CN104073744B - 厚度≥18.5mm的高韧性X80管线钢板卷及生产方法 - Google Patents

Abstract

厚度≥18.5mm的高韧性X80管线钢板卷，其化学成分及wt%：C：0.025～0.055、Si：0.10～0.35、Mn：1.85～2.00、P：≤0.012、S≤0.0015、Cu：0.15～0.30、Cr：0.20～0.40、Ni：0.15～0.40、Mo：0.20～0.40、Nb：0.070～0.095、V：0.015~0.040、Ti：0.005～0.025、Al：0.015～0.045、N：≤0.008、Ca：0.0010～0.0040；生产步骤：对铸坯加热至1100～1180℃；粗轧；精轧；水冷却；卷取；空冷至室温。本发明不仅生产的钢板厚度大于18.4mm，且厚度方向的组织、性能均匀，力学性能达：屈服强度（R_t0.5）≥570MPa，抗拉强度（R_m）≥625MPa，屈强比（R_t0.5/R_m）≤0.90，延伸率（A_50mm）≥40％，‑20℃ KV₂≥300J，‑15℃ DWTT SA≥85％。

Description

厚度≥18.5mm的高韧性X80管线钢板卷及生产方法

技术领域

本发明涉及一种石油管线用钢及其生产方法，具体地属于一种厚度≥18.5mm的高韧性X80管线钢板卷及生产方法，其适用于长输管道主干线在一、二类地区建设所需管线钢。

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，目前正在施工的俄罗斯Bovanenkovo – Uhta 管道、我国西气东输三线、中亚管道和已完成规划的美国阿拉斯加管线、我国新粤浙线等国内外重大长输管道工程主干线均采用12MPa的高压，管径达到1219mm甚至1422mm。为保障这类高压长输管道运行的安全性，长输管道普遍采用厚壁X80管线钢，而为了降低管道建设成本，传统上采用厚壁管线钢板的二类地区也开始尝试管线钢板卷，原材料板卷的厚度将达到21.4mm、22mm甚至更高。随着板带厚度的增加，保证其具有良好的低温断裂韧性和组织性能的均匀性成为严峻的挑战，而如何实现厚壁X80管线钢板卷的稳定生产同样是一个十分棘手的技术难题。

经检索，中国专利申请号为200410013265.1的专利文献，其公开了一种“高强度高韧性输送管线钢及其制备方法”，其采用低C、高Mn、高Nb、无Cr、V，少量添加Cu、Ni、Mo等合金元素的成分设计，结合TMCP工艺制造高钢级X80热连轧板卷的方法。该文献存在淬透性不足，且卷曲温度较高（400～600℃），并仅适用于生产较薄规格（18.4mm以下）的热连轧X80管线钢，钢板厚度方向上组织及低温断裂韧性也不能满足要求。

中国专利申请号为201210022461.X的专利文献，其公开了“一种低成本高强韧性X80管线钢卷板及其生产方法”，其采用低C、高Mn、低Mo、高Nb、无Cu、Ni、V，少量添加Cr等合金元素的成分设计，结合TMCP工艺生产X80管线钢卷板的方法。其存在的不足同样难以实现厚度在18.5mm以上X80管线钢板卷对高强度与高韧性的良好匹配。

中国专利申请号为200910048140.5的专利文献，其公开了“一种X80管线钢用宽厚板及其制造方法”，其采用低C、高Mn、低Mo、高Nb、高Cr，少量添加Cu、Ni等合金元素的成分设计，结合TMCP工艺生产X80管线钢宽厚板的方法。其存在轧后终冷温度较高（400～600℃），同样难以实现特厚规格管线钢板卷的组织、性能要求，且其采用中厚板单张轧制的方式生产，生产效率和成材率均较低，制造成本较高。

发明内容

本发明解决现有技术的厚度不超过18.4mm，并存在淬透性不足、板厚方向性能不均匀、断裂韧性较差的不足，提供一种厚度≥18.5mm）、R_t0.5≥570MPa，R_m≥625MPa、-20℃ KV₂≥300J，-15℃ DWTT SA≥85％的X80级管线钢板卷及其生产方法。

