CN108950388A - 一种低温韧性优异的l485m管线钢及其制造方法 - Google Patents

一种低温韧性优异的l485m管线钢及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种低温韧性优异的L485M管线钢及其制造方法。钢中含有C：0.045％～0.065％、Si：0.10％～0.25％、Mn：1.55％～1.65％、Nb：0.055％～0.075％、Ti：0.010％～0.025％、Mo：0.10％～0.15％、Cr：0.20％～0.30％、Als：0.015％～0.045％、P≤0.015％、S≤0.003％、N≤0.006％，其余为Fe和不可避免的杂质，且Pcm≤0.18％。连铸坯厚度≤170mm，500～850℃热装，加热至1160～1200℃，粗轧终轧温度≥980℃，精轧终轧温度780～820℃，精轧总压下率≥65％，随后先以40～60℃/s的速度冷却至550～600℃，再以10～25℃/s终冷至400～500℃卷取。板卷具有优异的低温韧性，用于极寒地带及条件严酷的区域。

Description

一种低温韧性优异的L485M管线钢及其制造方法
技术领域
本发明属于金属材料高强度低合金钢领域，具体涉及一种油气输送管道用管线钢的制造方法，特别是涉及一种低温韧性优异的L485M钢级管线钢及其热轧板卷的制造方法。
背景技术
近年来能源输送管道建设飞速发展，为提高输送效率和运行安全，对所选用的钢铁原材料的强韧性要求越来越高。当前国内外重大管道主干线基本采用L485M、L555M钢级。
当管道地域处于极冷地带或输送介质为低温液化天然气时，从运营稳定性和安全性出发，对原材料的低温韧性指标提出了更高的要求，例如低温落锤和韧脆转变温度要求检验的温度更低、夏比冲击功要求的指标更高等，因此这些工程均提出了更高的个性化要求，仅仅满足API SPEC 5L规范已远远不够。
虽然目前国内外关于L485M钢级管线钢热轧卷板的文献较多，但能满足-30℃以下低温断裂韧性要求的很少，以下简要介绍几个相近的文献：
中国专利，申请号201310001803.4，公开了含Cr经济型X70管线钢热轧板卷的控轧控冷工艺。该专利成分中C 0.05％～0.075％、Si 0.10％～0.35％、Mn 1.00％～1.65％、Nb0.050～0.080％、Ti 0.010％～0.025％、Cr 0.30％～0.40％，工艺上使用8～10道次粗轧，300～400℃卷取。该专利成分中无Mo，不利于产品的淬透性控制，难以保证更低的低温断裂韧性，另外粗轧道次多，单道次压下量小，不仅影响原始奥氏体细化，还影响生产效率，卷取温度低，增加工艺控制难度，易造成卷形不良。
中国专利，申请号200410066297.8，公开了具有高止裂韧性的针状铁素体型X70管线钢及其制造方法。该专利成分C 0.02％～0.06％、Si 0.10％～0.50％、Mn 1.45％～1.75％、S≤0.002％、P 0.004％～0.012％、Nb 0.050％～0.080％、V 0.010％～0.060％、Ti 0.005％～0.025％、Mo 0.10％～0.30％、Cu≤0.30％、Ni≤0.30％、N≤0.008％、Al0.015％～0.045％。该专利中合金体系复杂，贵重元素添加多，成本高。
中国专利，申请号200910237313.8，公开了一种管线用钢X70热轧卷板。该专利成分C 0.04％～0.08％、Si 0.10％～0.30％、Mn 1.40％～1.75％、S≤0.003％、P≤0.018％、Nb 0.03％～0.06％、V 0.02％～0.05％、Ti 0.010％～0.020％、Mo 0.10％～0.15％、Cr0.20％～0.30％、Cu 0.15％～0.20％、Ni 0.10％～0.15％、N≤0.006％。该专利中合金体系复杂，贵重元素添加多，成本高。
韩国专利KR20140130324(A)，HOT-ROLLED STEEL SHEET FOR PIPE AND METHODOF MANUFACTURING THE SAME。该专利成分C 0.03％～0.12％、Si 0.2％～0.4％、Mn 1.4％～1.8％、S≤0.01％、P≤0.03％、Nb 0.02％～0.06％、Ti 0.01％～0.04％、Mo≤0.10％、Cr0.1％～0.5％、Cu 0.15％～0.20％、Ni 0.05％～0.5％、N≤0.01％。成分要求宽泛且含Ni、Cu，合金添加量多，成本高，另外杂质元素含量要求过于宽泛，不利于低温断裂韧性控制。
