CN106480381B

CN106480381B - 一种低温管线用塑韧性良好的热轧宽厚板及其制造方法

Info

Publication number: CN106480381B
Application number: CN201510548151.5A
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: 2018-02-27
Anticipated expiration: 2035-08-31
Also published as: CN106480381A

Abstract

本发明提供了一种低温管线用塑韧性良好的热轧宽厚板及其制造方法，该钢板的成分按重量百分比计如下：C：0.035％～0.060％、Si：0.20％～0.35％、Mn：1.56％～1.74％、Nb：0.01％～0.04％、Ti：0.011％～0.025％、Cr：0.18％～0.30％、Ni：0.06％～0.15％、Als：0.015％～0.040％、Cu：0～0.10％、Mo：0～0.19％、(Mo+Ni+Cu+Cr)：0.32％～0.55％、N：0.0020％～0.0045％、P≤0.009％、S≤0.001％、H≤0.00015％、O≤0.0020％、Ti/N：3.42～6.10，余量为铁和不可避免的杂质；并且CE_IIW控制在0.385％～0.430％，CE_Pcm控制在0.159％～0.175％。制造方法包括铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼、连铸、铸坯再加热、轧制、冷却，本发明提供了适用于作为制造大口径(及以上)厚壁低温管线钢管的原料，塑性和韧性良好。

Description

一种低温管线用塑韧性良好的热轧宽厚板及其制造方法

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低温管线用塑性和韧性良好的热轧宽厚钢板及其制造方法。

背景技术

随着世界石油、天然气消耗量的持续增大和原有油气田的逐渐枯竭，新建油气项目不断向边远、气候恶劣的地区发展，如俄罗斯、阿拉斯加等高寒地区就是重点发展方向之一。由于高寒地区管道服役条件苛刻，要求输送管线不仅要达到相应的强度，而且，必须具备良好的延展性和低温韧性；同时，为了提高输送效率，输送压力和管道口径不断增大，最大管道口径已达到1420mm以上，因此，相应管线钢板必须满足厚壁(≥30mm)、大板宽要求(>4300mm)。

随着应用条件的日渐苛刻，低温地区管线钢板的技术要求也更为严格，其横、纵向屈服强度≥510MPa，横向抗拉强度590-690MPa，纵向抗拉强度565-690MPa，屈强比≤0.90，比例延伸率A(δ5)≥20％，-40℃下V型缺口夏比冲击功≥220J，-20℃下DWTT韧性剪切面积≥85％；此技术要求对于宽厚规格管线钢板而言可谓是一项严峻的挑战。

目前，国内外对低温地区管线钢及宽厚规格管线钢有一些研究，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。

检索到的相关专利和文献如下：

《K60级低合金管线钢板的制备方法》(RU2465344C1)公开了了一种K60管线钢板，其成分中(重量百分比)C：0.07％～0.09％、Mn：1.60％～1.70％、Ni：0.25％～0.35％、Cu：0.15％～0.20％、V：0.04％-0.06％；钢板厚度不超过27mm，Ni、Cu等贵重合金含量较多，未保证DWTT性能。

《一种厚壁高DWTT性能X65-X70海底管线钢及制造方法》(CN103834874A)公开的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％，不足之处在于，同样加入较多Ni等合金元素来保证性能。

《一种耐应力腐蚀开裂的输送天然气的管线钢及其制造工艺》(CN103981458A)，公开的管线钢成分中Cr：0.68％～0.80％、Mo：0.4％～3.8％并且要添加Mg、W等元素。

《一种K60级管件用热轧厚板及其生产方法》(CN103710619A)，公开了了一种K60级管件钢，成分上采用C(0.11～0.17％)、V(0.09％～0.13％)等元素利用调质工艺保证钢板最终性能，在成分、生产工艺上与本发明明显不同。

《耐低温开裂的高强高韧管线钢板及其制造方法》(JP2006307324A)，提出了采用B增加厚规格管线钢板淬透性并采用热轧+热处理工艺进行生产的方法，在成分设计和生产工艺路经上与本发明明显不同。

