CN103866204B - 一种低温大压下工艺生产的大应变x80双相钢板 - Google Patents

Abstract

本发明属于低合金高强度管线钢领域，更具体的讲是一种低温大压下工艺生产的大应变X80双相钢板，其由下述按重量百分比计的组分组成，C：0.05~0.07%，Si：0.25~0.35%，Mn：1.40~1.80%，P≤0.01%，S≤0.003%，Nb：0.01~0.04%，Ti：0.01~0.02%，Mo≤0.35%，Cu≤030%：Cr≤0.35%，Ni≤0.030%，N≤40ppm，O≤20ppm，H≤1.2ppm其余部分包含Fe及不可避免的杂质，本发明的有益效果是：本发明轧制工艺利用高压水对钢板加速冷却，有效细化晶粒和提高生产效率，未再结晶区采用低温大压下多道次冷却轧制，最终得到先共析铁素体+板条贝氏体组织，所得钢板屈服强度Rt0.5为480MPa～560MPa，抗拉强度Rm为770MPa～800MPa，屈强比Rt0.5/Rm≤0.75，-20℃夏比冲击功≥350J，-15℃落锤剪切面积≥95%，均匀延伸率UEL≥12，钢板抗变形能力强，应力比为Rt2.0/Rt1.0≥1.09，Rt1.5/Rt0.5≥1.15。

Description

一种低温大压下工艺生产的大应变X80双相钢板

技术领域

本发明属于低合金高强度管线钢制造技术领域，更具体的讲一种低温大压下工艺生产的大应变X80双相钢板。

背景技术

随着我国石油石化行业的快速发展，在今后的一段时期内，国家将新建大量的输油管线，以满足国民经济的发展需要，今后越来越多的管线服役条件更为苛刻，地质环境越来越复杂，对管线钢的质量要求也越来越高。由于油气输送管道不断向永久冻土或地震区域延伸，在这些区域敷设管线时，地层移动可能引起钢管较大应变，因此，所用管线钢必须具有防止局部弯曲和管线对接环焊缝断裂的变形能力。提高油气输送管线用钢管抗变形能力的方法是增加钢管的壁厚，但这势必增加管的建设成本，采用具有抗大变形钢管可以在不增加壁厚的前提下获得高的钢管抗变形能力。

高性能管线钢的组织经历了铁素体-珠光体型、针状铁素体型、粒状贝氏体型和下贝氏体型等类型组织的转变。国内外研究表明，由硬相和相对软的相组成的双相显微组织可获得较大的应变强化性能，日本等国家钢铁企业已开发出铁素体＋贝氏体和贝氏体＋马氏体(MA)两类抗大变形管线钢，目前国内钢厂及管厂已经成功研制X70钢级抗大变形管线钢，并成功地应用于中缅天然气/原油管道工程，实现了抗大变形管线钢国产化。

近年来，特别是中亚管线钢铺设，为提高输气效率和石油输送的安全性能，更高级别、更厚、韧性指标等综合性能要求更高基于的应变设计原则的X80大应变管线钢受到青睐，越来越多的专家学者进行研究分析

为满足X80管线钢强度、韧性、抗应变性能、焊接性、强度均匀性等要求，必须从生产工艺和成分设计之初就按照抗大变形管线钢标准来制定，采用这些技术能够提供安全可靠的***，同时保证经济的解决方案，基于应变设计的创新性设计解决了高强度管线钢在工程输送中应用的实际问题。本发明针对生产抗大变形管线钢项目中的诸多难题，结合现场的生产实践和工艺装备，采用合适的控制轧制、控制冷却工艺（TMCP工艺），使钢板最终得到软、硬双相组织类型，并严格控制软、硬相组织比例，通过软、硬双相显微组织获得较大的应变强化性能，形成了从成分设计到低温大压下轧制和层流冷却工艺过程控制的先进高效合理工艺控制技术，实现了抗大变形管线钢板的稳定、大批量生产。为推进抗大变形管线钢的国产化、大规模工业化生产起到了积极重要的作用。

日本JFE公司有关抗大变形X80热轧钢板的研究，但日本抗大变形X80/X100钢板的组织设计为贝氏体+马奥岛（B+M/A）双相组织，工艺设计为TMCP+HOP工艺，因此它们生产的抗大变形X80/X100管线钢板是通过HOP工艺得到的，它们的组织是由贝氏体+马奥岛（B+M/A）双相显微组织构成，HOP工艺特点是钢板在经过精轧制之后直接进入热处理设备进行相应的热处理工艺，这种工艺条件下生产的钢板强度稳定，性能波动小但成型性能和韧性差；而国内正在提出申请的这种双相组织可通过低C的多元微合金化设计和低温大压下技术获得，双相组织则是由铁素体+板条贝氏体双相显微组织构成，可以实现钢板强度和韧性的良好匹配。