日本专利JP2015054983(A)，HIGH TOUGHNESS,HIGH DUCTILITY AND HIGHSTRENGTH HOT ROLLED STEEL SHEET AND PRODUCTION METHOD THEREOF。该专利成分C0.04％～0.15％、Si 0.01％～0.55％、Mn 1.0％～3.0％、S≤0.01％、P≤0.03％、Nb0.001％～0.035％、V 0.001％～0.1％、Ti 0.001％～0.035％，该专利成分要求宽泛，含V，不含Mo、Cr淬透性元素，不利于组织的均匀性控制，难以保证低温断裂韧性。
美国专利US2012247625(A1)，LOW YIELD RATIO,HIGH STRENGTH AND HIGHUNIFORM ELONGATION STEEL PLATE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME。该专利成分C 0.06％～0.12％、Si 0.01％～1.0％、Mn 1.2％～3.0％、S≤0.005％、P≤0.015％、Nb0.005％～0.07％、Ti 0.005％～0.025％、N≤0.01％等。该专利成分要求宽泛，不含Mo、Cr淬透性元素，不利于组织的均匀性控制，难以保证低温断裂韧性。
牛涛，安成钢等人在第十届中国钢铁年会中发表的论文《超厚规格X70管线钢热轧卷板组织性能研究》中，公开的化学成分为：C 0.055％、Si 0.20％、Mn 1.60％、P≤0.001％、S≤0.0012％、Alt0.035％、Nb 0.07％～0.09％、Ti 0.015％，同时含Mo、Cr、Ni、Cu。工艺上采用转炉+精炼和真空脱气工艺进行冶炼，连铸板坯厚度250mm，采用2500mm热连轧轧制，终轧后进入超快冷及层流冷却装置。该钢种合金设计中Nb偏高且含Ni、Cu，成本高，铸坯厚度大，轧制总体压下量大，控制难度低。
郑磊、高珊在《钢铁研究学报》，2006，18(3)中发表了《西气东输工程用大口径X70输气管线用板卷的研制》，文中只明确给出了C、Mn成分，其他元素中包括Mo、Ni、Cu等贵重元素，可推断成本偏高。
以上文献中公开的L485M钢级管线钢均可以满足强度指标要求，但基本难以满足-30℃以下低温断裂韧性要求，有的未添加适量的淬透性元素难以控制组织的均匀性，有的工艺采取常规层流冷却，不能充分有效细化晶粒和控制组织均匀性，还有的成分中添加了Ni、Cu等贵重合金元素，成本较高。
发明内容
本发明的目的是，设计简单经济的合金体系，匹配精确的两阶段控制轧制和超快冷+层流冷却工艺，提供一种具有优异低温韧性的L485M钢级管线钢热轧卷板及其制造方法。
具体的技术方案是：
本发明提出一种具有优异低温韧性的L485M管线钢，其化学成分重量百分比为：C：0.045％～0.065％、Si：0.10％～0.25％、Mn：1.55％～1.65％、Nb：0.055％～0.075％、Ti：0.010％～0.025％、Mo：0.10％～0.15％、Cr：0.20％～0.30％、Als：0.015％～0.045％、P≤0.015％、S≤0.003％、N≤0.006％，余量为铁和不可避免的杂质，且冷裂纹敏感系数Pcm≤0.18％，其中，Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B。
L485M管线钢的成分设计思想是采用C-Mn-Nb-Mo系微合金设计，并添加少量的Cr、Ti等元素，结合两阶段控制轧制和超快冷+层流冷却工艺获得细小的针状铁素体组织，以保证管线钢具有高强度高韧性以及优良的低温断裂韧性，其主要的基本元素和作用如下：
C：是钢中最经济、最基本的强化元素，通过固溶强化和析出强化对提高钢的强度有明显作用，但是提高C含量对钢的延性、韧性和焊接性有负面影响，低碳保证管线钢具有良好低温韧性、良好焊接性能和抗氢致裂纹(HIC)性能。因此，本发明将C含量控制为0.045％～0.065％。
