CN105441799A - 低温环境用高强韧低屈强比调质钢板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低温环境用高强韧低屈强比调质钢板，它的化学成分重量百分比为：C：0.045-0.068％；Si：0.13-0.25％；Mn：1.55-1.74％；P≤0.020％；S≤0.0015％；Cr：0.25-0.33％；Cu：0.14-0.21％；Ni：0.18-0.25％；Nb：0.035-0.044％；V：0.033-0.049％；Ti：0.010-0.016％；其它为Fe及不可避免的杂质。本发明还公开了一种低温环境用高强韧低屈强比调质钢板的制备方法。本发明中的钢板在低C高Mn体系的基础上，通过添加了适量的Cu、Cr、Ni等合金元素，采用Nb、V、Ti进行了微合金化。通过优化热轧轧制过程中道次压下规程和离线热处理制度，最终获得具有优良低温环境强韧性和低屈强比的直缝焊管用调质型管线钢。

Description

低温环境用高强韧低屈强比调质钢板及其制备方法

技术领域

本发明涉及化工技术领域，具体地指是一种低温环境用高强韧低屈强比调质钢板及其制备方法。

背景技术

石油、天然气是国民经济发展的重要能源，在能源消费中的比重日益增加。当前管道输送依然是石油、天然气最为经济、安全、高效的长距离输送方式。随着油气资源勘探开发向包括极地在内的高纬度、高寒带地区逐步推进，低温环境中长距离输送管道用钢的开发成为热点。

低温环境中长距离输送管线在承压状态下穿行于地质构造复杂、气候条件低寒的季节型或常年型冻土层。冻土层指零摄氏度以下的含有冰的各种岩石和土壤，其强度性能对温度极为敏感。

为避免冻土层由温度变化诱发的冻胀和融沉，保证冻土层敷设管道的运输安全性，要求该区域使用的管线钢具有低的屈强比以获得充足的形变裕度。针对冻土层管道高压输送迫切需要，开发具有高强度、高韧性、低屈强比和良好焊接性能的管线钢对于满足工程需要具有重要意义。

长期以来，天然气输送管道的设计标准主要遵循基于应力的设计准则，即要求保证管道所受载荷产生的应力小于管材的屈服应力乘以设计系数。该设计方法保证管道的实际承载能力处于安全合理的范围，为常规管道设计工作提供了较好的安全保障。

随着易开采油气资源的逐渐枯竭，勘探开发已开始向包括极地在内的高纬度、高寒带地区逐步推进。低温环境中长距离输送管线在承压状态下穿行于地质构造复杂的冻土层，由于温度变化引发的冻土层强度变化有可能引起管道形状变化。按照基于应力的设计准则，该情况发生时管道承受压力不超过设计要求，但是管道的异常形变则有可能导致强度时效，诱发安全事故。因此，为保证含冻土层区域敷设管道的运输安全性，要求管线钢必须在具有优异强韧性的基础上同时具有低的屈强比，从而保证管道具有充足的形变裕度。

常规的高强度管线钢均采用TMCP技术生产，即采用两阶段控轧技术进行轧制，并通过冷却速度控制获得设计的组织。该方法通过提高冷速可以获得细化的相变组织，且保留了轧制过程中产生的高位错密度，较容易获得高强度性能的管线钢。但是该方法生产的管线钢屈强比较高，且随着强度的升高屈强比也呈现增加趋势。高的屈强比意味着钢在屈服点以上进行塑性变形的能力弱化，不适合基于应变设计准则的要求。

经检索，申请号为CN201110150172、CN20110328126、CN201310183600、CN20130733707、CN201410665149涉及的调质管线钢板采用Ni+Mo或Ni+Mo+B体系，生产成本较高。上述专利涉及的钢板均采用中厚板或宽厚板轧机单张生产，其生产效率较低，且钢板厚度精度控制水平较低。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种低温环境用高强韧低屈强比调质钢板及其制备方法，本发明采用合理的成分设计和制造技术，研制出的钢板具有优良的低温强韧性和低屈强比性能。

为实现上述目的，本发明提供的低温环境用高强韧低屈强比调质钢板，其特征在于：它的化学成分重量百分比为：C：0.045-0.068％；Si：0.13-0.25％；Mn：1.55-1.74％；P≤0.020％；S≤0.0015％；Cr：0.25-0.33％；Cu：0.14-0.21％；Ni：0.18-0.25％；Nb：0.035-0.044％；V：0.033-0.049％；Ti：0.010-0.016％；其它为Fe及不可避免的杂质。

作为优选方案，本发明提供的低温环境用高强韧低屈强比调质钢板，其特征在于：它的化学成分重量百分比为：C：0.052％；Si：0.18％；Mn：1.65％；P：0.019％；S：0.0013％；Cr：0.28％；Cu：0.18％；Ni：0.22％；Nb：0.042％；V：0.038％；Ti：0.015％；其它为Fe及不可避免的杂质。

