CN104264070B - 一种薄规格x80管线钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一钟薄规格X80管线钢，其化学成分按重量百分比计为，C：0.05～0.08%，Si：0.10～0.30%，Mn：1.30～1.70%，P：≤0.010%，S：≤0.005%，Nb：0.020～0.060%，Ti：0.006～0.020%，Ni：0.10～0.30%，Cr：0.10～0.30%，Al：0.010～0.050%，余量为Fe及不可避免的杂质。该管线钢的制造工艺包括冶炼工艺和轧制工艺，其中轧制工艺为热连轧方式，依靠轧制过程中的温降规律，获得一种成分简单、具有优异低温性能、厚度为10～20mm的薄规格X80管线钢，其力学性能满足API？5L？X80标准要求。工艺具有流程简单、工艺稳定、工艺窗口大以及成本低廉的优点。

Description

一种薄规格X80管线钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及X80管线钢及其制造方法，具体涉及一种成分简单具有优异低温性能、厚度为10～20mm的X80管线钢及其制造方法。

背景技术

管道输送是石油天然气最合理的运输方式，具有高效、经济、安全、无污染等特点。为提高输送效率和降低管线运营费用，长距离管线输送需要管线钢管实现大管径和高强度。目前，管线钢管批量设计的最高强度级别为API5L标准中的X80级管线钢。通常生产X80管线钢采取TMCP轧制，即在奥氏体再结晶区轧制与奥氏体非再结晶区两阶段轧制，随后进行冷却控制。使用TMCP方法生产管线钢具有良好的强韧性匹配，主要组织为针状铁素体及少量铁素体混合组织，性能优异。随着弯管成型技术、焊接技术及安全性评价体系的完善，管线钢一方面要提升强度，另一方面也要降低成本，钢管壁厚也在逐渐减薄。考虑到地形地势的复杂性，如寒冷气候地区和永冻带，在钢管壁厚减薄的同时，更需要考虑其低温服役性能。

现有技术中，涉及具有低温韧性的X80管线钢或者薄规格的X80管线钢的生产方法，总结其合金设计主要是加入了大量的Ni、Mo、Nb、Cu等合金元素，成分复杂且成本也高，钢板轧制方法主要是通过TMCP后卷取或者回火处理。

如中国专利CN1487101A公开的一种低成本X80管线钢宽厚板及其生产方式，化学成分中加入了Ni、Mo、Nb、Cr，轧制采取了TMCP控制轧制，冷却工艺采取轧后超快冷+层流冷却联动工艺路线对钢板快速冷却，以30～40℃/s大冷却速度将钢板冷却到420～600℃。该方法中不仅化学成分复杂，而且采用轧后快速冷却工艺对高强度的薄规格X80管线钢的板形控制非常不利。

中国专利CN1487101A公开了一种提高现有针状铁素体管线钢强度的方法：通过在TMCP轧制后增加回火热处理，获得了8mm厚X80钢级的管线钢板，其-40℃低温冲击韧性优异。然而，实践中发现该管线钢的板形问题突出，组织性能不均匀，钢材性能波动较大，此外，由于增加了后续一道回火处理，回火处理时间为1～10h，增加了生产成本。

现有技术中对于X80管线钢的生产大都涉及TMCP两阶段轧制工艺，特别在生产厚度为20mm以下的X80钢板，在现场实施存在如下弊端：终轧温度往往低于800℃，增加了轧辊的负荷，也增加了奥氏体非再结晶区轧制（精轧）过程中的板形精度控制难度；另外,较低的终轧温度使得钢板在加速冷却阶段的开始冷却温度也随之下降，加大了冷却阶段在同一钢板各处出现温度差的机率，导致板形进一步恶化，板形恶化会造成整块钢板组织性能不均匀，继而引发焊接、扩径过程中的一系列问题。总之，TMCP两阶段轧制薄规格钢板会使钢板具有较低的终轧温度和开始冷却温度，出现板形问题的机率较大，整板性能不均匀，增加了生产控制难度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种成分简单、厚度为10～20mm的薄规格X80管线钢，该管线钢的屈服强度、抗拉强度、延伸率以及屈强比不仅达到了API5L标准中的X80管线钢要求，而且其-60℃低温性能优异，具有成本低廉、性能优异的优点。

