CN106480374A

CN106480374A - 一种耐寒管线用高韧性低屈强比热轧厚板及其生产方法

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Publication number: CN106480374A
Application number: CN201510549157.4A
Authority: CN
Inventors: 张帅; 任毅; 王爽; 刘文月; 高红
Original assignee: Angang Steel Co Ltd
Current assignee: Angang Steel Co Ltd
Priority date: 2015-08-31
Filing date: 2015-08-31
Publication date: 2017-03-08
Anticipated expiration: 2035-08-31
Also published as: CN106480374B

Abstract

本发明提供了一种耐寒管线用高韧性低屈强比热轧厚板及其生产方法，该钢板的成分按重量百分比计如下：C：0.045％～0.070％、Si：0.26％～0.39％、Mn：1.35％～1.55％、Nb：0.01％～0.03％、Ti：0.011％～0.019％、Cr：0.18％～0.28％、Ni：0～0.10％、Cu：0～0.14％、(Cr+Ni+Cu)：0.25％～0.44％、Als：0.020％～0.045％、N：0.0020％～0.0045％、P≤0.010％、S≤0.001％、H≤0.00015％、O≤0.0020％、Ti/N：3.42～5.71，余量为铁和不可避免的杂质；CE_IIW控制在0.355％～0.385％，CE_Pcm控制在0.155％～0.175％，生产方法，包括铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼、铸坯再加热、连铸、轧制、弛豫、冷却。本发明提供了适用于作为制造低温地区大厚壁耐寒管线钢管的原料，综合性能优异。

Description

一种耐寒管线用高韧性低屈强比热轧厚板及其生产方法

技术领域

本发明属于低碳低合金钢领域，尤其涉及一种油气输送用厚度≥28mm、屈服强度级别440MPa的耐寒管线用高韧性低屈强比热轧厚板及其生产方法。

背景技术

随着油气输送管道服役环境的不断恶化及输送压力的增大，对管道的性能质量要求不断提高。近年来，油气管道项目不断向高寒带、冻土带、地震带等环境恶劣地区发展，如俄罗斯、加拿大、阿拉斯加等。这些地区管线服役温度低，易发生塑性变形，要求管线具有良好的低温韧性和抗塑变性能。

低温高寒地区管线钢板的技术要求严格，其横、纵向屈服强度≥440MPa，横向抗拉强度550-650MPa，纵向抗拉强度525-650MPa，屈强比≤0.82，比例延伸率A(δ5)≥23％，-60℃下V型缺口夏比冲击功≥190J，-20℃下DWTT韧性剪切面积≥85％，严格且相互制约的强度、塑性、韧性要求是制造该类产品的难点。

目前，国内外对耐寒及厚规格管线钢板有一些研究，经检索发现了部分有关的专利和文献。但其所记载的内容与本发明的技术方案及所述产品性能等方面存在明显差异。

《K56级低合金管线钢板的制备方法》(RU2465343C1)公开了一种K56管线钢板，其成分中(重量百分比)C：0.05％～0.08％、Ni：0.10％～0.30％、Cu：0.10％～0.25％、Ti：0.015％-0.025％；钢板厚度不超过17mm，Ni、Cu等贵重合金含量较多，屈强比较高，与本发明有明显差异。

《K52-K60级低合金管线钢生产方法》(RU2458751C1)公开的管线钢采用高C：0.08％～0.11％、含V(不低于0.04％)成分，厚度22mm以下，低温韧性不高，未涉及DWTT性能。

《一种K55级高频电阻焊石油套管钢及其制造方法》(CN102828121A)，该发明成分上采用高C、高Nb、含V设计且韧性不高(-10℃冲击值仅100J左右)，未涉及落锤性能，不能满足高寒低温地区管线的性能要求。

《一种厚壁高DWTT性能X65-X70海底管线钢及制造方法》(CN103834874A)，该发明X65-X70海底管线钢成分为(重量百分比)C：0.03％～0.05％、Mn：1.47％～1.70％、Ni：0.36％～0.45％、Cu：0.12％～0.20％，同样加入较多Ni等合金元素来保证性能，与本发明不同。

《高变形性能的管线钢板带及其制造方法》(JP2006291349A)，该发明管线钢板带采用高Mn、Ni、Mo，含V、Cu等合金元素的成分设计，钢板厚度不超过20mm，与本发明明显不同。

文献《俄罗斯大口径油气输送管生产及对我国的启示》、《俄罗斯大直径管线钢管生产现状》、《俄罗斯管线钢管制造技术》文中涉及的成分和生产工艺与本发明均有差异。

综上所述，现有技术对耐寒管线用高韧性低屈强比热轧厚板的研究尚有不足。

发明内容

本发明的目的在于克服上述问题和不足而提供一种适于低温寒地使用的厚度≥28mm、屈服强度级别440MPa的耐寒管线用高韧性低屈强比热轧厚板及其生产方法，可用于制作低温地区油气输送用管线。

