线钢中可与Nb、V、Ti微合金元素共同作用，细化晶粒，提高强度，但过量的N对成品钢板的韧性有害，在连铸过程中也会造成板坯的角裂缺陷。

生产工艺方面：

生产工艺流程为：铁水→铁水预处理→转炉炼钢→LF+RH精炼并进行Ca处理→连铸→加热→粗轧→精轧→层流冷却→卷取。

首先按上述成分冶炼，并在LF和RH精炼炉中精炼，然后通过连铸机连续铸造成板坯，板坯装炉温度25℃~700℃，在加热炉内预热温度300~1100℃，优选为400~1000℃，预热时间10~100分钟，优选为20~90分钟，为缩小进入精轧机组的中间坯头尾温差，加热炉采用“纵向补偿加热技术”，头部加热温度1150~1220℃，尾部加热温度1180~1250℃，头尾温度均匀过渡，加热时间70~180分钟，优选为80~170分钟。加热后的板坯送往粗轧机轧制，经6道次可逆轧制后轧成厚度为50mm的中间坯。

精轧开轧温度950~1000℃，优选为950~990℃、终轧温度700~850℃，优选为730~830℃，末架轧机轧制速度2.0~4.0m/s，优选为2.2~3.8m/s，并采用“微加速轧制技术”，一次加速度和二次加速度均小于0.02~0.03m/s²，而普通X80采用恒速轧制，“微加速轧制技术”目的是降低带钢头尾的温度差异，避免头尾性能不均。

层流冷却采用连续冷却模式，自第一组层流水开始对钢板进行不间断冷却，卷取温度300~550℃，优选为320~500℃，水冷速度10~30℃/s，优选为15~25℃/s，以保证钢板冷却的均透性，得到细小均匀的针状铁素体组织。

“多合金成分设计”、“纵向补偿加热技术”和“微加速轧制技术”是超宽规格超大单重管线钢X80卷板的三大核心技术，合理的成分设计与工艺技术创新相结合保证了产品的优异性能。

附图说明

图1是X80材料的CCT曲线；

图2是“纵向补偿加热技术”示意图；

图3是“微加速轧制技术”示意图；

图4是层流冷却技术示意图；

图5是X80卷板在光学显微镜下的微观金相组织；

图6是X80卷板在扫描电子显微镜下的微观金相组织；

图7是X80卷板在透射电子显微镜下的微合金元素析出形貌；

图8是X80卷板落锤撕裂断口形貌；

图9是X80卷板力学性能的过程能力统计结果；

图10是X80卷板的实物照片；

图11是X80卷板制成的钢管实物照片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

本发明的超宽规格超大单重管线钢X80的实施例见表1、表2和表3：

表1 “多合金成分设计”的实施例（质量百分比，%）

实施例	C	Si	Mn	Nb	V	Ti	Cr	Mo	Ni	P	S	N	余量
														1	0.02	0.10	1.0	0.05	0.01	0.01	0.1	0.1	0.1	0.01	0.01	0.005	Fe
2	0.04	0.2	1.2	0.02	0.02	0.02	0.2	0.2	0.2	0.008	0.008	0.004	Fe
														3	0.06	0.3	1.4	0.03	0.015	0.04	0.25	0.25	0.25	0.007	0.007	0.003	Fe
4	0.08	0.4	1.6	0.06	0.06	0.05	0.4	0.4	0.4	0.006	0.006	0.002	Fe
														5	0.1	0.45	1.5	0.08	0.08	0.06	0.6	0.6	0.6	0.005	0.005	0.001	Fe
6	0.12	0.5	2.0	0.1	0.1	0.08	1.0	0.8	0.8	0.004	0.004	0.007	Fe

表2 “纵向补偿加热技术”的实施例（℃）

实施例	装炉温度	预热温度	预热时间	加热温度	加热时间	板坯头部温度	板坯尾部温度
								1	100	400	30	1150	80	1150	1160
2	200	600	60	1170	100	1160	1170
								3	400	500	40	1180	120	1170	1190
4	700	700	50	1190	140	1180	1200
								5	600	900	30	1200	160	1190	1210
6	500	800	60	1210	180	1210	1220