本发明所要解决的另一技术问题是提供一种生产上述薄规格X80管线钢的制造方法。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种薄规格X80管线钢，该管线钢化学成分按重量百分比计为，C：0.05～0.08%，Si：0.10～0.30%，Mn：1.30～1.70%，P：≤0.010%，S：≤0.005%，Nb：0.020～0.060%，Ti：0.006～0.020%，Ni：0.10～0.30%，Cr：0.10～0.30%，Al：0.010～0.050%，余量为Fe及不可避免的杂质。

进一步地，所述管线钢的厚度为10～20mm，屈服强度为580～670MPa，抗拉强度为660～750MPa，延伸率为31～36%，屈强比Rt0.2/Rm≤0.90，-40℃夏比冲击功＞190J，-60℃夏比冲击功＞180J，-40℃和-60℃纤维断面率＞95%，-40℃落锤剪切面积为100%，-60℃落锤剪切面积＞85%。

本发明薄规格X80管线钢的化学成分是这样确定的:

C：碳是影响低合金高强度管线钢力学性能的主要元素，当碳含量低于0.05%则强度低，含量高于0.08%时，则易使最终组织中出现粒状贝氏体，提高韧脆转变温度，也易导致钢板连铸过程中的中心偏析，恶化钢板1/2厚的组织，甚至引起钢板焊接后低温韧性的下降，本发明规定C含量为0.05～0.09%。

Si：是炼钢脱氧的必要元素，也具有一定的固溶强化作用，在本发明中将硅限定在0.10～0.30%的范围内。

Mn：是推迟奥氏体向铁素体转变的元素，对薄规格钢板轧制来说，可以加大终轧温度窗口，细化铁素体，提高强度和韧性。当锰的含量低于1.30%时，上述作用不显著，当锰的含量高于1.70%时，易形成严重的带状偏析和带状珠光体组织。因此，锰含量应控制在1.30～1.70%的范围内。

Nb：在相转变过程中起着溶质拖曳作用和Nb(C,N)对奥氏体晶界的钉扎作用，抑制形变奥氏体的再结晶，薄规格X80钢板轧制过程中提高非再结晶区的温度，减小部分再结晶区间，有利于热连轧工艺的轧制，细化铁素体晶粒。但过高的铌会提高管线钢的生产成本，也会促进连铸坯产生表面裂纹，本发明中铌含量为0.020～0.060%。

Ti：是固氮元素，在适当条件下，钛/氮形成氮化钛以阻止钢坯在加热、轧制、焊接过程中晶粒长大，改善母材和焊接热影响区的韧性。钛低于0.006%时，固氮效果差，超过0.030%时，固氮效果达到饱和，过剩的钛会使钢的韧性恶化。当钢中的Ti、N原子之比为1：1时，相于Ti、N重量之比为3.42，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。结合氮含量，本发明中钛含量控制在0.006%～0.020%。

Cr：是提高钢淬透性的元素，能够抑制多边形铁素体和珠光体的形成，促进低温组织贝氏体或马氏体的转变，提高钢的强度，而代替Mo元素的加入，降低成本，但Cr含量过高将影响钢的韧性。本发明中铬含量控制在0.10～0.30%。

Ni：是一种能显著提高低温韧性的元素，但由于镍的价格偏高，不宜多加。因此，本发明中镍含量控制在0.10～0.30%。

Al：是炼钢过程中重要的脱氧元素，即使在钢水中加入微量的铝，也可以有效减少钢中的夹杂物含量，并细化晶粒，但过多的铝会促进夹杂物的形成以及使连铸坯产生表面裂纹，降低连铸工艺性能，因此，本发明中铝含量控制在0.010～0.050%。

