CN109182917A - 一种厚规格高韧性管线钢的制造方法 - Google Patents

一种厚规格高韧性管线钢的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种厚规格高韧性管线钢的制造方法，包括如下步骤：首先按照质量百分数准备管线钢的化学成分；其次将化学成分冶炼、浇铸得到板坯；然后进行加热；最后经过轧制及冷却得到厚度为19mm‑21mm的成品钢。本发明所公开方法能够制造出厚规格高韧性管线钢，具有良好的综合力学性能，该管线钢的显微组织以细化的针状形铁素体为主，其屈服强度≥485MPa，抗拉强度≥580MPa，‑20℃全尺寸夏比冲击功≥350J，‑10℃全板厚DWTT断口剪切面积百分数≥85%。而且碳含量较低，有利于改善钢管成型焊接及现场环焊焊接性能；可用来制造厚壁直缝埋弧焊管，应用于海底管道、穿越管道以及极地管道建设等。

Description

一种厚规格高韧性管线钢的制造方法
技术领域
本发明涉及一种厚规格高韧性管线钢的制造方法。
背景技术
现有技术关键是通过冷却装备能力提升来实现后规格管线钢的性能，如迪林根通过采用立式连铸机制造400mm以上的特厚连板坯，从而为厚规格管线钢板的制造奠定了高内质、大压下比的基础，并向欧洲钢管、VSK等企业提供原材料钢板。日本JFE公司采用在线热处理装置，应用HOP工艺改善钢板厚度方向上的组织均匀性，有利于改善厚规格管线钢的DWTT性能并获得均匀的力学性能。
中国多家企业均进行了厚规格管线钢的开发研究，主要研究方向有：双相组织比例对DWTT性能的影响规律进行研究，表明铁素体比例约为28%时具有最佳的增加管线钢韧性的效果；通过增加粗轧道次的单道次压下率来细化显微组织，从而提高厚规格管线钢的低温韧性。
欧洲专利EP2105513B1公开了一种厚壁焊管用管线钢板的制造方法，采用低碳微合金成分体系，并通过控制贝氏体的体积分数在80%以上，可以制造强度等级在600MPa以上、厚度为20-40mm规格的管线钢板。该专利是采用了Zr、B等元素，细化钢的晶粒尺寸并提高钢的淬透性，以控制热影响区的晶粒尺寸，改善冲击韧性。B元素虽有细化晶粒作用，但易促使板坯产生角裂等表面缺陷，同时Zr元素成本较高。
日本专利JP55008454A公开了一种V型钢的制造方法，采用C-Mn基础成分及钒微合金化的成分设计，通过控制Ar3-900℃的总变形量≥30%、Ar3-Ar1变形量为10-60%，然后空冷的轧制工艺，实现钢的晶粒细化，并改善强韧性。同时钒元素成本较高。
中国专利CN105463324A公开了一种厚规格高韧性管线钢及其制造方法，该制造方法采用低C微合金化的成分体系，结合低温加热、粗轧大压下及控冷等制造工艺。虽然能获得25 ～ 40mm 厚规格的450Mpa 及以上钢级的管线钢，但是其低温加热的工艺条件不能保证Nb元素的固溶及析出强化作用,Mo元素虽有提高强度作用，但低温下韧性劣化且合金成本较高。
发明内容
本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种厚规格高韧性管线钢的制造方法，通过该制造方法，能够制造出厚度为19mm-21mm的管线钢，该管线钢的显微组织以细化的针状形铁素体为主，其屈服强度≥485MPa，抗拉强度≥580MPa，-20℃全尺寸夏比冲击功≥350J，-10℃全板厚DWTT断口剪切面积百分数≥85%。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种厚规格高韧性管线钢的制造方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）化学成分准备：按照质量百分数准备如下化学成分：C：0.45-0.65%，Si：0.2-0.3%，Mn：1.66-1.74%，P：0-0.012%，S：0-0.02%，Cr：0.13-0.19%，Nb：0.035-0.045%，Ti：0.0115-0.0175%，Ca：0.001-0.0035%，Al：0.02-0.04%，其余为Fe以及不可避免的杂质，且上述元素同时需满足如下关系：0.04%≤Nb+C≤0.1%。