本发明还提供一种制备上述的低温环境用高强韧低屈强比调质钢板的方法，其特征在于：该方法的关键工艺参数控制如下：

(1)板坯再加热温度为1160-1190℃，粗轧终轧温度为1010-1030℃，粗轧阶段累压下率≥80％，精轧终轧温度为850-880℃，钢卷冷却方式为空冷；

(2)热轧钢卷经开平成热轧钢板，其采用淬火和中温回火工艺获得调质型钢板；

(3)淬火温度为880-910℃，淬火保温时间1.5-1.8min/mm×t，回火温度为505-545℃，回火保温时间1.5-1.8min/mm×t；所述t为板厚，单位mm；

(4)调质钢板的组织类型为回火贝氏体+准多边形铁素体+M/A岛；

(5)采用上述成分与工艺生产的低温环境用高强韧低屈强比调质钢板力学性能为：调质钢板的屈服强度≥450MPa，抗拉强度≥550MPa，屈强比≤0.85，-40℃冲击功KV2≥320J，-20℃落锤撕裂韧性SA≥90％。

进一步地，所述(1)中板坯再加热温度为1165℃，粗轧终轧温度为1020℃，粗轧阶段累压下率84％，精轧终轧温度为880℃，钢卷冷却方式为空冷；

所述(2)中热轧钢卷经开平成热轧钢板，其采用淬火和中温回火工艺获得调质型钢板；

所述(3)中淬火温度为885℃，淬火保温时间1.5-1.8min/mm×t，回火温度为520℃，回火保温时间1.5-1.8min/mm×t；所述t为板厚，单位mm。

本发明为保障低温环境用高强韧低屈强比调质钢板的性能达到发明目的，在化学成分设计过程中重点考虑如下因素：强度性能、低温韧性和对组织类型的影响。下面根据这三方面的因素详述本发明中各元素的作用及限定量的理由：

碳C：C为最基本、最经济的强化元素，通过固溶强化和析出强化有效地提高钢的强度。C含量过低时对钢的强度作用不明显，含量太高时则会降低钢的塑性、韧性和可焊接性，并且会加重钢中的带状组织级别。本发明中C的含量控制为0.040-0.070％(重量百分数，以下各元素相同)。

硅Si：Si主要以固溶强化形式提高钢的强度，同时也是钢中的脱氧元素，但含量过低时强化效果不明显，含量过高时又对钢的韧性不利。本发明中Si的含量控制为0.12-0.27％。

锰Mn：Mn是钢中重要的固溶强化元素，可以扩大奥氏体相变区，有利于获得细小的低温相变产物，提高钢的低温韧性。本发明中Mn的含量控制为1.53-1.74％。

铬Cr：Cr能有效地提高钢的淬透性和强度，抑制低强度的多边形铁素体和珠光体产生，促进组织的中温转变。多次试验发现Cr含量超过0.33％后，引起钢的冲击韧性明显下降。因此，本发明中Cr含量控制在0.23-0.33％。

铜Cu、镍Ni：铜的加入可以通过固溶强化的方式提高合金钢的强度和耐腐蚀性，同时增加钢的淬透性。为了避免由于铜的偏聚引起的热脆现象，加入相应比例的Ni来减小Cu的偏聚，并进一步提高钢的淬透性。因此，本发明中Cu0.14-0.21％；Ni0.17-0.25％。

铌Nb：Nb具有强烈的晶粒细化作用，通过在奥氏体晶界附近富集产生溶质拖曳效应，阻碍奥氏体晶粒的长大进程。通过再结晶阶段的充分形变，可以获得细小均匀的奥氏体，从而有利于调质后相变组织的细化和均匀化。同时Nb元素具有一定程度的析出强化作用，有利于提高钢的强度水平和改善屈强比。本发明中Nb含量控制为0.035-0.045％。

钒V、钛Ti：V和Ti都是重要的微合金元素。V在钢中可补充Nb析出强化的不足，改善调质钢的屈强比水平。Ti在冶炼过程中形成TiN，避免游离N原子减弱钢的韧性。同时，TiN颗粒可以阻碍奥氏体晶粒在加热过程中的粗化，从而细化钢的相变产物，改善钢及其热影响区的韧性。另外添加适量的Ti还有助于促进Nb发挥固溶强化效果。本发明中V含量控制为0.03-0.05％，Ti含量控制为0.010-0.016％。

磷P、硫S：P会降低钢的低温韧性，恶化焊接性能，并且P容易在钢中偏析，促进带状组织的产生。S容易与Mn形成长条状MnS夹杂，影响钢的低温韧性和耐腐蚀特性。因此，本发明应尽量减少P、S的含量以减少其对钢的不利影响，P的含量控制为P≤0.020％，S的含量控制为S≤0.0015％。