与本发明较为相近的发明专利有：1）中国专利，申请(专利)号:CN200910076066.8，一种生产X80级抗大变形管线钢中厚板的方法；2）中国专利，申请(专利)号:201310022403.1，一种获取X80钢级双相组织大变形管线钢的方法；3）中国专利，申请(专利)号:20121003018.8，一种低成本高性能X80管线钢及其生产方法；4）中国专利，申请(专利)号:201010530202.9，一种低成本、高韧性X80抗大变形管线钢及生产方法；5）中国专利，申请(专利)号:200910048140.5，一种X80管线钢用宽厚板及其制造方法；6）中国专利，申请(专利)号:201310230259.0，一种X80管线钢的生产方法；7）中国专利，申请(专利)号:200610096513.2，低压缩比高级别管线钢生产工艺。

以上专利文献中1）、2）、4）、7）是基于应力设计的X80管线钢，具有抗大变形性能，其余均是单一组织管线钢。1）公布的产品成分设计中P含量最大值为0.012%，S含量最大值0.004%，碳含量为0.02~0.05，屈强比不大于0.80，均匀延伸率≥10%，连铸坯厚度为230mm，轧制采用常规两阶段轧制；2）公布的产品生产参数工艺主要是在实验室模拟实验获得；4）公布的产品工艺中再结晶区轧制道次率≥60%，精轧开轧温度为880℃~950℃，产品性能屈强比不大于0.80，均匀延伸率≥10%，以上或者在钢板纯净度、钢板的性能或者在生产工艺上均具有一定的缺陷。

发明内容

本发明的发明目的在于针对以上不足，提供一种一种低温大压下工艺生产的大应变X80双相钢板，在提高现场生产效率和降低合金成本的前提下，生产出具有优异的落锤性能、低的屈强比、高的应力比和均匀延伸率等综合性能的X80双相管线钢板，本发明产品成分设计中P含量最大值0.010%，S含量最大值0.003%，钢质更纯净，技术实施后钢板的-20℃夏比冲击功达到350J以上，-15℃落锤剪切面积≥95%，均匀延伸率UEL≥12，同时在成分设计中采用低铌加铬成分设计，在保证钢板性能的前提下，有效节约了贵重合金元素钼的加入，轧制工艺上巧妙利用高压水对钢板加速冷却，有效细化晶粒和提高生产效率，采用超厚中间坯，有效减轻粗轧机负担，未再结晶区采用低温大压下多道次冷却轧制，兼顾钢板性能和生产节奏，更适宜大规模工业化生产。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种低温大压下工艺生产的大应变X80双相钢板，其由下述按重量百分比计的组分组成，C：0.05~0.07%，Si：0.25~0.35%，Mn：1.40~1.80%，P≤0.01%，S≤0.003%，Nb：0.01~0.04%，Ti：0.01~0.02%，Mo≤0.35%，Cu≤030%：Cr≤0.35%，Ni≤0.030%，N≤40ppm，O≤20ppm，H≤1.2ppm其余部分包含Fe及不可避免的杂质。

所述钢板的化学成分满足：Pcm=C+Si/30+Ni/60+(Mn+Cr+Cu)/20+Mo/15+V/10+5B≤0.20%。

其成分设计中各个元素的作用如下：

C：碳是提高强度最主要也是最廉价的元素，随着碳含量的增加，钢的强度增加，但同时钢板的焊接性能及塑韧性变差，因此本发明选用低碳成分设计，使得钢板具有良好的塑韧性和优良的焊接性能。

Mn：锰是提高强度和韧性的有效元素，它是弱碳化物形成元素，它在冶炼中的作用是脱氧和消除硫的影响，还可以降低奥氏体转变温度，细化铁素体晶粒，对提高钢板强度和韧性有益；同时还能固溶强化铁素体和增加钢的淬透性；在低碳条件下它对贝氏体转变有显著的促进作用；但Mn含量过高时，则钢硬化而延展性变坏；Mn因其效果明显，成本低廉在高性能钢板生产中成为主要的添加元素之一。

