CN109957713B

CN109957713B - 超宽厚壁x80级管线用热轧钢板及其生产方法

Info

Publication number: CN109957713B
Application number: CN201711333529.5A
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: 2017-12-14
Filing date: 2017-12-14
Publication date: 2020-09-01
Anticipated expiration: 2037-12-14
Also published as: CN109957713A

Abstract

本发明公开超宽厚壁X80级管线用热轧钢板及其生产方法。钢中含有，C：0.03％～0.05％、Si：0.16％～0.28％、Mn：1.50％～1.75％、Nb：0.05％～0.08％、Ti：0.012％～0.025％、Cr：0.10％～0.25％、V：0.01％～0.04％、Mo≤0.19％、Ni≤0.20％、Cu：≤0.14％、Al≤0.020％、P≤0.013％、S≤0.0015％、O：0.0005％～0.0020％、N：0.001％～0.004％、Ca：0.0010％～0.0045％且满足Ca/S≥1.6，Mo+Ni+Cr+Cu：0.40％～0.65％，余量为铁和不可避免的杂质；粗轧开轧温度1070～1150℃，精轧开轧温度820～860℃，终轧温度760～780℃，冷却温度730～770℃，钢板宽度＞4000mm，厚度>25mm，低温韧性良好、屈强比低。

Description

超宽厚壁X80级管线用热轧钢板及其生产方法

技术领域

本发明属于低碳低合金钢技术领域，尤其涉及一种油气输送管线用厚度>25mm、宽度>4000mm的X80级高强度、高韧性、低屈强比热轧钢板及其生产方法。

背景技术

为了提高油气输送效率，长输油气管道的输送压力和管道口径不断增大，油气管道建设所需钢管的最大口径已达到φ1422mm，同时，为保证安全性，钢管的强度级别和厚度也在增加，需要相应的管线钢板必须满足厚壁(>25mm)、大板宽(>4000mm)、高钢级(X80级)的要求。

另一方面，世界石油、天然气消耗量持续增大，而原有油气田逐渐枯竭，新建油气项目不断向边远、高寒等气候恶劣的地区发展。由于边远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。

目前，国内外对油气输送用高强度宽厚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。检索到的相关专利和文献如下：

CN103343297A公开了一种低成本X80管线钢宽厚板及其生产方法。提供了一种X80级别管线宽厚板，钢板宽度2400mm，采用增大总压缩比、粗轧大道次变形率(≥25％)、超快速冷却(冷速30～40℃/s)等方式来获得所需的性能。其所述钢板宽度无法满足大口径管线需求，工艺对设备能力要求高，无法适用于超宽厚壁管线钢；同时，未利用Ti、V、Cu、O、N等元素的细晶和强化作用。

CN101845596A公开了一种X80管线钢用宽厚板及其制造方法。提供了一种X80级别管线宽厚板，成分中Mn(1.65％～2.28％)、Cr(0.22％～0.55％)等元素含量高，冲击韧性低。

CN106222562A公开了一种厚壁大口径高钢级管线钢的制造方法。提供了一种X80级别管线的制造方法，钢板宽度小(<3900mm)，成分中Ni(0.25％～0.30％)、Cu(0.15％～0.20％)等元素含量高，工艺上低温大变形率的要求无法适用于超宽厚壁管线钢。

RU2583973(C1)公开了一种厚壁管线钢的制造方法，提供了一种K60级管线钢，钢板厚度小(14～20mm)，C含量0.06％～0.08％，采用较高的加热、轧制温度，不利于低温韧性控制。

US2010330388(A1)公开了一种低温韧性良好的高强度焊接钢管及其制造方法，所述钢板强度偏低(X65～X70级)，无法满足高强度要求。

牛涛，吴新朗，安成钢等人在《材料研究学报》2016年8期发表的论文《超快冷对厚规格X80管线钢组织性能的影响》，主要介绍了冷却工艺对厚度22mm的X80管线钢的影响，产品的厚度较小，冷速要求高(25℃/s)，无法适用于超宽厚壁管线钢。

综上所述，现有技术对超宽厚壁X80级管线用热轧钢板的研究尚有不足。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，解决超宽厚壁X80级管线钢强塑韧性匹配、微观组织选择和均匀性、低温韧性等控制问题，提供一种油气输送用厚度>25mm、宽度>4000mm的X80级高强度、高韧性、低屈强比热轧钢板及其生产方法。

本发明所述超宽厚壁X80级管线用热轧钢板的厚度>25mm、宽度>4000mm；成分设计以低C、低Mn为基础，重点利用Nb、Ti、V元素抑制奥氏体晶粒长大和在奥氏体转变过程中的促进形核的作用来细化晶粒，控制厚度心部组织；利用Cr元素部分或全部替代贵重的Mo、Ni等元素，配以相应的冶炼、轧制、热矫、冷却等生产工艺获得高强度、高韧性、低屈强比X80热轧钢板所需的性能和理想的微观组织。

