CN109536847B - 屈服强度390MPa级焊管用热轧钢板及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及屈服强度390MPa级焊管用热轧钢板及其制造方法，主要解决现有屈服强度390MPa级纵剖焊管用热轧钢板冲击韧性低、制造成本高的技术问题。本发明屈服强度390MPa级焊管用热轧钢板，其化学成分重量百分比为：C：0.05～0.07％，Si:0.08‑0.15％，Mn：0.80～0.90％，P≤0.015％，S≤0.004％，N≤0.0060％，Al：0.010～0.040％，Ti：0.01～0.02％，Nb：0.035～0.045％，余量为铁和不可避免夹杂。厚度为6.0～13.0mm的热轧钢板横向‑5℃夏比冲击功值Akv≥80J。本发明热轧钢板适用于制作石油天然气输送用纵剖焊管。

Description

屈服强度390MPa级焊管用热轧钢板及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种管线钢，特别涉及一种屈服强度390MPa级焊管用热轧钢板及其制造方法，具体而言，涉及一种屈服强度390MPa级纵剖焊管用热轧钢板及其制造方法，可用于制作石油天然气输送用纵剖焊管，属于铁基合金技术领域。
背景技术
输送石油天然气最有效的工具是管道输送，具有高效、经济、安全、无污染等特点。为了提高输送效率、降低能耗、减少投资，长输管线向高压、大口径输送发展已成为趋势。促进了新建热连轧机组不断向更宽规格、更高强度方向发展，以满足输送主线长距离、高压需求。另一方面，作为管线支线工程和城市管网所需的小管径焊管用钢量也在大幅度同步提高。为了在宽的热连轧机组生产管线支线工程和城市管网所需的小管径焊管用钢，就必须对宽热轧钢带进行纵剖。
纵剖焊管是焊管产品中的精细产品。与非纵剖的常规焊管相比，纵剖焊管是制管企业沿纵向将热轧板卷纵切后用高频焊(HFW)方式制管。高频焊(HFW)是一种通过高频电流的集肤效应(Skin Effect)和临近效应(Proximity Effect)把管坯边缘加热熔化、并施以挤压而锻合的焊接方法，与其它焊接方法相比，其显著特点是无金属填充物(如焊丝)，因此，在焊接工艺稳定的情况下，焊接质量很大程度取决于钢带质量。炼钢生产的连铸板坯凝固时在坯宽1/2处最容易产生成份偏析、疏松、裂纹和夹杂物超标等缺陷，在HFW焊接过程中，缺陷部位受挤压，易扩展为焊接部位的母材缺陷，表现为裂纹或夹杂导致的探伤不合，探伤后才能发现，缺陷导致的经济损失往往较大。优点在于钢卷较宽，钢厂热卷生产成本低，性能控制稳定，可以大卷交货。
申请公布号为CN101899617A的中国专利文件公布了一种X56管线钢及其生产制造方法，经过加热、除鳞后，在同一台双机架紧凑式炉卷轧机上连续完成粗轧和精轧，通过轧制过程中的延时轧制控制，使得加入钢中的Nb、V等微合金化元素的强化作用得到充分发挥，获得微细均匀的组织，有效防止混晶出现，极大提高了X56管线钢的强度和韧性。其化学成分为C:0.060～0.090％，Si:0.20～0.30％，Mn:1.30～1.50％，S≤0.008％,P≤0.020％,Nb:0.035～0.055％，V:0.020～0.040％，Ti:0.01～0.022％，N≤0.008％,Als:0.010-0.040％，其余为铁和不可避免夹杂。该项发明材料为屈服强度390MPa级别，但需通过炉卷轧机生产，且不具备满足纵剖管线专用要求。
申请公布号为CN101928877A的中国专利文件公布了一种石油套管用钢、高频焊石油套及其制造方法，该发明的石油套管用钢能够用于制造J55钢级的高频石油套管，并且其纵剖料适用于制造外径在244.48mm以下的J55钢级的高频焊石油套管。其化学成分为C:0.13～0.18％，Si:0.15～0.25％，Mn:0.60～1.00％，S≤0.005％,P≤0.015％,Nb:0.008～0.020％，Ca:0.0010～0.0045％，Al:0.010-0.040％，其余为铁和不可避免夹杂。该项发明材料可以满足纵剖料要求，但碳含量较高，冲击韧性低，不能满足用于制造输送石油天然气焊管要求。