Si：硅起到脱氧剂的作用，同时有固溶强化作用，还可以极大的延缓碳化物的形成，滞后渗碳体的长大，增加了奥氏体稳定性；但是Si含量高，钢种易出现夹杂物，钢材易生锈，热轧生产中铁锈容易被轧入钢板表层，热镀锌性能差，同时Si都显示出对多线程焊接时局部脆性区域有危害性。

Cu：铜元素的析出强化是提高钢的强度的重要手段，此外，Cu对钢的耐蚀性、改善焊接性、低温韧性、成型性与机加工性能等都非常有益；但是另一方面，Cu含量高时连铸钢坯加热或热轧时易产生裂纹，恶化钢板表面性能，必须根据强度级别和钢板厚度的不同添加适量的Ni以阻止这种裂纹的产生。

Ni：镍对焊接热影响区硬化性及韧性没有不良影响，又可使母材的强度提高，并使低温韧性大大提高；但它是较贵重元素，导致钢的成本大幅度上升，经济性差；在钢中添加Ni元素的目的主要是阻止含Cu量高的钢坯在加热或热轧时产生裂纹的倾向；根据Cu的含量，将Ni含量控制在Cu含量的0.7-1倍。

Ti：加入微量的钛，是为了固定钢中的氮元素；另外Ti有强烈的析出强化作用，可以提高钢的强度，对焊接热影响区处的硬度也有好的影响作用在最佳状态下，Ti的氮化物颗粒的存在可抑制焊接热影响区的晶粒粗化阻止钢坯在加热、轧制、焊接过程中晶粒的长大，改善母材和焊接热影响区的韧性；Ti低于0.005%时，固N效果差，超过0.03%时，固N效果达到饱和，过剩的Ti可以单独或与Nb一起形成碳氮化物，强化钢材，但有时会形成大块的析出相，将会使钢的韧性恶化；当钢中的Ti、N原子之比为1：1时，TiN粒子最为细小且分布弥散，对高温奥氏体晶粒的细化作用最强，不仅可获得优良的韧性，而且能够实现30KJ/cm以上的大线能量焊接；但是，过多的Ti含量会引起钛的氮化物的粗化，对低温韧性不利；因此，一般将Ti成分控制在0.02%左右。

Cr：铬的添加可以降低钢种的相变点，细化组织，有效的提高强度，还可以提高钢种抗氧化性及高温耐腐蚀性能等，但是Cr过多则析出粗大，导致钢的脆化，对焊接性能不好，因此Cr含量设计为≤0.30%。

本发明的另一目的是提供一种低温大压下工艺生产的大应变X80管线钢板的制造方法，该方法是在上述成分设计的基础上，通过控制板坯加热温度和加热时间，采用全新厚中间坯的低温大压下多道次轧制工艺，获得具有良好强韧性和抗大变形性能的热轧X80双相钢板。

该发明所采用的生产工艺步骤为：备料→铁水KR脱硫处理→转炉冶炼→CAS吹氩→LF+RH双联法精炼→板坯连铸→板坯再加热→横向展宽→纵向成型→精轧→预矫直→ACC模式层流冷却→矫直→堆垛缓冷→超声波探伤工序。

本发明钢冶炼过程工艺控制合金元素加入顺序：Nb、Ti是较贵重的合金元素，在真空处理后期或真空处理完毕后再加，一方面能极大提高微合金元素吸收率，同时也可以减少钢中氢的含量。

上述一种低温大压下工艺生产的大应变X80双相钢板的制造方法，其具体步骤为：

（1）原料铁水KR预处理后，经过转炉冶炼，钢包吹氩后再送入LF精炼炉精炼，然后在VD炉中进行真空处理，保真空时间20分钟，处理结束后喂入钙铁线2m/t，喂线后软吹氩10分钟；

（2）VD炉破真空后上连铸机浇注，铸坯下线后堆垛缓冷48小时；

（3）铸坯经加热炉均热，铸坯在炉时间4-5小时，出炉温度为1110-1130℃，出炉后，进行高压水除磷，除去铸坯表面氧化铁皮，除磷后铸坯表面温度控制在1040℃~1050℃；

（4）铸坯轧制选择横-纵轧制模式，先对除磷后的连铸坯进行横向展宽和纵向成型，横向展宽轧制4道次，每道次压下率≥12%、累计压下率≥40%，纵向成型轧制1道次，道次压下率≥16%，纵向成型轧制温度控制在950℃～1050℃，得中间坯。