S、P：为钢中的杂质元素，易形成偏析、夹杂等缺陷，给钢板的韧性以及热加工性带来不利的影响，应尽量减少其含量。本发明控制P≤0.01%，S≤0.005%。

本发明解决另一技术问题的技术方案为，一种制造上述薄规格X80管线钢的方法，工艺如下：将冶炼原料依次经KR铁水预处理、转炉冶炼、LF精炼、RH真空脱气，之后连铸出厚度为150～180mm的连铸坯；将连铸坯加热至1180～1250℃，然后进行轧制：开轧温度为950～1050℃，终轧温度为810～840℃，轧制总道次数为9～12道次，前3道次轧制的单道次压下率为20～30%，轧制速度为1.0～2.0m/s，之后减小压下率和轧制速度，至末3道次轧制再提高单道次压下率为18～25%，轧制速度为5.0～7.0m/s；轧制完成后进行层流冷却，冷却速率为10～15℃/s，终冷温度为470～550℃，最后空冷。

上述热连轧工艺中前3道次采用低速大压下轧制，该压下率有利于提高奥氏体再结晶的存储能，而较低的轧制速度有利于提供奥氏体再结晶的孕育期，进而提高奥氏体再结晶的形成数量，减小再结晶奥低体晶粒平均尺寸，同时有利于改善连铸坯带来的中心偏析。末3道次再次提高压下率与轧制速度有利于提高钢板的变形量与薄板的剪切应力，有效增加奥氏体末再结晶能量积累，增加奥氏体向铁素体转变的形核能，增强奥氏体的不稳定性，从而在随后的冷却过程中增加新相的形核点与形核数量，细化晶粒，优化管线钢的组织结构，达到预定的性能指标。

本发明具有如下特点：

1、本发明中的主要合金系为Mn-Cr-Ni-Nb，充分利用廉价合金Mn、Cr的作用，增加管线钢的淬透性，取代了昂贵Mo的加入，成分简单，成本较低。通过Mn-Cr-Ni-Nb的合理复合添加，易于实现高强度薄规格的X80管线钢板的制造。

2、本发明的制造工艺摒弃了传统X80管线钢TMCP两阶段控制轧制方式，避免了轧制两阶段之间的待温过程，节省了时间成本，加快了生产节奏。作为代替，本发明采用热连轧方式配合控制轧制道次数和不同阶段单道次压下率以及轧制速率，依靠轧制过程中的温降规律，使获得的薄规格X80管线钢满足API5L标准中的X80管线钢要求外还提高了管线钢的低温性能。

3、本发明X80管线钢的制造方法流程简单，生产工艺稳定，生产工艺窗口大，与传统的TMCP轧制方式相比，采用基于温降规律的热连轧工艺获得的钢板的板形得到了很好的改善。且生产成本更低，便于实现批量生产。

与现有技术相比，本发明的优点在于：通过简单而合理的成分设计，采用热连轧方式代替传统X80管线钢TMCP两阶段控轧方式，配合设置轧制道次数和不同阶段单道次压下量及轧制速率，依靠轧制过程中的温降规律，获得一种具有优异低温性能、厚度为10～20mm的薄规格X80管线钢，-40℃夏比冲击功＞190J，-60℃夏比冲击功＞180J，-40℃和-60℃纤维断面率＞95%，-40℃落锤剪切面积为100%，-60℃落锤剪切面积＞85%，厚度规格范围介于，具体力学性能满足API5LX80标准要求。该制造工艺具有流程简单、工艺稳定、工艺窗口大以及制造成本低廉的优点。

附图说明

图1为本发明实施例1中管线钢1/4厚度处的组织结构图。

图2为本发明实施例4中管线钢1/4厚度处的组织结构图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

薄规格X80管线钢的制造工艺为，将冶炼原料依次经KR铁水预处理、转炉冶炼、LF精炼以及RH真空脱气，尽可能降低有害元素O、N、H、S、P含量，其中O含量控制在5～15ppm，N含量控制在0.035～0.040%，H含量控制在1ppm以下，之后由连铸机连铸出厚度为150～180mm的连铸坯，连铸坯以铁为基质，其余主要化学成分见表1。

表1本发明各实施例中其余主要化学成分（wt%）

在轧机上采用热连轧工艺：轧前将连铸坯加热至1180℃～1250℃，开轧温度介于950～1050℃，轧制结束温度介于810～840℃；轧后不卷取，采用层流冷却，终冷温度470～550℃，冷却速率10～15℃/s；最后空冷。