因此，现有技术公开的管线用热轧钢板化学成分、纵剖工艺，不能满足石油天然气焊管制造企业对钢板纵剖工艺质量的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种屈服强度390MPa级焊管用热轧钢板及其制造方法，主要解决现有屈服强度390MPa级纵剖焊管用热轧钢板冲击韧性低、制造成本高的技术问题。
本发明的技术思路是通过在C-Mn及Nb-Ti微合金化成分基础上，采用合理成分设计，结合合适的炼钢、连铸、热轧工艺设计，保证产品具有良好的力学性能和冷弯、焊接等工艺性能，满足纵剖、焊接、成形等加工要求。
本发明采用的技术方案是，一种屈服强度390MPa级焊管用热轧钢板，其化学成分重量百分比为：C：0.05～0.07％，Si:0.08-0.15％，Mn：0.80～0.90％，P≤0.015％，S≤0.004％，N≤0.0060％，Al：0.010～0.040％，Ti：0.01～0.02％，Nb：0.035～0.045％，余量为铁和不可避免夹杂。
本发明热轧钢板的金相组织为铁素体+少量珠光体，所述组织的晶粒度级别为9～12级，厚度为6.0mm～13.0mm的热轧钢板的规定总延伸强度Rt0.5为390MPa～545MPa，抗拉强度Rm为490MPa～760MPa，断后伸长率A50mm为30％～50％，钢板横向-5℃夏比冲击功值Akv≥80J；180°弯曲试验，d＝2a，合格。本发明热轧钢板适用于制作石油天然气输送用纵剖焊管。
本发明所述的屈服强度390MPa级焊管用热轧钢板的化学成分限定在上述范围内的理由如下：
碳：碳是本成分体系主要元素，碳是最廉价的合金元素，对提高钢板强度有利，本成分体系充分利用C的强化作用。但它是易偏析元素，含量高会增加连铸坯的中心偏析，不利于纵剖钢焊接，同时也降低材料韧性，恶化性能。碳太低，会降低钢种强度。因此，本发明综合考虑C与Mn的强化作用，设定的C含量为0.05～0.07％。
锰：锰也是本成分体系主要元素，可以起到固溶强化的作用。锰起固溶强化作用，锰成为高强度低合金钢中添加的最常用的固溶强化元素。但Mn是易偏析元素，含量高会增加连铸坯的中心偏析，不利于纵剖钢焊接。Mn是本发明成分体系中严格控制的元素，进一步限定Mn含量为0.80～0.90％。
碳和锰是保证纵剖产品最终性能的关键元素，为了保证热轧钢板性能稳定，应严格控制范围。
硅：硅在钢中通过固溶强化适当地提高钢的强度，过高的Si含量会降低Mn/Si比，对板坯的表面质量和焊管的焊接性能有不良影响，焊接韧性随Mn/Si比的提高而提高。但Si过低将影响Ca处理钢的浇注质量。本发明限定Si含量为0.08％～0.15％。
硫和磷：硫和磷元素过高会对材料韧性和塑性有不利影响，而硫和璘过低，又会增加炼钢的脱硫和脱磷成本。本发明限定S≤0.004％，P≤0.015％。
氮：氮含量过高会严重恶化材料的塑性和韧性，本发明限定N≤0.0060％。
铝：铝在本发明中的作用是起到脱氧的作用，铝是强氧化性形成元素，和钢中氧形成Al2O3在炼钢时去除。铝过高会形成过多的Al2O3夹杂，并且连铸浇注时容易堵塞浇注水口。本发明限定Al含量为0.010％～0.040％。
钛：是一种强的固N元素，Ti/N的化学计量比约为3.42，利用0.02％左右的Ti就可以固定钢中60ppm以下的N，在板坯连铸时就可形成高温稳定的细小的TiN析出相。这种细小的TiN粒子可有效阻碍板坯再加热时的奥氏体晶粒长大，从而对提高最终产品的韧性有积极的作用。极少量的Ti就能得到明显的强化效果。此外，TiN粒子在焊接时还可避免焊接热影响区的晶粒长大，改善焊接热影响区的冲击韧性。本发明限定Ti含量为0.01～0.02％。
铌：Nb对晶粒细化的作用十分明显，通过热轧过程中NbC的应变诱导析出阻碍形变奥氏体的回复、再结晶，经控制轧制和控轧冷却使精轧阶段非再结晶区轧制的形变奥氏体组织在相变时转变为细小的相变产物，使钢具有高的强度和高的韧性。Nb还通过析出强化提高强度。降低碳含量有利于提高板坯再加热时Nb在高温奥氏体中的固溶度，可充分发挥控轧控冷过程中Nb对析出强化和细晶强化的作用。本发明限定Nb含量为0.035～0.045％。
一种屈服强度390MPa级焊管用热轧钢板的制造方法，该方法包括：
