CN105132833B - 一种经济型高强度海底管线钢及生产方法 - Google Patents
一种经济型高强度海底管线钢及生产方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种经济型高强度海底管线钢,其化学成分及wt%为:C:0.050~0.080%、Si:0.10~0.30%、Mn:0.80~1.30%、P:≤0.015%、S≤0.0015%、Cr:0.10~0.30%、Nb:0.015~0.040%、V:0.020~0.045%、Ti:0.010~0.025%、Al:0.010~0.050%、N:≤0.008%;生产步骤:连铸成坯后加热;粗轧;精轧;冷却;卷取;冷却至室温。本发明能够获得理想的贝氏体+超细晶多边形铁素体+少量弥散分布的MA组元的复相组织,板卷的屈服强度Rt0.5≥485MPa,抗拉强度Rm≥570MPa,屈强比Rt0.5/Rm≤0.90,延伸率A50mm≥30%,通卷强度波动≤30MPa。
Description
技术领域
本发明涉及一种管线用钢及生产方法,具体地属于一种经济型高强度海底管线钢及生产方法。
背景技术
随着陆地油气资源的逐步枯竭,新的资源开采向海洋、极地等地质条件恶劣的地区延伸。目前,已探明世界海洋石油资源占世界石油资源总量的34%,而海洋天然气的年产量也达到全球天然气年总产量的32%,全球已有100多个国家在进行海上石油勘探,其中一半以上对深海、超深海海域进行了石油勘探,因此,海洋油气开采用钢,尤其是深海、超深海海域用海底管用钢的开发和应用的重要性日益凸显。
海底管道运行过程中需要承受高的外部海水压力和内部输送压力,同时还需要承受海底低温洋流、涡激等给海底管道造成的频繁冲击,因此需要所采用的管线钢原材料具有高的均质稳定性、良好的抗压溃能力、高强度、优异的低温韧性、抗变形能力和疲劳性能。
近年来,随着钢铁行业产能严重过剩,高端同质化竞争日趋激烈,管线钢系列产品的盈利能力不断降低,为提升市场竞争力,实现规模化稳定生产,必须开发新的经济型生产工艺。
经检索:中国专利申请号为CN201110232809.3的文献,公开了“深海用≥25mm厚的管线钢及其生产方法”,其采用低C、高Mn,较高Nb、Mo,适量加Cu、Ni、Cr、V、Ti等合金元素的成分设计,结合中厚板TMCP工艺生产厚规格海底管线钢板的制造方法。该文献由于Mn、Nb含量高,并添加Ni、Cu等贵重合金元素,生产成本很高,且采用单张钢板轧制的生产方式,生产效率低。
中国专利申请号为CN201410092713.5的文献,公开了“一种经济型X70石油天然气管线钢及其生产方法”,其采用中低C、较高Mn,并添加Cr、Nb、V、Ti等合金元素的成分设计,结合中厚板TMCP工艺生产高强度X70管线钢的制造方法,该文献采用0.10%以上的碳含量设计,Mn含量亦较高(1.25~1.50%),不可避免的会形成较严重的中心偏析和带状组织,导致韧性不足,难以满足海底管线钢高洁净度、高均质化要求,且同上采用单张钢板轧制的生产方式,生产效率低。
中国专利申请号为CN201310001802的文献,公开了一种“经济型高韧性X70管线钢热轧板卷的制备方法”,其用低C、较高Mn、高Nb,适量添加Cr、Ti等合金元素的成分设计,结合热连轧控轧控冷工艺生产X70级管线钢的制造方法,该方法采用较高Mn、高Nb的成分设计,生产成本也较高;再精轧开轧温度高,轧后冷却速率低,使强度难以满足要求。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的强度、韧性不足、生产效率低、制造成本高的不足,提供一种在满足使用性能即屈服强度Rt0.5≥485MPa,抗拉强度Rm≥570MPa,屈强比Rt0.5/Rm≤0.90,延伸率A50mm≥30%,通卷强度波动≤30MPa的前提下,使生产成本较现有技术降低至少5%的经济型高强度海底管线钢及生产方法。
实现上述目的的措施:
一种经济型高强度海底管线钢,其化学成分及重量百分比为:C:0.050~0.080%、Si:0.10~0.30%、Mn:0.80~1.30%、P:≤0.015%、S≤0.0015%、Cr:0.10~0.30%、Nb:0.015~0.040%、V:0.020~0.045%、Ti:0.010~0.025%、Al:0.010~0.050%、N:≤0.008%,残余元素的重量百分比含量必须满足:As≤0.010,Sn≤0.02,Pb≤0.01,其余为Fe和不可避免的杂质。
一种经济型高强度海底管线钢的生产方法,其步骤:
1)常规冶炼并连铸成坯后,对铸坯加热,加热温度为1150~1200℃;
2)进行粗轧,控制粗轧结束温度在970~1030℃,粗轧累积压下率不低于70%,末两道次道次压下率不低于25%;
3)进行精轧,控制精轧温度在760~960℃,精轧累积压下率不低于70%,并采用恒加速轧制,加速度控制为0.0004~0.010m/s2;
4)进行冷却,控制冷却速率不低于70℃/s,终冷温度300~450℃;
5)进行卷取,控制卷取温度在200~350℃,并控制通卷卷取温度波动≤30℃;
6)自然冷却至室温,待用。
本发明中各元素的作用机理如下:
碳(C)含量为0.050~0.080%,碳是最经济的强化元素,加入一定量的碳,可以显著提高钢的强度,但对高钢级海底管线钢,为保证优异的断裂韧性和焊接性能,防止碳的中心偏析,将碳含量控制在0.080%以下。
硅(Si)含量为0.10~0.30%,硅在钢中主要起固溶强化作用,但对高钢级海底管线钢,为保证焊接热影响区的低温韧性,应严格控制钢中的硅含量,降低钢中硅酸盐夹杂含量,避免M-A组元的过量形成。
锰(Mn)含量为0.80~1.30%,加入一定量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,但是对高强度海底管线钢,过量的锰易形成中心偏聚,导致钢的成分、组织不均。