Si：可以起到一定的固溶强化作用，但含量过高会使塑性和韧性降低，因此，本发明的Si含量为0.10％～0.25％。
Mn：通过固溶强化提高钢的强度，是管线钢中补偿因C含量降低而引起强度损失的最主要且最经济的强化元素。Mn还是扩大γ相区的元素，可降低钢的γ－α相变温度，有助于获得细小的相变产物，可提高钢的韧性、降低韧脆转变温度。但锰属于易偏析元素，过高易形成带状组织。本发明的Mn含量为1.55％～1.65％。
Nb：是现代微合金化管线钢中最主要的元素之一，对晶粒细化的作用十分明显。通过热轧过程中NbC应变诱导析出阻碍形变奥氏体的回复、再结晶，经控制轧制和控制冷却使精轧阶段非再结晶区的形变奥氏体组织在相变时转变为细小的相变产物，以使钢具有更高强度和高韧性。Nb还通过析出强化提高钢的强度，降低碳含量可以提高板坯再加热时Nb在高温奥氏体中的固溶度，可充分发挥随后控制轧制过程中Nb对晶粒细化和析出强化的作用。Nb属于贵重元素，成本偏高。因此，本发明将Nb含量控制为0.055％～0.075％。
Mo：可有效提高钢的淬透性、扩大γ相区，具有降低γ－α相变温度，抑制多边形铁素体(PF)的形成，促进针状铁素体(AF)的转变，并提高Nb(C、N)的沉淀强化效果，提高钢材的强度和断裂韧性。但钼属于贵重元素，成本偏高。因此本发明的Mo含量为0.10％～0.15％。
Ti：是强的固N元素，Ti/N的化学计量比为3.42，利用0.02％左右的Ti就可固定钢中60ppm以下的N，在板坯连铸时可形成细小的高温稳定的TiN析出相。这种细小的TiN粒子可有效地阻碍板坯再加热时的奥氏体晶粒长大，有助于提高Nb在奥氏体中的固溶度，同时对改善焊接热影响区的冲击韧性有明显作用。因此，本发明的Ti含量为0.010％～0.025％。
Cr：能够有效提高淬透性，抑制多边形铁素体和珠光体的产生，促进在中温和低温区内形成晶内有大量位错分布的铁素体或贝氏体，与Mo组合使用，效果更显著，与Mo相比，价格低廉。因此，本专利的Cr含量为0.20％～0.30％。
Als：脱氧元素，添加适量的铝可形成细小弥散的AlN粒子，有利于细化晶粒，提高钢的强韧性能，因此，本发明的Als含量为0.015％～0.045％。
P、S、N：是钢中不可避免的杂质元素，希望越低越好，但要求过低会增加生产成本，本发明的P≤0.015％、S≤0.003％、N≤0.006％。
Pcm：控制冷裂纹敏感系数有利于保障产品的焊接性能，本发明的Pcm控制在≤0.18％。
本发明还提出一种采用薄板坯连铸连轧工艺制造具有良好低温韧性L485M管线钢热轧卷板的方法。其生产工艺流程涉及：铁水预处理—转炉冶炼—炉外精炼(RH+LF+钙处理)—连铸—板坯加热－轧制－超快冷+层流冷却—卷取。其特征是：
(1)冶炼连铸工艺：铁水预处理，转炉冶炼——经顶吹或顶底复合吹炼，炉外精炼——经RH真空处理、LF炉轻脱硫处理及进行钙处理以控制夹杂物形态和提高钢的延展性、韧性和冷弯性能，板坯连铸制成连铸板坯——全程保护浇注，并投入动态轻压下，以减少连铸坯中心偏析，铸坯厚度≤170mm，明显薄于目前主要应用的200mm以上厚连铸坯，其凝固冷却速率远远大于传统的厚板坯，二次枝晶间距大幅度减小。
(2)轧制工艺：连铸板坯在500～850℃直接热装，连铸板坯经步进式加热炉加热至1160～1200℃，随后经粗轧及精轧机组两阶段控制轧制，粗轧终轧温度≥980℃，粗轧3～5道次，精轧开轧温度为≤960℃，精轧终轧温度为780～820℃，精轧总压下率保证≥65％，随后采用两阶段控制冷却，先采用超快冷方式以40～60℃/s的速度冷却至550～600℃，然后采用层流冷却方式以10～25℃/s的速度终冷至400～500℃卷取。
本发明的L485M钢级热轧板卷具有优异的综合性能：屈服强度为500～600MPa，抗拉强度600～700MPa，断后延伸率≥30％，屈强比≤0.90；-40℃夏比冲击功(3个试样)Akv≥300J，-40℃平均落锤撕裂试验剪切面积(2个试样)SA≥95％；硬度HV10≤230，冷弯合格。
本发明技术方案的特别之处在于：(1)合金设计简单，采用C-Mn-Nb-Mo系合金设计，并添加少量的Cr、Ti等微合金元素，不含Ni、Cu、V等，合金成本低。(2)连铸板坯厚度≤170mm，采用短流程连铸连轧生产工艺，效率高，节省能源。(3)采用超快冷+层流冷却方式两段控制冷却，保证晶粒细小、组织均匀。(4)产品综合性能优异，尤其是低温韧性，在-40℃下，落锤撕裂试验平均剪切面积≥95％。