本发明的优点如下：本发明中的钢板在低C高Mn体系的基础上，通过添加了适量的Cu、Cr、Ni等合金元素，采用Nb、V、Ti进行了微合金化。通过优化热轧轧制过程中道次压下规程和离线热处理制度，最终获得具有优良低温环境强韧性和低屈强比的直缝焊管用调质型管线钢。

本发明采用控制轧制-卷板开平-离线调质的生产工艺路线，在控制轧制阶段充分利用再结晶实现奥氏体晶粒的细化和均匀化，进而促使淬火和回火阶段相变产物的细小和多取向分布，提高调质钢的强韧性和各向异性。通过优化调质工艺，添加一定量的淬透性元素可以获得细小弥散的硬相MA组织，在回火阶段该组织不会消失，且淬火组织中的碳化物形态发生改变，综合改善了钢的强韧性和屈强比。同时，微合金元素的大量弥散析出在提高钢强度的同时，可以有效改善钢的屈强比，且不会引起其低温韧性的恶化。

本发明涉及的管线钢板力学性能为：屈服强度≥450MPa，抗拉强度≥550MPa，屈强比≤0.85，-40℃冲击功KV2≥320J，-20℃落锤撕裂韧性SA≥90％。本发明涉及的管线钢板的组织类型为回火贝氏体+准多边形铁素体+M/A岛。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

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力学性能检测情况列表；

本发明各实施例按照以下步骤生产：

(1)板坯再加热温度为1160-1190℃，粗轧终轧温度为1010-1030℃，粗轧阶段累压下率≥80％，精轧终轧温度为850-880℃，钢卷冷却方式为空冷。

(2)热轧钢卷经开平成热轧钢板，其采用淬火和中温回火工艺获得调质型钢板。

(3)淬火温度为880-910℃，淬火保温时间1.5-1.8min/mm×t(t为板厚，单位mm，下同)，回火温度为505-545℃，回火保温时间1.5-1.8min/mm×t。

表1本发明各实施例与对比钢化学成分(wt％)

表2本发明实施例与对比例的主要工艺过程

表3本发明各实施例及对比例力学性能列表

从表3数据可知，本发明实施例的力学性能性能均优于对比例。

本发明涉及的管线钢板力学性能为：屈服强度≥450MPa，抗拉强度≥550MPa，屈强比≤0.85，-40℃冲击功KV2≥320J，-20℃落锤撕裂韧性SA≥90％。

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。除上述实施例外，本发明还有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种低温环境用高强韧低屈强比调质钢板，其特征在于：它的化学成分重量百分比为：C：0.045-0.068％；Si：0.13-0.25％；Mn：1.55-1.74％；P≤0.020％；S≤0.0015％；Cr：0.25-0.33％；Cu：0.14-0.21％；Ni：0.18-0.25％；Nb：0.035-0.044％；V：0.033-0.049％；Ti：0.010-0.016％；其它为Fe及不可避免的杂质。

2.一种低温环境用高强韧低屈强比调质钢板，其特征在于：它的化学成分重量百分比为：C：0.052％；Si：0.18％；Mn：1.65％；P：0.019％；S：0.0013％；Cr：0.28％；Cu：0.18％；Ni：0.22％；Nb：0.042％；V：0.038％；Ti：0.015％；其它为Fe及不可避免的杂质。

3.一种制备如权利要求1或2所述的低温环境用高强韧低屈强比调质钢板的方法，其特征在于：该方法的关键工艺参数控制如下：

(1)板坯再加热温度为1160-1190℃，粗轧终轧温度为1010-1030℃，粗轧阶段累压下率≥80％，精轧终轧温度为850-880℃，钢卷冷却方式为空冷；

(2)热轧钢卷经开平成热轧钢板，其采用淬火和中温回火工艺获得调质型钢板；

(3)淬火温度为880-910℃，淬火保温时间1.5-1.8min/mm×t，回火温度为505-545℃，回火保温时间1.5-1.8min/mm×t；所述t为板厚，单位mm；

(4)调质钢板的组织类型为回火贝氏体+准多边形铁素体+M/A岛；

(5)采用上述成分与工艺生产的低温环境用高强韧低屈强比调质钢板力学性能为：调质钢板的屈服强度≥450MPa，抗拉强度≥550MPa，屈强比≤0.85，-40℃冲击功KV2≥320J，-20℃落锤撕裂韧性SA≥90％。

4.根据权利要求3所述的低温环境用高强韧低屈强比调质钢板的方法，其特征在于：

所述(1)中板坯再加热温度为1165℃，粗轧终轧温度为1020℃，粗轧阶段累压下率84％，精轧终轧温度为880℃，钢卷冷却方式为空冷；

所述(2)中热轧钢卷经开平成热轧钢板，其采用淬火和中温回火工艺获得调质型钢板；

所述(3)中淬火温度为885℃，淬火保温时间1.5-1.8min/mm×t，回火温度为520℃，回火保温时间1.5-1.8min/mm×t；所述t为板厚，单位mm。