（5）纵向成型轧制结束后，利用粗轧机高压水对中间坯进行连续除鳞冷却降温3道次，防止晶粒在粗轧机和精轧机之间待温时间过长，晶粒长大，每次除鳞冷却前确保中间坯温度返红，降温后铸坯温度控制在880℃～900℃，空冷待温至820℃精轧，精轧采用单道次轧制，轧制14道次，最后1道为空过道次，轧机速度设置为1.0m/s，机后辊道速度0.5m/s，精轧累计道次压下率≥75%，终轧温度控制在730℃～750℃；

（6）在所述的ACC模式层流冷却中，层流冷却目标冷速21℃/S，目标终冷温度200℃以下，水凸度偏置值：+15%；边部遮蔽OS：40；DS：-40。

水凸度指冷却水在钢板的边缘区域中使用比在中间区域中大的水量，并且在中心使用更小的水量，水流呈现出凸型，成为水凸度，偏置值指边缘部分比中间部分大15%的水量。

上述步骤（2）中连铸机浇注过程采用扇形段电磁搅拌以及铸坯轻压下工艺。

上步骤（2）中所得铸坯厚度为250mm。

上述步骤（4）中所述中间坯厚度为120mm，以保证未再结晶区轧制大累计压下率；

上述步骤（3）和步骤（5）中高压水的压力为20Mp。

本发明的有益效果是：本发明产品成分设计中P含量最大值0.010%，S含量最大值0.003%，钢质更纯净，同时在成分设计中采用低铌加铬成分设计，在保证钢板性能的前提下，有效节约了贵重合金元素钼的加入，轧制工艺上巧妙利用高压水对钢板加速冷却，有效细化晶粒和提高生产效率，采用超厚中间坯，有效减轻粗轧机负担，未再结晶区采用低温大压下多道次冷却轧制，兼顾钢板性能和生产节奏，更适宜大规模工业化生产，最终得到先共析铁素体+板条贝氏体组织，所得钢板屈服强度Rt0.5为480MPa～560MPa，抗拉强度Rm为770MPa～800MPa，屈强比Rt0.5/Rm≤0.75，-20℃夏比冲击功≥350J，-15℃落锤剪切面积≥95%，均匀延伸率UEL≥12，钢板抗变形能力强，应力比为Rt2.0/Rt1.0≥1.09，Rt1.5/Rt0.5≥1.15。

附图说明

图1为本发明大应变X80双相钢板的组织结构图。

具体实施方式

通过以下具体实施例来进一步说明本发明：

实施例一

本实施例的低温大压下工艺生产的大应变X80双相钢板是由以下质量百分比的组分制备而成：C：0.05%，Si：0.25%，Mn：1.7%，P:0.008%，S:0.002%，Cr：0.25%，Ni：0.022%，Ti:0.015%，Pcm=0.19，余量为Fe和不可避免的杂质。

本实施例的低温大压下工艺生产的大应变X80双相钢板的生产制备方法如下：

1）冶炼工艺：原料铁水KR预处理后，经过210t顶底复吹转炉冶炼，钢包吹氩后再送入LF精炼炉精炼，然后在VD炉中进行真空处理，保真空时间20分钟，处理结束后喂入钙铁线2m/t，喂线后软吹氩10分钟；

2）浇铸工艺：VD炉破真空后上270mm×2100mm断面板坯连铸机浇注，浇注过程中铸机采用扇形段电磁搅拌以及铸坯轻压下工艺，连铸坯下线后堆垛缓冷48小时；

3）加热工艺：铸坯在炉时间4.5小时，出炉温度1120℃，出炉后进行1道高压水除磷，除去铸坯表面氧化铁皮，除磷后铸坯表面温度1045℃。

4）轧制工艺：采用横向展宽、纵向成型和精轧分阶段轧制，横向展宽轧制4道次，4道次下压率分别为12.2%、13.7%、14.5%和13.6%、累计压下率54%，纵向成型轧制1道次，道次压下率17%；精轧开轧温度820℃，轧制成品钢板规格为26.4mm，精轧道次累计压下率76%。

6）经检测，本实例的主要性能如下：Rt0.5为520MPa，抗拉强度Rm为780MPa，屈强比Rt0.5/Rm=0.67，，-20℃夏比冲击功为356J，380J，387J；-15℃落锤剪切面积=95%，100%；均匀延伸率UEL=12.5，Rt2.0/Rt1.0=1.10，Rt1.5/Rt0.5=1.21。