有益效果：
本发明同现有技术相比，有益效果如下：
(1)合金设计简单，采用C-Mn-Nb-Mo系合金设计，并添加少量的Cr、Ti等微合金元素，不含Ni、Cu、V等，合金成本低。
(2)连铸板坯厚度≤170mm，采用短流程连铸连轧生产工艺，效率高，节省能源。
(3)采用超快冷+层流冷却方式两段控制冷却，保证晶粒细小、组织均匀。
(4)产品综合性能优异，尤其是低温韧性，在-40℃下，落锤撕裂试验平均剪切面积≥95％。
(5)采用上述方法生产的L485M管线钢，可广泛应用于靠近极地的寒冷地带或者沙漠、深海等自然环境严酷的地域。
附图说明
图1为实施例1的光学显微组织；显微组织为铁素体；
具体实施方式
以下实施例用于具体说明本发明内容，这些实施例仅为本发明内容的一般描述，并不对本发明内容进行限制。
表1为实施例钢的化学成分。其工艺流程为铁水预处理—转炉冶炼—炉外精炼(RH+LF+钙处理)—连铸—板坯加热－轧制－超快冷+层流冷却—卷取，实施例钢具体工艺制度见表2。表3为实施例钢的主要力学性能。
表1实施例钢化学成分(wt，％)
实施例 C Si Mn P S Nb Ti Mo Cr Als N Pcm
1 0.052 0.13 1.61 0.012 0.002 0.055 0.017 0.10 0.30 0.028 0.005 0.16
2 0.045 0.25 1.65 0.013 0.003 0.066 0.019 0.13 0.28 0.033 0.006 0.16
3 0.057 0.17 1.58 0.014 0.001 0.060 0.010 0.14 0.24 0.045 0.004 0.16
4 0.065 0.10 1.62 0.015 0.002 0.072 0.025 0.12 0.26 0.022 0.004 0.17
5 0.060 0.14 1.55 0.011 0.002 0.068 0.022 0.11 0.20 0.015 0.005 0.16
6 0.048 0.22 1.49 0.013 0.003 0.075 0.014 0.15 0.22 0.020 0.004 0.15
注：Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B。
表2实施例钢工艺制度
表3实施例钢主要力学性能
由表1～3可见，采用本发明技术方案生产的L485M管线钢热轧板卷，具有良好的综合力学性能，尤其是具有优异的低温韧性，可广泛应用于极寒地带及自然条件严酷的区域。

Claims (2)

1.一种低温韧性优异的L485M管线钢，其特征在于，钢中化学成分按质量百分比为：C：0.045％～0.065％、Si：0.10％～0.25％、Mn：1.55％～1.65％、Nb：0.055％～0.075％、Ti：0.010％～0.025％、Mo：0.10％～0.15％、Cr：0.20％～0.30％、Als：0.015％～0.045％、P≤0.015％、S≤0.003％、N≤0.006％，其余为Fe和不可避免的杂质，且冷裂纹敏感系数Pcm≤0.18％，其中，Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B。
2.一种如权利要求1所述的低温韧性优异的L485M管线钢的制造方法，钢板的生产工艺为：铁水预处理—转炉冶炼—炉外精炼—连铸—板坯加热－轧制－超快冷+层流冷却—卷取，其特征在于，
(1)冶炼连铸工艺：采用顶吹或顶底复合吹炼，经RH真空处理、LF炉轻脱硫处理及进行钙处理，全程保护浇注，并进行动态轻压下，连铸坯厚度≤170mm；
(2)轧制工艺：连铸板坯在500～850℃直接热装，加热至1160～1200℃，随后经粗轧及精轧机组两阶段控制轧制，粗轧终轧温度≥980℃，粗轧3～5道次，精轧开轧温度为≤960℃，精轧终轧温度为780～820℃，精轧总压下率≥65％，随后采用两阶段控制冷却，先采用超快冷方式以40～60℃/s的速度冷却至550～600℃，然后采用层流冷却方式以10～25℃/s的速度终冷至400～500℃卷取。
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