钢水经连铸得到连铸板坯，其中所述钢水化学成分重量百分比为：C：0.05～0.07％，Si:0.08-0.15％，Mn：0.80～0.90％，P≤0.015％，S≤0.004％，N≤0.0060％，Al：0.010～0.040％，Ti：0.01～0.02％，Nb：0.035～0.045％，余量为铁和不可避免夹杂；
连铸板坯于1170～1230℃，加热150～240min后进行热轧，所述的热轧采用两阶段控制轧制工艺，粗轧为6道次轧制，在奥氏体再结晶温度以上轧制，粗轧结束温度为980～1020℃；精轧为7道次连轧，精轧入口温度950～1010℃，精轧结束温度在810～850℃；精轧后，钢板厚度为6.0～13.0mm，层流冷却采用前段冷却，冷却速度5～25℃/s，卷取温度为510～550℃时卷取得热轧钢卷。
本发明采取的生产工艺的理由如下：
1、连铸板坯加热温度和加热时间的设定
板坯加热温度设定在于确保Nb元素的溶解，板坯加热温度过高会引起板坯奥氏体晶粒异常长大。连铸板坯加热温度设定为1170℃～1230℃；连铸板坯加热时间设定为150～240min。
2、粗轧结束温度的设定
粗轧过程中，为使晶粒进行回复和再结晶，粗轧结束温度应高于该钢的奥氏体再结晶温度，该钢的奥氏体再结晶温度为870℃，但粗轧结束温度不能太高，否则必须提高连铸板坯的加热温度，增加能耗。粗轧结束温度设定为980℃～1020℃。
3、精轧结束温度的设定
为防止精轧在两相区轧制，终轧温度需高于Ar3相变点，该钢的Ar3相变点为800℃，但终轧温度不能太高，否则必须提高连铸板坯的加热温度，增加能耗。因此，综合考虑，本发明精轧结束温度设定为810℃～850℃。
4、层流冷却方式、冷却速度的设定
经试验研究，铁素体晶粒尺寸和珠光体体积分数均随终轧后冷却速度的提高而显著减少。从相应的力学性能计算值来看，随冷却速度增大，冲击转变温度降低，屈服强度总体上有所增加而抗拉强度变化不大，亦即屈强比将会升高。总之，终轧后加快冷却速度有利于降低γ→α相变温度、抑制铁素体晶粒长大，通过细化铁素体晶粒，改善管线钢板卷的强韧综合性能。因此，综合考虑，本发明层流前段冷却速度控制在5～25℃/s。采用前段层流冷却方式，达到细晶强化、析出强化或相变强化目的。
5、热轧卷取温度的设定
热轧卷取温度的设定主要使考虑二次析出粒子相的强化效果和晶粒度长大，其表现为材料的性能和组织。卷取温度高有利于Ti、Nb合金碳、氮的粒子二次相析出，但容易导致基体铁素体组织长大，Nb、Ti微合金碳、氮化物析出物粗化，降低钢板的韧性；卷取温度过低，Ti、Nb合金碳、氮的粒子二次相析出被抑制，提高钢板强度的析出强化效果不佳。综合考虑，本发明设定热轧卷取温度为510～550℃。
按本发明方法生产的热轧钢板的金相组织为铁素体+少量珠光体组织，所述组织的晶粒度级别为9～12级，厚度为6.0mm～13.0mm的热轧钢板的规定总延伸强度Rt0.5为390MPa～545MPa，抗拉强度Rm为490MPa～760MPa，断后伸长率A50mm为30％～50％，钢板横向-5℃夏比冲击功值Akv≥80J，180°弯曲试验，d＝2a，合格。本发明热轧钢板适用于制作石油天然气输送用纵剖焊管。
本发明相比现有技术具有如下积极效果：1、本发明通过纵剖料成分设计和制造工艺设计，可以满足宽热连轧机组生产宽规格热轧钢带，钢带进行纵剖，从而满足生产管线支线工程和城市管网所需的小管径焊管用钢需求。宽热连轧机组生产宽规格热轧钢带，可以在保证成品质量的前提下，提高产能，充分发挥宽热连轧机组能力。2、本发明的成分体系，结合合适的炼钢、连铸、热轧工艺设计，得到的屈服强度390MPa级纵剖焊管用热轧钢板，与同强度级别其它钢板相比，组织、性能稳定，能更好的满足纵剖、焊接、成形等工艺要求，降低了管线支线工程和城市管网所需的小管径焊管制造成本。3、本发明热轧钢板，晶粒度级别为9～12级，规定总延伸强度Rt0.5为390～545MPa，抗拉强度Rm为490～760MPa，断后伸长率A50mm为30％～50％，钢板横向-5℃夏比冲击功值Akv≥80J，满足焊管制造企业对纵剖钢板力学性能和工艺性能的需求，填补了行业空白。
附图说明
图1为本发明实施例1热轧钢板的金相组织照片。
具体实施方式