（2）冶炼、浇铸：将步骤（1）中的化学成分进行浇注，其中Fe和不可避免杂质先在转炉中冶炼，然后通过LF+RH双重精炼脱硫、脱氢，再进行连铸机浇铸，获得板坯。
（3）加热：将板坯进行加热，加热温度设置在1130-1180℃，加热时间大于160min。
（4）轧制：轧制分为粗轧和精轧两个阶段，钢板需在奥氏体完全再结晶区完成整个轧制的粗轧过程，粗轧采用成型、展宽、轧制三阶段，粗轧总道次选用7/9/11道，成型与轧制道次采用大压下量,单道次厚度累计压下量约为20-30mm；然后以待温厚度4-5T,T为成品厚度；在中间辊道进行待温,待温度降至奥氏体未再结晶区后进行精轧机轧制；开轧温度设定在940-980℃，终轧温度设定在830-870℃，轧制道次选用7道，前6道轧制速度最大为4-6m/s，保证钢板开冷温度，最后一道次速度为3.5-4.5m/s，保证入水板形。
（5）冷却：在控轧阶段后增加24组冷却水进行喷水冷却，开冷温度控制在760-800℃，冷速在25-30℃/S,终冷温度在450-550℃；得到厚度为19mm-21mm的成品钢板。
进一步地，所述步骤（5）中采用的24组冷却水均为弱冷，冷速为25-29℃/S，终冷温度在450-550℃。
或者，所述步骤（5）采用的24组冷却水中前12组冷却水强冷，经过12组冷却水强冷后板坯温度约为550℃-700℃；后12组冷却水弱冷，冷速为冷速在23-27℃/S，终冷温度在450-550℃。
进一步地，所述厚规格高韧性管线钢的显微组织以细化的针状形铁素体为主，其屈服强度≥485MPa，抗拉强度≥580MPa，-20℃全尺寸夏比冲击功≥350J，-10℃全板厚DWTT断口剪切面积百分数≥85%。
进一步地，所述厚规格高韧性管线钢采用针状铁素体为主的显微组织设计，有效平均晶粒尺寸在10μm以下。
本发明的有益效果是：采用本发明的方法能有效的控制屈强比，合金元素中只含有Mn、Al和少量的Cr、Nb元素，代替了现有技术中金属Mo元素改善偏析、提高韧性，在合金成本上大大降低。另外，结合控制轧制和控制冷却的热机械处理工艺，获得TMCP态的钢板，全板厚得到以细化铁素体（≤10μm）为主的显微组织以提高钢的低温韧性，具有高强度、高韧性的力学性能特征，尤其是全壁厚DWTT性能剪切面积率达到85%以上。
本发明制造出的19mm-21mm厚规格管线钢性能达到以下要求：
拉伸性能：屈服强度Rt0.5：≥485MPa；抗拉强度Rm：≥580MPa；-20℃全尺寸夏比冲击功AKv：≥350J；-10℃全板厚DWTT（Drop Weight Tear Test，落锤撕裂测试）性能断口剪切面积率SA：≥85%。
可见，按照本发明设计的成分和制造工艺，得到的管线钢都可达到目标性能要求，具有良好的综合力学性能，且碳含量较低，有利于改善钢管成型焊接及现场环焊焊接性能。另外本发明成分简单，具有较强的可制造性。可用来制造厚壁直缝埋弧焊管，应用于海底管道、穿越管道以及极地管道建设等，主要用于天然气的长距离输送。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
图1为本发明实施例1制成的成品钢板的金相照片。
图2为本发明实施例2制成的成品钢板的金相照片。
具体实施方式
实施例1：本发明一种上述的厚规格高韧性管线钢的制造方法，包括如下步骤：（1）化学成分准备：按照质量百分数准备如下化学成分：C：0.55%，Si：0.25%，Mn：1.70%，P：0.010%，S： 0.013%，Cr：0.16%，Nb：0.04%，Ti：0.0145%，Ca：0.002%，Al：0.03%，其余为Fe以及不可避免的杂质。
（2）冶炼、浇铸：将步骤（1）中的化学成分进行浇注，其中Fe和不可避免杂质先在转炉中冶炼，然后通过LF+RH双重精炼脱硫、脱氢，再进行连铸机浇铸，获得板坯，板坯厚度为227mm。