具体的技术方案是：

一种超宽厚壁X80级管线用热轧钢板的化学成分，按质量百分比计含有C：0.03％～0.05％、Si：0.16％～0.28％、Mn：1.50％～1.75％、Nb：0.05％～0.08％、Ti：0.012％～0.025％、Cr：0.10％～0.25％、V：0.01％～0.04％、Mo≤0.19％、Ni≤0.20％、Cu：≤0.14％、Al≤0.020％、P≤0.013％、S≤0.0015％、O：0.0005％～0.0020％、N：0.001％～0.004％、Ca：0.0010％～0.0045％且满足Ca/S≥1.6，Mo+Ni+Cr+Cu：0.40％～0.65％，余量为铁和不可避免的杂质。

同时，碳当量CE_IIW控制在0.39％～0.43％，CE_Pcm控制在0.15％～0.18％，其中CEIIW＝C+Mn/6+(Cr+Mo)/5+(Ni+Cu)/15；CE_Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B。

本发明成分设计理由如下：

C：是钢中最有效的强化元素，能够形成间隙固溶体，还可以与合金元素作用形成碳化物，对保证强度有利，因此，碳含量不宜过低；同时，本发明考虑到碳含量对形成强韧性良好的贝氏体组织的影响，以及碳含量的增加对材料塑性和焊接性不利，所以，碳含量也不能过高，本发明将碳控制在0.03％～0.05％。

Si：有固溶强化作用，提高淬透性，兼具一定的脱氧作用，但其含量过高会使钢的塑性和韧性降低，易引起冷脆，因此，本发明将Si含量控制在0.16％～0.28％。

Mn：具有固溶强化作用，可有效提高强度，对提高淬透性也有利，可以增加奥氏体稳定性，促进中低温转变组织形成；但是，锰含量过高易诱发偏析，恶化大壁厚钢板厚度中心韧性且不利于焊接，因此，本发明将锰含量控制在1.50％～1.75％。

Nb：有明显的固溶和析出强化作用，对于本发明所述超宽厚壁X80级管线用热轧钢板而言，Nb在轧制、加速冷却前的碳氮化物析出钉扎能够有效细化晶粒，改善强韧性，同时，Nb能抑制奥氏体再结晶，减少大壁厚管线钢因厚度方向温度差异而产生混晶问题，但是，Nb含量过高会使生产成本明显增加，因此，本发明将铌含量控制在0.05％～0.08％。

Ti：可以发挥固氮效果作用，能抑制高温条件下奥氏体的晶粒长大，有利于细化钢板微观组织，也可以改善焊后热影响区韧性；同时，以Ti的氧化物为主的细小颗粒能够促进奥氏体相变过程中的晶粒细化，对改善大壁厚管线钢厚度中心附近的组织性能有益。因此，本发明将钛含量控制0.012％～0.025％。

Cr：能提高奥氏体稳定性和淬透性，降低奥氏体相变温度，还有固溶强化作用，可以弥补Mo、Ni等元素减少带来的强度损失，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；但Cr含量过高对焊接性不利、塑性也有恶化趋势，所以，本发明将Cr含量控制在0.10％～0.25％。

V：是碳氮化物形成元素，兼具固溶强化作用，能够提高强度；但V含量过高韧性恶化，成本增加，因此，本发明将V含量控制在0.01％～0.04％。

Mo：能够明显提高淬透性，增加强度，促进中低温组织转变，优化钢板和HAZ区的组织性能，但是，钼含量过高会增加成本，因此，本发明将Mo含量控制在≤0.19％。

Ni：提高强度，有利于改善低温韧性和耐腐蚀性；Ni还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，本发明将Ni含量控制在≤0.20％。

Cu：能起到固溶强化作用，同时，Cu还可以提高耐蚀性，但含量过高易诱发裂纹，损害焊接性，因此，本发明将铜含量控制在≤0.14％。

Al：是脱氧元素，为了促进以Ti的氧化物为主的细小颗粒的形成要求严苛控制Al含量，本发明将Al控制在≤0.020％。

P、S：在本发明中为有害杂质元素，含量越低越好。本发明将P、S分别控制在P≤0.013％、S≤0.0015％。

O：在本发明中与Ti作用形成以Ti的氧化物为主的细小粒状，可以发挥细化大壁厚管线钢组织的作用，但其含量过高会促进夹杂物的增多和长大，本发明将氧含量控制在0.0005％～0.0020％。

N：可以与Ti、Nb、V等元素结合形成析出物，对抑制板坯加热时晶粒长大发挥明显作用，同时，能起到强化效果，因此，钢中存在一定的N对性能有利，但含量过高会恶化母材和焊接热影响区的韧性，本发明将N含量控制在0.001％～0.004％。