实施例二

实施例的低温大压下工艺生产的大应变X80双相钢板是由以下质量百分比的组分制备而成：C：0.065%，Si：0.23%，Mn：1.70%，P:0.010%，S:0.001%，Cr：0.22%，Ni：0.022%，Ti:0.015%，Pcm=0.18，余量为Fe和不可避免的杂质。

本实施例的低温大压下工艺生产的大应变X80双相钢板的生产制备方法同实施例一，区别在于铸坯在炉时间为4小时，除磷后铸坯表面温度1048℃，横向展宽轧制4道次，4道次下压率分别为12.8%、13.8%、13.9%和13.4%，累计压下率53.9%，纵向成型轧制1道次，道次压下率17.7%，精轧累计变形率为77%。

经检测，本实例的主要性能如下：Rt0.5为510MPa，抗拉强度Rm为770MPa，屈强比Rt0.5/Rm=0.66，-20℃夏比冲击功为348J，385J，365J；-15℃落锤剪切面积=100%，100%；均匀延伸率UEL=13.5，Rt2.0/Rt1.0=1.12，Rt1.5/Rt0.5=1.19。

Claims (5)

1.一种低温大压下工艺生产的大应变X80双相钢板，其由下述按重量百分比计的组分组成：C：0.05~0.07%，Si：0.25~0.35%，Mn：1.40~1.80%，P≤0.01%，S≤0.003%，Nb：0.01~0.04%，Ti：0.01~0.02%，Mo≤0.35%，Cu≤030%：Cr≤0.35%，Ni≤0.030%，其余部分为Fe和不可避免的杂质；

所述钢板的化学成分满足：Pcm=C+Si/30+Ni/60+(Mn+Cr+Cu)/20+Mo/15+V/10+5B≤0.20%；

所述低温大压下工艺生产的大应变X80双相钢板的制造方法，其工艺步骤包括：备料→铁水KR脱硫处理→转炉冶炼→CAS吹氩→LF+RH双联法精炼→板坯连铸→铸坯再加热→横向展宽→纵向成型→精轧→预矫直→ACC模式层流冷却→矫直→堆垛缓冷→超声波探伤工序；

其具体步骤为：（1）原料铁水KR预处理后，经过转炉冶炼，钢包吹氩后再送入LF精炼炉精炼，然后在VD炉中进行真空处理，保真空时间20分钟，处理结束后喂入钙铁线2m/t，喂线后软吹氩10分钟；（2）VD炉抽真空后上连铸机浇注，铸坯下线后堆垛缓冷48小时；（3）铸坯经加热炉均热，铸坯在炉时间4-5小时，出炉温度为1110-1130℃，出炉后，进行高压水除磷，除去铸坯表面氧化铁皮，除磷后铸坯表面温度控制在1040℃~1050℃；（4）铸坯轧制选择横-纵轧制模式，先对除磷后的连铸坯进行横向展宽和纵向成型，横向展宽轧制4道次，每道次压下率≥12%、累计压下率≥40%，纵向成型轧制1道次，道次压下率≥16%，纵向成型轧制温度控制在950℃～1050℃，得中间坯；（5）纵向成型轧制结束后，利用粗轧机高压水对中间坯进行连续除鳞冷却降温3道次，每次除鳞冷却前确保中间坯温度返红，降温后铸坯温度控制在880℃～900℃，空冷待温至820℃精轧，精轧采用单道次轧制，轧制14道次，最后1道为空过道次，轧机速度设置为1.0m/s，机后辊道速度0.5m/s，精轧累计道次压下率≥75%，终轧温度控制在730℃～750℃；（6）ACC模式层流冷却中，层流冷却目标冷速21℃/S，目标终冷温度200℃以下，水凸度偏置值：+15%；边部遮蔽OS：40；DS：-40。

2.根据权利要求1所述的一种低温大压下工艺生产的大应变X80双相钢板，其特征在于：所述步骤2中连铸机浇注过程采用扇形段电磁搅拌以及铸坯轻压下工艺。

3.根据权利要求1所述的一种低温大压下工艺生产的大应变X80双相钢板，其特征在于：步骤2中所得铸坯厚度为250mm。

4.根据权利要求1所述的一种低温大压下工艺生产的大应变X80双相钢板，其特征在于：步骤4中所述中间坯厚度为120mm。

5.根据权利要求1所述的一种低温大压下工艺生产的大应变X80双相钢板，其特征在于：所述步骤3和步骤5中高压水的压力为20MP。