（3）加热：将板坯进行加热，加热温度设置在1150℃，加热时间大于160min。在此加热条件下，能够保证Nb元素的固溶及析出强化作用。
（4）轧制：轧制分为粗轧和精轧两个阶段，钢板需在奥氏体完全再结晶区完成整个轧制的粗轧过程，粗轧采用成型、展宽、轧制三阶段，粗轧总道次选用7/9/11道，成型与轧制道次厚度采用大压下量，厚度压下约为20-30mm，使晶粒破碎，增加晶界，保证韧性；然后以待温厚度4.5T在中间辊道进行待温,待温度降至奥氏体未再结晶区后进行精轧机轧制，开轧温度设定在960℃，终轧温度设定在850℃，轧制道次选用7道，前6道轧制速度最大为4m/s，保证钢板开冷温度，最后一道次速度为3.8m/s，保证入水板形；为保证钢板有足够强度及韧性。
（5）冷却：在控轧阶段后增加24组冷却水进行喷水冷却，开冷温度控制在780℃，24组冷却水均为弱冷，冷速为27℃/S，终冷温度在480℃；最后得到厚度为19mm-21mm的成品钢板。
进一步地，所述厚规格高韧性管线钢的显微组织以细化的针状形铁素体为主，其屈服强度≥485MPa，抗拉强度≥580MPa，-20℃全尺寸夏比冲击功≥350J，-10℃全板厚DWTT断口剪切面积百分数≥85%。
进一步地，所述厚规格高韧性管线钢采用多边形铁素体为主的显微组织设计，有效平均晶粒尺寸在10μm以下。
实施例2：实施例2与实施例1只是冷却工艺上做出调整，具体是所述步骤（5）采用的24组冷却水中前12组冷却水强冷，经过12组冷却水强冷后板坯温度约为600℃；后12组冷却水弱冷，冷速为冷速在25℃/S，终冷温度在480℃。
实施例1和实施例2的具体参数对比如下表。
另外，本发明中管线钢各化学组分的含量控制依据具体如下，实际生产时可在所述含量区间内选择。
C：C是最基本的强化元素，C溶解在钢中形成间隙固溶体，起固溶强化的作用，与强碳化物形成元素形成碳化物析出，则起到沉淀强化的作用。但太高的C对钢的韧性和焊接性能不利；C太低又降低钢的强度。因此，本发明控制C含量为0.45-0.65%。
Si：Si是固溶强化元素，同时也是钢中的脱氧元素，但含量过高会恶化钢材的焊接性能，同时不利于轧制过程中热轧氧化铁皮去除，因此，本发明控制Si含量在0.2-0.3%。
Mn：Mn通过固溶强化提高钢的强度，是钢中补偿因C含量降低而引起强度损失的最主要、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；但Mn是易偏析元素，当Mn含量较高时，在浇铸过程中Mn易在板厚中心偏析，轧制完成后生成硬相的马氏体组织，降低材料的低温韧性和抗动态撕裂性能。因此，本发明控制Mn含量为1.66-1.74%。
Cr：Cr是提高钢的淬透性的重要元素，确保厚规格钢板全厚度的组织及性能均匀性，而且Cr含量在0.10%以上时，能有效改善钢的耐腐蚀性能；但太高的铬和锰同时加入钢中，会导致低熔点Cr-Mn复合氧化物形成，在热加工过程中形成表面裂纹，同时会严重恶化焊接性能。因此，本发明中Cr含量限定在0.13-0.19%。
Nb：Nb是低碳微合金钢的重要元素之一，热轧过程中固溶的Nb应变诱导析出形成Nb（N，C）粒子，钉扎晶界抑制形变奥氏体的长大并抑制再结晶的发生，经控制轧制和控制冷却使形变奥氏体相变为具有高位错密度的细小的产物。对于厚规格管线钢而言，太低的Nb含量弥散析出效果不明显，起不到细化晶粒、强化基体作用；太高的Nb含量，由于抑制了钢板芯部再结晶的发生，不利于晶粒细化。且Nb的固溶与C含量有关，C含量太高Nb固溶量少，无法起到析出强化及晶粒下滑效果；C含量过低会导致晶界弱化，Nb含量过低则析出强化效果不明显。因此，本发明中Nb含量应限定在0.035-0.045%，且要求0.04%≤Nb+C≤0.1%。