文献《K60_2钢级φ1220mm×22mm直缝埋弧焊管的研制》，文中主要介绍了厚度22mm，口径φ1220mm的K60级钢管，厚度小、宽度窄，规格上与本发明不同；成分上采用高C、高Ni设计。

综上所述，现有技术对低温地区管线用塑性、韧性良好的热轧宽厚钢板的研究尚有不足。

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地区油气输送管线用厚度≥30mm、宽度>4300mm、屈服强度级别510MPa的塑韧性良好的热轧宽厚钢板及其制造方法。

本发明的目的是这样实现的：

众所周知，随着管线钢板厚度增大，晶粒细化和组织控制愈发困难，导致塑性和韧性明显下降；而钢板宽度的增大，轧制变形抗力随之增大，轧制变形量受到限制，不利于实现晶粒细化，同时，快速冷却均匀性控制也更为困难，因此，相同技术要求下宽厚规格管线钢板的制造难度明显高于薄窄钢板。

本发明所述低温管线用塑韧性良好的热轧宽厚板的厚度≥30mm、宽度>4300mm；成分设计以低C、低Mn为基础，重点利用Cr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、低温加热、轧制大压下、均匀加速冷却的制造工艺提高钢板性能。

一种低温管线用塑韧性良好的热轧宽厚板，该钢板的成分按重量百分比计如下：C：0.035％～0.060％、Si：0.20％～0.35％、Mn：1.56％～1.74％、Nb：0.01％～0.04％、Ti：0.011％～0.025％、Cr：0.18％～0.30％、Ni：0.06％～0.15％、Als：0.015％～0.040％、Cu：0～0.10％、Mo：0～0.19％、(Mo+Ni+Cu+Cr)：0.32％～0.55％、N：0.0020％～0.0045％、P≤0.009％、S≤0.001％、H≤0.00015％、O≤0.0020％、Ti/N：3.42～6.10，余量为铁和不可避免的杂质；并且CE_IIW控制在0.385％～0.430％，CE_Pcm控制在0.159％～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。

所述热轧宽厚板的厚度≥30mm、宽度>4300mm，所述热轧宽厚板微观组织为针状铁素体+多边形铁素体+贝氏体，平均晶粒尺寸不超过12μm，其中，多边形铁素体体积百分比在8％～35％。

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0.035％～0.060％较为适宜。

Si有固溶强化作用，提高淬透性，缩小奥氏体相区，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0.20％～0.35％。

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，锰含量过高易诱发偏析且不利于焊接，本发明认为将锰含量控制在1.56％～1.74％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％～0.04％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％～0.025％较为适宜。

Cr有很强的固溶强化作用，可以弥补Mo、Ni、Cu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，有利于微观组织的控制；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％～0.30％为宜。

Ni含量超过0.05％时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，将其含量控制在0.06％～0.15％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0.015％～0.040％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0.10％以下为宜。

Mo能够明显提高淬透性，增加强度，但是，钼含量过高会增加成本，对焊接性也有不利影响，因此，应控制其含量在0.19％以下。

本发明的CE_IIW控制在0.385％～0.430％，CE_Pcm控制在0.159％～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。

一种低温管线用塑韧性良好的热轧宽厚板的制造方法，包括铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼、连铸、铸坯再加热、轧制、冷却，其特征在于：

(1)连铸：钢水精炼后连铸前吹氩镇静时间不少于10min，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7.5-9.5；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。

(2)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500-750℃，加热段1加热温度850～1050℃，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40min，加热段1和2段加热时间0.45～0.88min/mm，均热段加热时间30-60min，加热总时间0.9～1.4min/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。

(3)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14％，其中，纵轧最终2道次每道次变形量达到21％～27％且轧制温度不超过990℃；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2.8～3.4t，t为成品钢板厚度，精轧温度区间为760～840℃，保证有至少1道次轧制温度不超过790℃；精轧阶段促进奥氏体变形并积累形变能，增加形核位置。