本申请为了实现上述目的，对实现本申请的目的的起影响或者关键作用的合金元素及工艺进行了深入的研究其结果，为了实现本申请所述的目的，因此提出了在成分方面主要是采用了适度降低碳元素含量，提高Cu、Cr、Ni、Mo等提高淬透性的合金元素含量，并复合添加Nb、V、Ti微合金化的方法，已解决板卷厚度增加后导致的轧后冷却速率和精轧压下率下降引起的组织细化不充分的问题；成分的优化，还需要匹配的工艺才行，因此，本申请经研究，工艺方面主要主要是采取了低温加热、低温大压下粗轧和超低温卷曲等措施，进一步细化原始奥氏体晶粒尺寸和相变后的成品组织，改善厚度方向上的组织性能均匀性。

实现上述目的的措施：

厚度≥18.5mm的高韧性X80管线钢板卷，其化学成分及重量百分比为：C：0.025～0.055、Si：0.10～0.35、Mn：1.85～2.00、P：≤0.012、S≤0.0015、Cu：0.15～0.30、Cr：0.20～0.40、Ni：0.15～0.40、Mo：0.20～0.40、Nb：0.070～0.095、V：0.015~0.040、Ti：0.005～0.025、Al：0.015～0.045、N：≤0.008、Ca：0.0010～0.0040，余量为Fe及不可避免的夹杂；同时满足，Ca/S=1.0~3.0，焊接冷裂纹敏感性系数Pcm= C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Mo/15+Ni/60+V/10+5B≤0.23%；-20℃ KV₂≥300J，-15℃ DWTT SA≥85％；金相组织为：板条贝氏体+少量粒状贝氏体。

生产厚度≥18.5mm的高韧性X80管线钢板卷的方法，其步骤：

1）经冶炼并浇铸成坯后，对铸坯均匀加热至1100～1180℃；

2）进行粗轧，并控制粗轧结束温度在1000～1050℃，单道次压下率不低于12％，粗轧累计压下率不低于70%；

3）进行精轧，并控制精轧入口温度在930～980℃，累计压下率不低于60%；当轧制温度在900℃以下低温区轧制时，其累计压下率不低于40%；终轧温度在790～850℃；

4）进行水冷却，在冷却速率为10～20℃/s下冷却至200~400℃；

5）进行卷取，控制卷取温度在200~400℃；

6）空冷至室温。

本发明中各元素及主要工序的作用及取值限定的理由如下：

碳（C）含量为0.020～0.055％，加入一定量的碳，可以大幅提高钢的强度，但对特厚规格管线钢，为尽可能减少铸坯凝固过程中产生的中心碳偏析，改善钢坯洁净度，采用超低碳的成分设计，将碳含量限定为0.020～0.055％。如其含量低于0.02%则板卷的屈服强度大幅下降，需要大量添加Mo、Ni、Nb等合金进行弥补，而如碳含量高于0.055%则易引起铸坯心部的碳富集，导致低温落锤撕裂韧性难以达到技术条件要求。

硅（Si）含量为0.15～0.35％，主要起固溶强化作用，同时避免因添加过量硅导致钢的塑、韧性显著恶化。

锰（Mn）含量为1.85～2.00％，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0.070～0.095％，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，因此采用高铌的成分设计。

钒（V）含量为0.015~0.040％，添加适量的钒可以强化Nb的沉淀强化效果，在不影响板卷低温韧性的情况下显著提高钢的强度，但钒含量添加过少（低于0.01％），则强化效果不明显，高于0.04％则易引起低温冲击韧性明显下降。

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。

钼（Mo）含量为0.20～0.40％，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厚度方向的组织、性能均匀性，将Mo含量控制在较高水平。

镍（Ni）含量为0.15～0.40％，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0.20～0.40％，铬能有效提高钢的淬透性，并具有较强的固溶强化作用，且价格低廉，能够有效替代Mo、Ni等贵重合金元素，降低生产成本，此外，加入一定的铬还能改善钢的耐候、耐腐蚀性能。但过量的Cr对特厚规格管线钢的断裂韧性有显著的恶化影响，因此，将Cr含量控制在合理水平。

铜（Cu）的含量为0.15～0.30%，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0.015～0.045％，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一定量时，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。