Ca：可以有效控制夹杂物形态，减少硫化物、氧化物等夹杂物对性能的危害，本发明将Ca含量控制在0.0010％～0.0045％、且Ca/S≥1.6，可以达到理想的夹杂物控制效果。

Mo、Ni、Cr、Cu均具有强化作用，增加奥氏体稳定性，有利于提高淬透性，鉴于本发明采用低C低Mn设计，Mo+Ni+Cr+Cu过低不利于性能和微观组织控制，含量过高影响焊接性和经济性，因此，本发明将Mo+Ni+Cr+Cu控制在0.40％～0.65％。

本发明的碳当量CE_IIW控制在0.39％～0.43％，CE_Pcm控制在0.15％～0.18％，既可以保证钢板的强韧性，又能使钢板具有适宜的可焊性。

本发明所述超宽厚壁X80级管线用热轧钢板的制造方法包括铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼、连铸、轧制、冷却；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℃，连铸坯拉速0.8～1.4m/min，连铸坯厚度/成品钢板厚度控制在8～12；连铸前的吹氩镇静能够促进夹杂物去除，改善钢水成分和温度均匀性；浇注过热度和连铸坯拉速的控制可以有效减少铸坯质量缺陷；从连铸坯到成品钢板的压缩比有利于晶粒细化。

连铸坯经清理后装炉加热，其中，连铸坯均热温度1140～1180℃，均热段加热时间50～110min，加热总时间1.1～1.5min/mm；连铸坯清理可有效减少表面缺陷，采用较低的均热温度可以有效控制奥氏体晶粒长大，同时，保证合金元素的固溶效果；加热时间可保证坯料温度均匀性。

粗轧开轧温度为1070～1150℃，粗轧终轧温度为980～1020℃，采用横纵轧制方式，其中，纵轧开始温度低于1050℃，纵轧阶段保证至少最后2个道次的道次变形率大于15％；粗轧总变形率不小于50％，粗轧轧制速度1.0～1.8m/s，粗轧阶段的轧制温度和变形工艺使奥氏体晶粒再结晶，粗轧纵轧采用低温大压下促进晶粒充分细化，粗轧轧制速度的控制可以促进轧制变形向厚度中心的渗透，细化厚度中心晶粒，有利于改善大壁厚管线钢的心部组织。

中间待温坯厚度为2.5t～3.8t(t为成品钢板厚度)，精轧开轧温度为820～860℃，精轧终轧温度为760～780℃，且至少有1道次轧制温度不高于780℃；中间待温坯厚度和精轧温度能保证奥氏体变形并积累形变能，配以以Ti的氧化物为主的细小颗粒，增加形核位置；控制精轧最后阶段的轧制温度可以促进细小的形变诱导铁素体生成，有效改善韧性，控制屈强比。

轧后钢板进行加速水冷，开始水冷冷却温度730～770℃，轧后至开始水冷间隔时间不低于10s，终冷温度320～410℃，水冷冷却时间不低于15s。钢板开始水冷温度和时间可以控制水冷前组织中铁素体比例和晶粒尺寸形貌，提高塑性和韧性，水冷温度区间、终冷温度和水冷时间可以促进硬相组织形成，改善水冷均匀性，是钢板强度达到要求的重要保证。

钢板最终微观组织以贝氏体+铁素体的复合组织为主，其中，铁素体体积百分比在8％～40％，钢板具有高强度、低屈强比、良好的塑性和韧性，同时，焊接性和成型性满足制作超宽厚壁X80级油气输送管道的要求。

有益效果：

本发明同现有技术相比，有益效果如下：

(1)本发明以低C、低Mn为基础，重点利用Nb、Ti、V元素抑制奥氏体晶粒长大和在奥氏体转变过程中的促进形核作用来细化晶粒，控制厚度心部组织；利用Cr元素部分或全部替代贵重的Mo、Ni等元素，配以与之相应的独特的生产工艺，获得了综合性能优异的超宽厚壁X80级管线用热轧钢板。

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

(3)本发明的精炼、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)本发明利用独特的低温轧制+轧后控冷工艺获得强塑韧性匹配良好的微观组织结构，有效提高产品性能。

(5)本发明所述超宽厚壁X80级管线用热轧钢板的厚度>25mm、宽度>4000mm，横向屈服强度可达到530～600MPa，横向抗拉强度达到655～710MPa，横向延伸率A_50mm≥46％，横向屈强比不超过0.85，-60℃横向冲击功均值≥390J，-15℃横向DWTT剪切面积≥85％，微观组织以贝氏体+铁素体的复合组织为主，其中，铁素体体积百分比在8％～40％，晶粒度达到11级或更细，经弯制成型后钢管性能达到X80级别要求。