表3“微加速轧制技术”的实施例

实施例	穿带速度，m/s	一加速，m/s²	二加速，m/s²
				1	2	0.02	0.05
2	2.4	0.025	0.045
				3	2.8	0.045	0.025
4	3	0.05	0.02
				5	3.5	0.03	0.035
6	4	0.035	0.03

本发明的超宽规格超大单重管线钢X80卷板的生产工艺，首先对原料铁水进行预处理，重点是实现“三脱”，即脱硫、脱磷、脱硅，为钢水的高纯净度奠定良好基础；然后按上述成分在氧气转炉内进行冶炼，并在LF和RH精炼炉内进行精炼，达到窄成分精确控制、夹杂物最少化和无害化的目的；冶炼好的铁水送往连铸机连续铸造成板坯，板坯经表面检查和处理后在一定温度下送往加热炉加热。

板坯加热是质量控制的基础，超宽规格超大单重管线钢X80板坯加热工艺不当将造成板坯开裂、过热、过烧等质量问题，因此其加热工艺采用精细化控制，核心技术就是采用“纵向补偿加热技术”，即通过控制板坯长度方向的温度梯度实现后续轧制过程的纵向温度均匀性，防止由于板坯过长尾部温降过大而无法轧制，如图2所示；具体加热工艺参数的制定如表2所示，板坯装炉温度25℃~700℃，在加热炉内预热温度300~1100℃，优选为400~1000℃，预热时间10~100分钟，优选为20~90分钟，为缩小进入精轧机组的中间坯头尾温差，头部加热温度1150~1220℃，尾部加热温度1180~1250℃，头尾温度均匀过渡，加热时间70~180分钟，优选为80~170分钟。

加热后的板坯送往粗轧机轧制，经5~7道次可逆轧制后轧成厚度为50mm的中间坯。

精轧开轧温度950~1000℃，优选为950~990℃，终轧温度700~850℃，优选为720~830℃，末架轧机轧制速度2.0~4.0m/s，优选为2.2~3.8m/s；采用“微加速轧制技术”，一次加速度和二次加速度均为0.02~0.05m/s²，而普通规格和单重的X80卷板采用“恒速轧制技术”，即无需加速轧制也可保证中间坯尾部温度合适，但超大单重管线钢X80必须采用微加速轧制以保证中间坯尾部可轧，如图3所示。

层流冷却是X80成品前最后一道关键工序，也是实现产品性能的重要工艺控制点之一，层流冷却工艺制定的主要依据是动态CCT曲线，如图1所示，本发明中X80的动态CCT曲线主要由奥氏体区、铁素体/珠光体区和贝氏体（针状铁素体）区组成，对于管线钢X80来说，目标组织区域是贝氏体区，具体方法是通过控制连续冷却速度和卷取温度使过冷奥氏体发生针状铁素体转变，为达到这一目的，需要计算连续冷却速度的大小、冷却终止温度和层流冷却水量配置。

根据动态CCT曲线并结合金相组织分析，冷却速度应在10~30℃/s，冷却终止温度应为300~550℃，优选为320~500℃，为实现这一目标控制参数，采用精确计算方法，首先以F6轧制速度4m/s、终轧温度700℃、卷取温度300℃为例，计算了在开启第1~8组层流冷却水时的冷却速度，计算过程如下：