下面结合实施例1～4对本发明做进一步说明，如表1～3所示。
表1为本发明实施例钢的化学成分(按重量百分比计)，余量为Fe及不可避免杂质。
表1本发明实施例钢的化学成分，单位：重量百分比。
Figure BDA0001415275840000051
通过转炉熔炼得到符合化学成分要求的钢水，钢水经精炼炉精炼工序吹Ar处理，RH炉进行真空循环脱气处理和成分微调，后进行板坯连铸得到连铸板坯；连铸板坯厚度为210～230mm，宽度为900～1600mm，长度为8500～11000mm。
炼钢生产的定尺板坯送至加热炉再加热，出炉除鳞后送至热连轧机组轧制。通过粗轧和精轧连轧机组控制轧制，经层流冷却后进行卷取，层流冷却采取前段冷却，产出合格热轧钢卷。热轧钢板的厚度为6.0～13.0mm；热轧工艺控制参数见表2。
表2本发明实施例热轧工艺控制参数
Figure BDA0001415275840000052
Figure BDA0001415275840000061
利用上述方法得到的屈服强度390MPa级纵剖焊管用热轧钢板。参照图1，热轧钢板的金相组织为铁素体+少量珠光体，组织的晶粒度为9～12级。
将本发明得到的热轧钢板按照《GB/T228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》进行拉伸试验，按照《GB/T 232-2010金属材料弯曲试验方法》进行弯曲试验，按照《GB/T 229-2007金属材料夏比摆锤冲击试验方法》进行弯曲试验，其力学性能见表3。
本发明得到的热轧钢板具有良好的强韧性、焊接性和弯曲成型性，6.0～13.0mm热轧钢板的的规定总延伸强度Rt0.5为390MPa～545MPa，抗拉强度Rm为490MPa～760MPa，断后伸长率A50mm为30％～50％，钢板横向-5℃夏比冲击功值Akv≥80J，180°弯曲试验，d＝2a，合格。
表3本发明实施例热轧钢板的力学性能
Figure BDA0001415275840000062
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。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 (3)

1.一种屈服强度390MPa级焊管用热轧钢板，其化学成分重量百分比为：C：0.05～0.07％，Si:0.08-0.15％，Mn：0.80～0.90％，P≤0.015％，S≤0.004％，N≤0.0060％，Al：0.010～0.040％，Ti：0.01～0.02％，Nb：0.035～0.045％，余量为铁和不可避免夹杂；所述热轧钢板的金相组织为铁素体+少量珠光体，所述组织的晶粒度级别为9～12级；6.0～13.0mm厚热轧钢板的规定总延伸强度Rt0.5L为390MPa～545MPa，抗拉强度Rm为490MPa～760MPa，断后伸长率A50mm为30％～50％，钢板横向-5℃夏比冲击功值Akv≥80J，180°弯曲试验，d＝2a，合格。
2.一种屈服强度390MPa级焊管用热轧钢板的制造方法，包括：
钢水经连铸得到连铸板坯，其中所述钢水化学成分重量百分比为：C：0.05～0.07％，Si:0.08-0.15％，Mn：0.80～0.90％，P≤0.015％，S≤0.004％，N≤0.0060％，Al：0.010～0.040％，Ti：0.01～0.02％，Nb：0.035～0.045％，余量为铁和不可避免夹杂；
连铸板坯于1170～1230℃，加热150～240min后进行热轧，所述的热轧采用两阶段控制轧制工艺，粗轧为6道次轧制，在奥氏体再结晶温度以上轧制，粗轧结束温度为980～1020℃；精轧为7道次连轧，精轧入口温度950～1010℃，精轧结束温度在810～850℃；精轧后，层流冷却采用前段冷却，冷却速度5～25℃/s，卷取温度为510～550℃时卷取得热轧钢卷。
3.如权利要求2所述的屈服强度390MPa级焊管用热轧钢板的制造方法，其特征是，热轧精轧后，控制热轧钢板厚度为6.0～13.0mm。
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