本发明目的是这样实现的：

本发明所述耐寒管线用高韧性低屈强比热轧厚板的厚度≥28mm；成分设计以C、Mn为基础，重点利用Cr、Si元素部分或全部替代贵重的Mo、Ni、Cu、V等元素，配以高质量连铸、轧制大压下、轧后弛豫、均匀加速冷却的生产工艺提高钢板性能。

一种耐寒管线用高韧性低屈强比热轧厚板，该钢板的成分按重量百分比计如下：C：0.045％～0.070％、Si：0.26％～0.39％、Mn：1.35％～1.55％、Nb：0.01％～0.03％、Ti：0.011％～0.019％、Cr：0.18％～0.28％、Ni：0～0.10％、Cu：0～0.14％、(Cr+Ni+Cu)：0.25％～0.44％、Als：0.020％～0.045％、N：0.0020％～0.0045％、P≤0.010％、S≤0.001％、H≤0.00015％、O≤0.0020％、Ti/N：3.42～5.71，余量为铁和不可避免的杂质；CE_IIW控制在0.355％～0.385％，CE_Pcm控制在0.155％～0.175％，

其中，CE_IIW＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V+Nb+Ti)/5+(Ni+Cu)/15；

CE_Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B。

钢板最终微观组织为多边形铁素体+贝氏体的复合组织，平均晶粒尺寸不超过13μm，其中，多边形铁素体体积百分比在8％～45％。

本发明成分设计理由如下：

C是钢中最基本、最有效的强化元素，能够形成间隙固溶体，还可以与合金元素作用形成碳化物，提高强度，影响钢中微观组织的构成，因此，碳含量不宜过低；但是，碳含量的增加对材料韧性不利，所以，碳含量也不能过高，本发明认为碳控制在0.045％～0.070％较为适宜。

Si有固溶强化作用，增大淬透性，对提高抗拉强度和厚规格钢板的冷却均匀性有益；同时，Si能够缩小奥氏体相区，便于有效控制组织中铁素体比例；但其含量过高会使钢的塑性和韧性降低，易引起冷脆，其适宜范围是0.26％～0.39％。

Mn可以增加奥氏体稳定性；具有固溶强化作用，对提高淬透性也有利，但是，锰含量过高会降低多边形铁素体形成温度且易诱发偏析，不利于焊接，本发明认为将锰含量控制在1.35％～1.55％较为适宜。

Nb有明显的固溶强化作用，以碳氮化物形式析出时能够阻碍晶粒长大，细化晶粒，同时，钉扎位错起到强化作用。但是，铌需要配合碳含量添加，铌含量过高会恶化焊接性能，促进焊接裂纹生成；也会使生产成本明显增加，本发明认为将铌含量控制在0.01％～0.03％较为适宜。

Ti可起到析出强化和固氮效果，易形成碳氮化物且熔点高，Ti/N≥3.42能够保证氮化钛析出，有效减少和控制游离氮元素量；本发明认为将钛含量控制在0.011％～0.019％较为适宜。

Cr有很强的固溶强化作用，可以弥补Mo、Ni、V等元素减少带来的强度损失，同时，能提高奥氏体稳定性和淬透性，对提高厚规格钢板强度和改善厚度方向组织均匀性发挥良好作用，另外，Cr含量达到0.18％以上时可以改善钢的耐腐蚀性；还有，Cr能够使A3、A1温度升高，有利于铁素体比例的控制；但Cr含量过高对焊接性不利、塑性也有恶化趋势，所以，Cr含量控制在0.18％～0.28％为宜。

Ni可以起到提高强度和改善塑性韧性的作用，防止Cu脆；Ni可以延迟珠光体转变，促进中温转变组织形成，降低厚规格钢板冷速限制；但镍价格较高，因此，将其含量控制0.10％以内为宜。

Cu可以起到固溶强化作用，可以提高淬透性；但铜含量过高会使韧性恶化，因此，将其含量控制在0.14％以下为宜。

Al有效的脱氧元素，铝含量过高会使钢中的夹杂物增加，焊接性能恶化，因此，酸溶铝的含量控制在0.020％～0.045％为宜。

本发明的CE_IIW控制在0.355％～0.385％，CE_Pcm控制在0.155％～0.175％，既可以保证钢板的强韧性，又能使钢板具有适宜的可焊性。

一种耐寒管线用高韧性低屈强比热轧厚板的生产方法，包括铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼、连铸、连铸坯再加热、轧制、弛豫、冷却，