Ti：Ti是一种强烈的碳氮化物形成元素，Ti的未溶的碳氮化物在钢加热时可以阻止奥氏体晶粒的长大，在高温奥氏体区粗轧时析出的TiN可有效抑制奥氏体晶粒长大。另外在焊接过程中，钢中的TiN粒子能显著阻止热影响区晶粒长大，从而改善钢板的焊接性能同时对改善焊接热影响区的冲击韧性有明显作用。因此，本发明中Ti含量控制在0.0115-0.0175%。
S、P：S、P是钢中不可避免的杂质元素，希望越低越好。通过超低硫(小于20ppm)及Ca处理对硫化物进行夹杂物形态控制，同时控制P含量0.012%以下，可保证发明钢具有良好的低温冲击韧性。
Ca：通过Ca处理可以控制硫化物的形态，改善钢板的各向异性，提高低温韧性，为确保最佳效果Ca的控制范围为0.0010-0.0035%。
Al：Al是为了脱氧而加入钢中的元素，添加适量的Al有利于细化晶粒，改善钢材的强韧性能，本发明中Al含量控制范围为0.02-0.04%。
以上内容仅用以说明本发明的技术方案，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的简单修改或者等同替换，均不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (5)

1.一种厚规格高韧性管线钢的制造方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）化学成分准备：按照质量百分数准备如下化学成分：C：0.45-0.65%，Si：0.2-0.3%，Mn：1.66-1.74%，P：0-0.012%，S：0-0.02%，Cr：0.13-0.19%，Nb：0.035-0.045%，Ti：0.0115-0.0175%，Ca：0.001-0.0035%，Al：0.02-0.04%，其余为Fe以及不可避免的杂质，且上述元素同时需满足如下关系：0.04%≤Nb+C≤0.1%；
（2）冶炼、浇铸：将步骤（1）中的化学成分进行浇注，其中Fe和不可避免杂质先在转炉中冶炼，然后通过LF+RH双重精炼脱硫、脱氢，再进行连铸机浇铸，获得板坯；
（3）加热：将板坯进行加热，加热温度设置在1130-1180℃，加热时间大于160min；
（4）轧制：轧制分为粗轧和精轧两个阶段，钢板需在奥氏体完全再结晶区完成整个轧制的粗轧过程，粗轧采用成型、展宽、轧制三阶段，粗轧总道次选用7/9/11道，成型与轧制道次采用大压下量,单道次厚度累计压下量为20-30mm，然后以待温厚度4-5T,T为成品厚度；在中间辊道进行待温,待温度降至奥氏体未再结晶区后进行精轧机轧制；开轧温度设定在940-980℃，终轧温度设定在830-870℃，轧制道次选用7道，前6道轧制速度最大为4-6m/s，保证钢板开冷温度，最后一道次速度为3.5-4.5m/s，保证入水板形；
（5）冷却：在控轧阶段后增加24组冷却水进行喷水冷却，开冷温度控制在760-800℃，冷速在25-30℃/S,终冷温度在450-550℃；得到厚度为19mm-21mm的成品钢板。
2.根据权利要求1所述的厚规格高韧性管线钢，其特征在于：所述步骤（5）中采用的24组冷却水均为弱冷，冷速为25-29℃/S，终冷温度在450-550℃。
3.根据权利要求1所述的厚规格高韧性管线钢，其特征在于：所述步骤（5）采用的24组冷却水中前12组冷却水强冷，经过12组冷却水强冷后板坯温度约为550℃-700℃；后12组冷却水弱冷，冷速为冷速在23-27℃/S，终冷温度在450-550℃。
4.根据权利要求1所述的厚规格高韧性管线钢，其特征在于：所述厚规格高韧性管线钢的显微组织以细化的针状形铁素体为主，其屈服强度≥485MPa，抗拉强度≥580MPa，-20℃全尺寸夏比冲击功≥350J，-10℃全板厚DWTT断口剪切面积百分数≥85%。
5.根据权利要求1所述的厚规格高韧性管线钢，其特征在于：所述厚规格高韧性管线钢采用细化的多边形铁素体为主的显微组织设计，有效平均晶粒尺寸在10μm以下。
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