(4)冷却：轧后钢板开始水冷冷却温度740～790℃，终冷温度500～570℃，上下冷却水量比2.3-2.9，加速冷却可分为开始加速冷却和后续加速冷却两个阶段，开始加速冷却到650℃温度区间内的冷却速度10～15℃/s，后续加速冷却速度6～10℃/s，之后堆垛缓冷，缓冷冷速0.3～0.9℃/s。钢板最终微观组织为针状铁素体+多边形铁素体+贝氏体，其中，多边形铁素体体积百分比在8％～35％，平均晶粒尺寸不超过12μm，使钢板具有适宜的横纵向强度、良好的塑性和低温韧性，同时，焊接性和成型性优异，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)本发明以低C、低Mn为基础，充分利用Cr元素部分或全部替代贵重的Mo、Ni、Cu、V等元素，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，降低了生产成本，获得了综合性能优异的低温管线用宽厚规格钢板。

(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)本发明低温加热、轧制大压下、均匀加速冷却的制造方法有效细化了钢板晶粒，其中，最终成品钢板平均晶粒尺寸≤12μm。

(5)本发明所述低温管线用塑韧性良好的热轧宽厚板的厚度≥30mm，宽度>4300mm，横向和纵向屈服强度可达到510-590MPa，横向抗拉强度达到620-670MPa，纵向抗拉强度达到600-655MPa，横纵向比例延伸率A(δ5)≥22％，横纵向屈强比不超过0.88，-60℃横向冲击功不低于420J，-20℃横向DWTT剪切面积不低于85％，适用于作为制造大口径(1420mm及以上)厚壁低温管线钢管的原料。

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、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参数见表2。本发明实施例钢的板坯再加热工艺数见表3。本发明实施例钢的轧制工艺数见表4。本发明实施例钢的冷却工艺数见表5。本发明实施例钢的综合性能见表6。

表2本发明实施例钢的连铸工艺参数

表3本发明实施例钢的板坯再加热工艺参数

表4本发明实施例钢的轧制工艺参数

表5本发明实施例钢的冷却工艺数

表6本发明实施例钢的综合性能

Claims

1.一种低温管线用塑韧性良好的热轧宽厚板，其特征在于，该钢板的成分按重量百分比计如下：C：0.035％～0.060％、Si：0.20％～0.35％、Mn：1.56％～1.74％、Nb：0.01％～0.04％、Ti：0.011％～0.025％、Cr：0.18％～0.30％、Ni：0.06％～0.15％、Als：0.015％～0.040％、Cu：0～0.10％、Mo：0～0.19％、(Mo+Ni+Cu+Cr)：0.32％～0.55％、N：0.0020％～0.0045％、P≤0.009％、S≤0.001％、H≤0.00015％、O≤0.0020％、Ti/N：3.42～6.10，余量为铁和不可避免的杂质；并且CE_IIW控制在0.385％～0.430％，CE_Pcm控制在0.159％～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；

所述热轧宽厚板的厚度≥30mm、宽度>4300mm，热轧宽厚板微观组织为针状铁素体+多边形铁素体+贝氏体，平均晶粒尺寸不超过12μm，其中，多边形铁素体体积百分比在8％～35％；

所述热轧宽厚板的制造方法，包括铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼、连铸、铸坯再加热、轧制、冷却，

(1)连铸：钢水精炼后连铸前吹氩镇静时间不少于10min，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7.5-9.5；

(2)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500-750℃，加热段1加热温度850～1050℃，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40min，加热段1和2段加热时间0.45～0.88min/mm，均热段加热时间30-60min，加热总时间0.9～1.4min/mm；

(3)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14％，其中，纵轧最终2道次每道次变形量达到21％～27％且轧制温度不超过990℃；中间待温坯厚度2.8～3.4t，t为成品钢板厚度，精轧温度区间为760～840℃，保证有至少1道次轧制温度不超过790℃；

(4)冷却：轧后钢板开始水冷冷却温度740～790℃，终冷温度500～570℃，上下冷却水量比2.3-2.9，加速冷却分为开始加速冷却和后续加速冷却两个阶段，开始加速冷却到650℃温度区间内的冷却速度10～15℃/s，后续加速冷却速度6～10℃/s，之后堆垛缓冷，缓冷冷速0.3～0.9℃/s。