(1)钢水炉外精炼后、连铸前吹氩镇静时间不少于10min，

(2)连铸：连铸坯浇注过热度12～25℃，拉坯速度0.81-1.1m/min，连铸坯厚度/成品钢板厚度控制在8.3-10.8；

连铸前的吹氩镇静和对浇注温度的控制能够促进夹杂物去除，改善钢水成分、温度均匀性，减少铸坯质量缺陷；适宜的拉坯速度有利于减少偏析，改善铸坯厚度中心质量；从连铸坯到成品钢板的压缩比是晶粒细化和钢板性能的重要保障。

(3)连铸坯再加热：连铸坯经清理后装炉加热，加热过程分为4个阶段，预热段、加热段1和2、均热段，预热段加热温度600-750℃，加热段1加热温度900～1100℃，加热段2加热温度1090～1130℃，均热段加热温度1080～1120℃，预热段加热时间不低于30min，加热段1和2段加热时间0.45～0.88min/mm，均热段加热时间30-50min，加热总时间0.9～1.3min/mm；连铸坯清理可有效减少表面缺陷，提高钢板表面质量，分段加热过程可有效减少加热缺陷，提高加热效果和温度均匀性，采用该加热工艺可满足坯料内合金元素处于固溶或部分固溶状态，同时，保证坯料温度均匀性，将奥氏体晶粒尺寸控制在有效范围内。

(4)轧制：粗轧温度区间为960～1050℃，采用横纵轧制方式，粗轧总变形量不小于60％，粗轧阶段每道次变形量不小于15％，其中，纵轧最终2道次每道次变形量达到20％～25％且轧制温度不超过980℃；粗轧阶段利用低温轧制配以大道次变形量使奥氏体再结晶充分细化晶粒，同时又避免出现混晶造成性能损失；中间待温坯厚度3.0t～3.6t(t为成品钢板厚度)，精轧温度区间为750～840℃，保证有至少1道次轧制温度不超过770℃，精轧阶段促进奥氏体变形并积累形变能，增加形核位置，较低的轧制温度有利于形变奥氏体的扁平化及多边形铁素体的形成。

(5)弛豫、冷却：轧后钢板空冷弛豫时间40-80s，随后水冷，开始水冷冷却温度700～740℃，终冷温度400～470℃，上下冷却水量比2.3-2.9，加速冷却分为两阶段，其中，开始加速冷却到600℃温度区间内的冷却速度16～20℃/s，后续加速冷却速度6～10℃/s，之后进行堆垛缓冷，缓冷冷速0.3～0.9℃/s。钢板最终微观组织为多边形铁素体+贝氏体的复合组织，平均晶粒尺寸不超过13μm，其中，多边形铁素体体积百分比在8％～45％，使钢板具有适宜的横纵向强度、低屈强比、高塑性和优异的低温韧性，满足制作大口径油气输送管道的要求。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明以C、Mn为基础，充分利用Cr、Si元素部分或全部替代贵重的Mo、Ni、Cu、V等元素，生产成本低，同时，添加少量Nb、Ti等元素，严格控制有害元素含量，配以与之相应的独特的生产工艺，获得了综合性能优异的耐寒管线热轧厚板。

(2)本发明碳当量CE_IIW和CE_Pcm适宜，保证材料具有良好的可焊性。

(3)本发明的连铸工艺方案有效改善了铸坯质量，从而提高最终产品性能。

(4)本发明轧制大压下、弛豫、加速冷却的生产方法有效细化了钢板晶粒，控制组织类型，其中，最终成品钢板平均晶粒尺寸≤13μm。

(5)本发明所述耐寒管线用高韧性低屈强比热轧厚板的厚度≥28mm，横向和纵向屈服强度可达到450-500MPa，横向抗拉强度达到600-640MPa，纵向抗拉强度达到590-630MPa，横纵向比例延伸率A(δ5)≥23％，横纵向屈强比不超过0.80，-60℃横向冲击功不低于460J，-20℃横向DWTT剪切面积不低于85％，适用于作为制造低温地区大厚壁耐寒管线钢管的原料。

附图说明

图1为本发明实施例1的显微组织图。

图2为本发明实施例2的显微组织图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步的说明。

本发明实施例根据技术方案的组分配比，进行铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼、连铸、连铸坯再加热、轧制、弛豫、冷却。本发明实施例钢的成分见表1。本发明实施例钢的连铸工艺见表2。本发明实施例钢的连铸坯再加热工艺见表3。本发明实施例钢的轧制工艺见表4，本发明实施例钢的弛豫、冷却工艺见表5。本发明实施例钢的综合性能见表6。

表1 本发明实施例钢的成分(wt％)