总轧制道次数为9～12道次，轧制前3道次采取低速大压下进行轧制，单道次压下率介于20～30%，轧制速度为1.0～2.0m/s，之后减小压下率和轧制速度，终轧末3道次再次提高压下率至18～25%，提高轧制速度至5.0～7.0m/s。具体工艺参数如表2。

表2本发明各实施例的热轧工艺参数

按照上述各实施例的成分设计及制造方法获得的管线钢的拉伸力学性能如表3所示。

表3本发明各实施例的拉伸性能

按照上述各实施例的成分设计及制造方法获得的管线钢的低温冲击性能如表4所示。

表4本发明各实施例的低温冲击性能

按照上述各实施例的成分设计及制造方法获得的管线钢的低温落锤性能如表5所示。

表5本发明各实施例的低温落锤性能

可以看出，按照本发明各实施例拉伸性能中的屈服强度、抗拉强度、延伸率以及屈强比达到API5L标准中X80要求，屈服强度介于580～670MPa，抗拉强度介于660～750MPa，延伸率优异为31～36%，屈强比≤0.90。同时具有优异的低温性能，-40℃夏比冲击功＞190J，-60℃夏比冲击功＞180J，-40℃和-60℃纤维断面率＞95%，-40℃落锤剪切面积为100%，-60℃落锤剪切面积＞85%。

上述各实施例所获得管线钢的组织主要由针状铁素体和少量的二类软硬相组成。实施例1中管线钢沿厚度方向1/4处的典型组织如图1所示，组织由针状铁素体，以及少量先共析铁素体、珠光体组成，晶粒组织细小均匀，珠光体未连成条带状，而是沿针状铁素体及先共析铁素体晶界处弥散分布，这种软硬组织有利于在保证钢材强度的前提下获得优良的低温韧性，使得强韧性达到良好匹配。实施例4中管线钢沿厚度方向1/4处的组织如图2所示，组织由针状铁素体、板条贝氏体为主以及少量先共析铁素体组成，单纯针状铁素体+板条贝氏体组织具有良好的强度，但是屈强比过高，而实施例4中少量先共析铁素体（软相）的存在，恰好弥补了单纯针状铁素体+板条贝氏体组织高屈强比的劣势，有利于提高延伸率和钢材的成型性。

上述各方案中采用热连轧工艺确保了终轧温度在800℃以上，在保证钢材力学性能和低温性能的前提下使管线钢的板形得到显著改善，且与传统TMCP工艺或TMCP+回火工艺相比，缩短了生产流程，且方便控制，极大地提高了生产效率。

Claims (2)

1.一种薄规格X80管线钢的制造方法，其特征在于：该管线钢化学成分按重量百分比计为，C：0.05～0.08%，Si：0.10～0.30%，Mn：1.30～1.70%，P：≤0.010%，S：≤0.005%，Nb：0.020～0.060%，Ti：0.006～0.020%，Ni：0.10～0.30%，Cr：0.10～0.30%，Al：0.010～0.050%，余量为Fe及不可避免的杂质；

工艺如下：将冶炼原料依次经KR铁水预处理、转炉冶炼、LF精炼、RH真空脱气，之后连铸出厚度为150～180mm的连铸坯；将连铸坯加热至1180～1250℃，然后进行轧制：开轧温度为950～1050℃，终轧温度为810～840℃，轧制总道次数为9～12道次，前3道次轧制的单道次压下率为20～30%，轧制速度为1.0～2.0m/s，之后减小压下率和轧制速度，至末3道次轧制再提高单道次压下率为18～25%，轧制速度为5.0～7.0m/s；轧制完成后进行层流冷却，冷却速率为10～15℃/s，终冷温度为470～550℃，最后空冷。

2.根据权利要求1所述的薄规格X80管线钢的制造方法，其特征在于：所述管线钢的厚度为10～20mm，屈服强度为580～670MPa，抗拉强度为660～750MPa，延伸率为31～36%，屈强比Rt0.2/Rm≤0.90，-40℃夏比冲击功＞190J，-60℃夏比冲击功＞180J，-40℃和-60℃纤维断面率＞95%，-40℃落锤剪切面积为100%，-60℃落锤剪切面积＞85%。