附图说明

图1为轧后淬火后铁素体形貌；图2为实施例1的厚度心部轧向组织；图3为实施例4轧向组织。钢板最终组织为贝氏体+铁素体复合组织，晶粒度达到11级或更细，充分利用了贝氏体的硬化作用和铁素体的软相特征，配以细小的晶粒尺寸，使所述钢板在获得高强度的同时具有良好的塑性、低屈强比、低温韧性等性能特点。

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为本发明实施例钢的化学成分；表2为本发明实施例钢的冶炼连铸工艺；表3为本发明实施例钢的板坯加热工艺；表4为本发明实施例钢板的粗轧工艺；表5为本发明实施例钢的精轧工艺；表6为本发明实施例钢的冷却工艺；表7为本发明实施例钢的机械性能和微观组织比例；表8为由本发明实施例钢板制成的钢管性能。

表1本发明实施例钢的化学成分 wt/％

表2本发明实施例超宽厚壁X80级管线用热轧钢板的冶炼连铸工艺

表3本发明实施例超宽厚壁X80级管线用热轧钢板的板坯加热工艺

实施例	均热温度/℃	均热段时间/min	加热总时间/(min·mm<sup>-1</sup>)
				1	1149	103	1.33
2	1160	73	1.24
				3	1156	98	1.38
4	1172	76	1.25
				5	1161	88	1.35
6	1169	69	1.16

表4本发明实施例超宽厚壁X80级管线用热轧钢板的粗轧工艺

表5本发明实施例超宽厚壁X80级管线用热轧钢板的精轧工艺

注：t不为成品钢板厚度。

表6本发明实施例超宽厚壁X80级管线用热轧钢板的冷却工艺

表7本发明实施例超宽厚壁X80级管线用热轧钢板的机械性能和微观组织比例

注：拉伸试样为全厚度矩形试样，平行测试段板宽38.1mm；DWTT试样为全厚度试样；冲击试样尺寸为10*55*55mm。

表8本发明实施例超宽厚壁X80级管线用热轧钢板制成钢管后性能

注：拉伸试样为

圆棒试样，平行测试段板宽38.1mm；DWTT试样为全厚度试样；冲击试样尺寸为10*55*55mm。

由表可得，根据本发明生产的超宽厚壁管线用热轧钢板，横向屈服强度＞530MPa，横向抗拉强度＞660MPa，横向延伸率≥49％，横向屈强比不超过0.84，-60℃横向冲击功平均值＞430J，-15℃横向DWTT剪切面积平均值≥89％，具有良好的强塑韧性匹配、低温韧性、低屈强比，制管后性能达到X80级要求。

Claims

1.一种超宽厚壁X80级管线用热轧钢板的生产方法，其特征在于，钢中化学成分按质量百分比为：C：0.03％～0.05％、Si：0.16％～0.28％、Mn：1.50％～1.75％、Nb：0.05％～0.08％、Ti：0.012％～0.022％、Cr：0.10％～0.25％、V：0.02％～0.04％、Mo≤0.19％、Ni≤0.20％、Cu：≤0.14％、Al≤0.009％、P≤0.013％、S≤0.0015％、O：0.0005％～0.0019％、N：0.001％～0.004％、Ca：0.0010％～0.0045％且满足Ca/S≥1.6，Mo+Ni+Cr+Cu：0.40％～0.65％，余量为铁和不可避免的杂质；钢的碳当量CE_IIW为0.39％～0.43％，CE_Pcm为0.15％～0.18％，其中CE_IIW＝C+Mn/6+(Cr+Mo)/5+(Ni+Cu)/15；CE_Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B；

钢板的生产工艺为：铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼、连铸、轧制、冷却，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℃，连铸坯拉速0.8～1.4m/min，连铸坯厚度/成品钢板厚度控制在8～12；

连铸坯均热温度1140～1180℃，均热段加热时间50～110min，加热总时间1.1～1.5min/mm；粗轧开轧温度为1070～1150℃，粗轧终轧温度为980～1020℃，采用横纵轧制方式，其中，纵轧开始温度低于1050℃，纵轧阶段至少最后2个道次的道次变形率大于15％；粗轧总变形率不小于50％，粗轧轧制速度1.0～1.8m/s；中间待温坯厚度为2.5t～3.8t，其中，t为成品钢板厚度，精轧开轧温度为820～860℃，精轧终轧温度为760～780℃且至少有1道次轧制温度不高于780℃；

轧后钢板进行加速水冷，开始水冷冷却温度730～770℃，轧后至开始水冷间隔时间不低于10s，终冷温度320～410℃，水冷冷却时间不低于15s。

2.如权利要求1所述的一种超宽厚壁X80级管线用热轧钢板的生产方法，其特征在于，钢板宽度＞4000mm，厚度＞25mm。