空冷段长度：86m

空冷温降量：125℃

水冷温降量：700℃-300℃-125℃=275℃

水冷段长度：130m-86m=44m

水冷时间：44m÷4m/s=11s

水冷平均冷却速率：275℃÷11s=25℃/s

采用此种计算方法计算了不同冷却水开启方式和冷却速度的关系，最终实现将冷却速度控制在10~30℃/s间的最佳冷速。

采用上述成分和工艺生产的管线钢X80卷板的微观金相组织如图5、6、7所示，产品组织主要是针状铁素体，未见先共析铁素体、珠光体和马氏体等有害组织，亚结构为针状的铁素体板条，其尺寸约0.5~1μm，组织中的析出物以圆形的Nb(C、N)和方形的Ti(C、N)为主；落锤撕裂断口形貌如图8所示，断口剪切面积百分数为90~95%，落锤性能优异；批量生产的产品力学性能如图9所示，产品性能稳定可靠；图10和图11分别为超宽规格超大单重管线钢X80卷板及其制成的钢管实物照片。

Claims

1.一种超宽规格超大单重管线钢X80卷板,其特征在于，其化学成分的重量百分比为：

C 0.02~0.2%； Si 0.10~0.50%；Mn 1.00~2.00%；Nb 0.02~0.10%；V 0.01~0.10%； Ti 0.01~0.08%；Cr 0.20~1.00%；Mo 0.10~0.80%；Ni 0.10~0.80%；P ≤0.02%；S ≤0.01%；其余为Fe和不可避免杂质。

2.一种超宽规格超大单重管线钢X80卷板，其特征在于，其化学成分的重量百分比为：

C 0.03~0.18%；Si 0.15~0.45%； Mn 1.00~2.00%； Nb 0.03~0.09%；

V 0.02~0.08%； Ti 0.02~0.06%； Cr 0.25~0.8%；Mo 0.15~0.60%；Ni 0.15~0.60%； P ≤0.01%； S ≤0.008%；其余为Fe和不可避免杂质。

3.一种如权利要求1或2所述的超宽规格超大单重管线钢X80卷板的生产工艺，其特征在于，其工艺流程为：铁水→铁水预处理→转炉炼钢→LF+RH精炼并进行Ca处理→连铸机→加热→粗轧→精轧→层流冷却→卷取；首先按上述成分冶炼，并在LF和RH精炼炉中精炼，然后通过连铸机连续铸造成板坯，板坯装炉温度25~700℃，板坯在加热炉内预热温度300~1100℃，预热时间10~100分钟，板坯加热采用“纵向补偿加热技术”，板坯头部加热温度1150~1220℃，尾部加热温度1180~1250℃，加热时间70~180分钟，加热后的板坯送往粗轧机轧制，经6道次可逆轧制成厚度为50mm的中间坯，精轧过程采用“微加速轧制技术”，末架轧机轧制速度2.0~4.0m/s，一次加速度和二次加速度均为0.02~0.05m/s²，精轧开轧温度950~1000℃，终轧温度700~850℃；层流冷却工艺采用精确计算的冷却速度，冷却速度控制在10~30℃/s之间，卷取温度控制在300~550℃之间，即得到其宽度为1650~1750mm，厚度为18.4±0.2mm，每个钢卷重量34~38吨的超宽规格超大单重管线钢X80卷板。

4.如权利要求3所述的管线钢X80卷板的生产工艺，其特征是，所述纵向补偿加热技术”是板坯头部加热温度1150~1220℃，尾部加热温度1180~1250℃，加热时间80~170分钟。

5.如权利要求3所述的管线钢X80卷板的生产工艺，其特征是精轧过程采用“微加速轧制技术”，末架轧机轧制速度2.2~3.8m/s，一次加速度和二次加速度均为0.02~0.03m/s²。

6.如权利要求3所述的管线钢X80卷板的生产工艺，其特征是精轧开轧温度950~990℃，终轧温度730~830℃。

7.如权利要求3所述的管线钢X80卷板的生产工艺，其特征是层流冷却工艺采用精确计算的冷却速度，冷却速度控制在15~25℃/s之间，卷取温度控制在320~550℃之间。

8.如权利要求3所述的管线钢X80卷板的生产工艺，其特征是板坯在加热炉内预热温度400~1100℃，预热时间20~90分钟。