铌(Nb)含量为0.015~0.040%,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Nb属于贵重合金,提高Nb含量会显著增加合金成本,且在高强度管线钢中,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,因此,将铌的含量限定在较低水平。
钒(V)含量为0.020~0.045%,钒可以补充铌析出强化的不足,还可以在一定程度上改善钢的焊后韧性。但由于钒具有较强的沉淀强化和较弱的细晶强化作用,加入过量的钒易导致钢的韧脆转变温度提高,因此将钒的含量控制在较低的含量水平。
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。但超过0.025%的Ti易引起Ti的碳/氮化物的粗化和过度析出,导致低温韧性大幅降低。
铬(Cr)的含量为0.10~0.30%。铬是提高钢的淬透性元素,具有一定的固溶强化作用。此外,加入一定的铬还能改善钢的耐候、耐酸腐蚀性能。但加入过高的Cr易导致钢的淬透性过高,产生难以消除的淬硬组织,使钢的强度过高而韧性不足。
铝(Al)的含量为0.010~0.050%,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0.050%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。
磷(P)、硫(S)、氮(N)含量分别为:[%P]≤0.015,[%S]≤0.0015,[%N]≤0.0080。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,因此对高强度海底抗酸钢,应严格控制钢中的磷、硫、氮的含量。
其他残余元素含量控制:As≤0.010,Sn≤0.02,Pb≤0.01。As、Sn、Pb等低熔点有害残余元素的存在,显著降低钢的洁净度,严重影响高钢级海底管线钢的低温韧性和疲劳性能,因此,需严格控制钢中的As、Sn、Pb等有害残余元素的含量。
本发明将钢坯加热至1150~1200℃,以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。
将粗轧结束温度控制在970~1030℃,末两道次压下率不低于25%,累积压下率不低于70%,以通过动、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。
将精轧温度控制在760~960℃,精轧累积压下率不低于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相变形核;采用恒加速轧制,控制加速度在0.0004~0.010m/s2,以保持通卷温度均匀性。
之所以将冷却速率大于70℃/s,终冷温度300~450℃,以以细化相变组织。
之所以将卷取温度控制在200~350℃,并使通卷卷取温度波动≤30℃,以获得细小、均匀的成品组织。
本发明与现有技术相比,由于采用经济型的成分设计和优化的TMCP生产工艺,可以显著提高管线钢的强韧性匹配和组织性能均匀性,解决现有管线钢产品强度、低温性能不足、生产效率低、制造成本高等问题。试验寂静检验结果表明,通过组分及含量和生产工艺的控制,能够获得理想的贝氏体+超细晶多边形铁素体+少量弥散分布的MA组元的复相组织,可以实现高强度、优异的强、塑、韧和组织性能均匀性的良好匹配,板卷的屈服强度Rt0.5≥485MPa,抗拉强度Rm≥570MPa,屈强比Rt0.5/Rm≤0.90,延伸率A50mm≥30%,通卷强度波动≤30MPa。
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监测情况列表。
本发明各实施例按照以下步骤生产:
1)常规冶炼并连铸成坯后,对铸坯加热,加热温度为1150~1200℃;
2)进行粗轧,控制粗轧结束温度在970~1030℃,粗轧累积压下率不低于70%,末两道次道次压下率不低于25%;
3)进行精轧,控制精轧温度在760~960℃,精轧累积压下率不低于70%,并采用恒加速轧制,加速度控制为0.0004~0.010m/s2;
4)进行冷却,控制冷却速率不低于70℃/s,终冷温度300~450℃;
5)进行卷取,控制卷取温度在200~350℃,并控制通卷卷取温度波动≤30℃;
6)自然冷却至室温,待用。
需要说明的是各实施例的成分与工艺参数的取值并非对应关系。
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,可以实现高强度海底管线钢高强度、高塑性、优异低温韧性和组织性能均匀性(通卷强度波动小于30MPa)的良好匹配,而对比例2由于成分、控轧控冷工艺的差异,低温韧性达不到技术要求。根据统计,吨钢生产成本比现有钢板平均可降低幅度不低于5%。
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 (1)
1.一种经济型高强度海底管线钢,其化学成分及重量百分比为:C:0.061~0.080%、Si:0.26~0.30%、Mn:1.17~1.30%、P:≤0.015%、S≤0.0015%、Cr:0.10~0.30%、Nb:0.015~0.019%、V:0.021~0.045%、Ti:0.010~0.025%、Al:0.010~0.050%、N:≤0.008%,残余元素的重量百分比含量必须满足:As≤0.010,Sn≤0.02,Pb≤0.01,其余为Fe和不可避免的杂质;生产方法:
1)常规冶炼并连铸成坯后,对铸坯加热,加热温度为1150~1200℃;
2)进行粗轧,控制粗轧结束温度在970~1030℃,粗轧累积压下率不低于70%,末两道次道次压下率不低于25%;
3)进行精轧,控制精轧温度在932~960℃,精轧累积压下率不低于70%,并采用恒加速轧制,加速度控制为0.0004~0.010m/s2;
4)进行冷却,控制冷却速率不低于82.7℃/s,终冷温度300~450℃;
5)进行卷取,控制卷取温度在200~350℃,并控制通卷卷取温度波动≤30℃;
6)自然冷却至室温,待用。
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