钙（Ca）的含量为0.0010～0.0040％，在二次精炼过程中对钢进行钙处理，可以改善钢中的夹杂物形态，显著提高钢的横向冲击韧性。

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。

Ca/S=1.5~3.0，严格控制钢中的钙硫比，有利于对钢中夹杂物进行变性处理，改善钢的各项异性，同时防止Ca含量加入过高导致夹杂物含量升高。

焊接冷裂纹敏感性系数Pcm≤0.23％，以保证钢具有良好的焊接性能。

本发明与现有技术相比，不仅生产的钢板厚度大于18.4mm，而且厚度方向的组织、性能均匀，且钢板的力学性能为：屈服强度（R_t0.5）≥570MPa，抗拉强度（R_m）≥625MPa，屈强比（R_t0.5/R_m）≤0.90，延伸率（A_50mm）≥40％，-20℃ KV₂≥300J，-15℃ DWTT SA≥85％。能完全满足长输管道主干线在一、二类地区建设所需。

具体实施方式

下面对本发明予以详细描述：

表1为本发明各实施例及对比例的取值列表；

表2为本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表；

表3为本发明各实施例及对比例性能检测情况列表。

本发明各实施例按照以下步骤生产：

1）经冶炼并浇铸成坯后，对铸坯均匀加热至1100～1180℃；

2）进行粗轧，并控制粗轧结束温度在1000～1050℃，单道次压下率不低于12％，粗轧累计压下率不低于70%；

3）进行精轧，并控制精轧入口温度在930～980℃，累计压下率不低于60%；当轧制温度在900℃以下低温区轧制时，其累计压下率不低于40%；终轧温度在790～850℃；

4）进行水冷却，在冷却速率为10～20℃/s下冷却至200~400℃；

5）进行卷取，控制卷取温度在200~400℃；

6）空冷至室温。

表1 本发明各实施例及对比例的化学组分及重量百分含量

表2 本发明各实施例及对比例的主要工艺参数

表3 本发明各实施例及对比例的力学及耐候性能检测结果

通过表3数据可以看出：本发明通过成分和工艺的组合控制，可以实现厚度18.5mm以上X80级管线钢板卷的高强、塑、韧性匹配，而对比例由于成分或控轧控冷工艺的差异，强度、韧性难以达到18.5mm以上X80级管线钢的技术要求。

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 (5)

1.厚度≥18.5mm的高韧性X80管线钢板卷，其化学成分及重量百分比为：C：0.045、Si：0.11、Mn：1.96、P：0.009、S：0.0006、Cu：0.:24、Cr：0.21、Ni：0.16、Mo：0.25、Nb：0.071、V：0.032、Ti：0.024、N：≤0.008、Ca：0.0011，余量为Fe及不可避免的夹杂。

2.厚度≥18.5mm的高韧性X80管线钢板卷，其化学成分及重量百分比为：C：0.031、Si：0.35、Mn：2.0、P：0.012、S：0.0012、Cu：0.:26、Cr：0.40、Ni：0.24、Mo：0.35、Nb：0.08、V：0.015、Ti：0.009、N：≤0.008、Ca：0.0026，余量为Fe及不可避免的夹杂。

3.厚度≥18.5mm的高韧性X80管线钢板卷，其化学成分及重量百分比为：C：0.025、Si：0.28、Mn：1.93、P：0.006、S：0.0015、Cu：0.:30、Cr：0.29、Ni：0. 4、Mo：0.39、Nb：0.086、V：0.024、Ti：0.006、N：≤0.008、Ca：0.0024，余量为Fe及不可避免的夹杂。

4.厚度≥18.5mm的高韧性X80管线钢板卷，其化学成分及重量百分比为：C：0.028、Si：0.13、Mn：1.92、P：0.01、S：0.0012、Cu：0.:17、Cr：0.26、Ni：0. 27、Mo：0.28、Nb：0.083、V：0.03、Ti：0.013、N：≤0.008、Ca：0.0015，余量为Fe及不可避免的夹杂。

5.生产权利要求1至4中任一项所述的厚度≥18.5mm的高韧性X80管线钢板卷的方法，其步骤：

1）经冶炼并浇铸成坯后，对铸坯均匀加热至1100～1152℃；

2）进行粗轧，并控制粗轧结束温度在1000～1050℃，单道次压下率不低于12％，粗轧累计压下率不低于70%；

3）进行精轧，并控制精轧入口温度在930～980℃，累计压下率不低于60%；当轧制温度在900℃以下低温区轧制时，其累计压下率不低于40%；终轧温度在790～850℃；

4）进行水冷却，在冷却速率为10～20℃/s下冷却至200~400℃；

5）进行卷取，控制卷取温度在200~343℃；

6）空冷至室温。