实施例	1	2	3	4	5	6	7
								C	0.068	0.054	0.066	0.055	0.064	0.067	0.046
Si	0.34	0.31	0.29	0.36	0.33	0.31	0.33
								Mn	1.49	1.39	1.43	1.52	1.39	1.38	1.53
P	0.008	0.009	0.008	0.008	0.008	0.007	0.008
								S	0.001	0.001	0.001	0.001	0.001	0.001	0.001
Nb	0.03	0.02	0.03	0.01	0.02	0.03	0.02
								Ti	0.018	0.015	0.016	0.015	0.014	0.017	0.015
Cr	0.25	0.27	0.19	0.26	0.27	0.25	0.26
								Ni	0	0.08	0	0.05	0	0.06	0
Als	0.029	0.026	0.036	0.033	0.026	0.034	0.031
								N	0.0039	0.0031	0.0028	0.0031	0.0037	0.0039	0.0034
H	0.0001	0.0001	0.0001	0.0001	0.0001	0.0001	0.0001
								O	0.0015	0.0017	0.0015	0.0018	0.0015	0.0016	0.0016
Ti/N	4.62	4.84	5.71	4.84	3.78	4.36	4.41
								Cu	0	0.09	0.13	0	0	0	0.06
Cr+Ni+Cu	0.25	0.44	0.32	0.31	0.27	0.31	0.32
								CE_IIW	0.38	0.36	0.36	0.37	0.36	0.36	0.36
CE_PCM	0.17	0.16	0.17	0.16	0.16	0.17	0.16

表2 本发明实施例钢的连铸工艺

表3 本发明实施例钢的连铸坯再加热工艺

表4 本发明实施例钢的轧制工艺

表5 本发明实施例钢的弛豫、冷却工艺

表6 本发明实施例钢的综合性能

注：拉伸试样为φ14mm圆棒试样；DWTT试样为全厚度试样；冲击试样尺寸为10*55*55mm。

Claims

1.一种耐寒管线用高韧性低屈强比热轧厚板，其特征在于，该钢板的成分按重量百分比计如下：C：0.045％～0.070％、Si：0.26％～0.39％、Mn：1.35％～1.55％、Nb：0.01％～0.03％、Ti：0.011％～0.019％、Cr：0.18％～0.28％、Ni：0～0.10％、Cu：0～0.14％、(Cr+Ni+Cu)：0.25％～0.44％、Als：0.020％～0.045％、N：0.0020％～0.0045％、P≤0.010％、S≤0.001％、H≤0.00015％、O≤0.0020％、Ti/N：3.42～5.71，余量为铁和不可避免的杂质；CE_IIW控制在0.355％～0.385％，CE_Pcm控制在0.155％～0.175％，

其中，CE_IIW＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V+Nb+Ti)/5+(Ni+Cu)/15；

CE_Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B。

2.根据权利要求1所述耐寒管线用高韧性低屈强比热轧厚板，其特征在于，所述钢板厚度≥28mm，钢板最终微观组织为多边形铁素体+贝氏体的复合组织，平均晶粒尺寸不超过13μm，其中，多边形铁素体体积百分比在8％～45％。

3.一种权利要求1或2所述的耐寒管线用高韧性低屈强比热轧厚板的生产方法，包括铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼、铸坯再加热、连铸、轧制、弛豫、冷却，其特征在于：

(1)钢水炉外精炼后、连铸前吹氩镇静时间不少于10min，

(3)铸坯再加热：连铸坯经清理后装炉加热，加热过程分为4个阶段，预热段、加热段1和2、均热段，预热段加热温度600-750℃，加热段1加热温度900～1100℃，加热段2加热温度1090～1130℃，均热段加热温度1080～1120℃，预热段加热时间不低于30min，加热段1和2段加热时间0.45～0.88min/mm，均热段加热时间30-50min，加热总时间0.9～1.3min/mm；

(4)轧制：粗轧温度区间为960～1050℃，采用横纵轧制方式，粗轧总变形量不小于60％，粗轧阶段每道次变形量不小于15％，其中，纵轧最终2道次每道次变形量达到20％～25％且轧制温度不超过980℃；中间待温坯厚度3.0t～3.6t(t为成品钢板厚度)，精轧温度区间为750～840℃，保证有至少1道次轧制温度不超过770℃；

(5)弛豫、冷却：轧后钢板空冷弛豫时间40-80s，随后水冷，开始水冷冷却温度700～740℃，终冷温度400～470℃，上下冷却水量比2.3-2.9，之后加速冷却，加速冷却分为两阶段，其中，开始加速冷却到600℃温度区间内的冷却速度16～20℃/s，后续加速冷却速度6～10℃/s，之后进行堆垛缓冷，缓冷冷速0.3～0.9℃/s。