CN110643897A

CN110643897A - 特宽厚壁低屈强比x80直缝焊管用钢及其生产方法

Info

Publication number: CN110643897A
Application number: CN201910944445.8A
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: 2019-09-30
Filing date: 2019-09-30
Publication date: 2020-01-03
Anticipated expiration: 2039-09-30
Also published as: CN110643897B

Abstract

本发明公开特宽厚壁低屈强比X80直缝焊管用钢及其生产方法。钢中含有，C：0.045％～0.065％、Si：0.26％～0.40％、Mn：1.60％～1.80％、P≤0.010％、S≤0.0015％、Nb：0.04％～0.06％、Ti：0.008％～0.020％、Ni：0.10％～0.24％、Cu：0.16％～0.25％、Mo≤0.12％、Cr≤0.30％、Ni+Cu+Mo+Cr：0.45％～0.75％、Al：0.010％～0.030％、N：0.0010％～0.0040％，其余为Fe和不可避免的杂质。铸坯加热温度1190～1220℃，均热温度1170～1200℃；粗轧开轧温度1100～1140℃，精轧开轧温度810～840℃，开冷温度710～750℃。成品钢板厚度≥30mm、宽度≥4320mm，低温韧性和抗应变性良好。

Description

特宽厚壁低屈强比X80直缝焊管用钢及其生产方法

技术领域

本发明属于低碳低合金钢技术领域，尤其涉及一种厚度≥30mm、宽度≥4320mm的X80级特宽、厚壁、低温韧性和抗应变性良好的热轧钢板及其生产方法；适于制作地质活跃区、寒冷地区、跨越区和海底悬空区等复杂环境条件下服役的大口径油气输送直缝焊管。

背景技术

长期以来，增大油气管道输送效率一直是管道输送领域追求的目标。随着石油和天然气消耗量的日益增加，提高管道输送效率的需求变得更为迫切。增大管道口径和输送压力是提高油气输送效率的重要措施；但必须以保证管道安全性为前提。为增大管道口径必须增加直缝焊管用钢的宽度；为保证安全性和提升输送压力要求钢板必须具有更高的强度、韧性和更大的厚度；而且，寒冷地区、地质活跃区、管道跨越区和深海等环境服役的管道还要求必须具有良好的抗应变性能和低温韧性，以满足恶劣服役环境的要求；因此，研制兼具特宽、厚壁、高强度、高韧性和良好抗应变性等综合技术特征的油气输送直缝焊管用钢成为油气管道建设的亟需。

技术特征和指标的复杂性、多样性显著增加了特宽厚壁低屈强比X80直缝焊管用钢的研发难度。首先，钢板宽度的增加，使轧制变形抗力增大，道次变形率受到限制，使晶粒细化和控制难度倍增，同时，钢板宽度增加，使钢板板形控制难度激增，对轧制变形和快速冷却的均匀性提出了更高要求；而钢板厚度增加将导致厚度截面温度梯度增加、恶化厚度方向的冷却和组织均匀性；其次，钢板的宽厚规格特征也会激化强度-塑性-韧性矛盾，进一步增加性能控制难度。

目前，国内外对油气输送用宽厚管线钢板有一些研究，经检索发现了部分专利和文献，但其所记载的内容与本发明的技术方案所述成分、生产方法、性能、产品类别和尺寸规格等方面存在明显差异。

CN107502836A公开了一种提高低温韧性的厚壁大口径高钢级管线钢及其制造方法，提供了一种X80级别大口径直缝焊管用宽厚板及其制造方法，所述钢板成分上采用较多的Mo(0.15％～0.20％)、Ni(0.25％～0.30％)设计，成本高；制造工艺上要求粗轧末道次压下率大于25％，对设备能力要求过高，不适于高强度宽规格管线钢的生产。

CN108396299A公开了一种X80管线钢宽厚板的生产方法，提供了一种X80管线钢宽厚板及其生产方法，采用低Si(0.10％～0.14％)和高温粗轧，不利于钢板的强化和晶粒细化。

CN107385326A公开了一种超细晶粒宽厚管线钢板的生产工艺，提供了一种宽厚管线钢的生产工艺，其铸坯加热温度低(1120～1140℃)，不利于元素特别是Nb的固溶；粗轧末道次压下率过大(≥26％)，对设备能力要求过高。

RU2270873(C1)公开了一种高性能海底输气焊接管道用钢板的生产方法，提供了一种海底管线钢板及生产方法，成分中加入较多Ni、Cu等元素，成本高；生产方法上要求轧后冷却速度35～55℃/s，工艺实现难度大。

洪良，左秀荣，姬颍伦等人在《材料研究学报》2018年第32卷1期发表了《厚规格X80管线钢低温断裂行为研究》，文中主要介绍了厚度27.2mm X80低温断裂韧性与微观组织结构的关系，强调针状铁素体对改善低温韧性的作用，产品厚度小，文中未涉及具体的生产工艺。

综上所述，现有技术对特宽厚壁低屈强比X80直缝焊管用钢的研究尚有不足。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，解决特宽厚壁低屈强比X80直缝焊管用钢的尺寸规格、强度、均匀延伸率、屈强比、低温韧性、抗应变性等技术指标匹配难题，提供一种低温环境油气输送直缝焊管用厚度≥30mm、宽度≥4320mm的X80级特宽、厚壁、低温韧性和抗应变性良好的热轧钢板及其生产方法。

本发明所述特宽厚壁低屈强比X80直缝焊管用钢的厚度≥30mm、宽度≥4320mm；成分设计通过低C和低Mn改善材料韧性，利用Si提高强度和应变强化效果，通过Ni、Cu元素增加固溶强化效果并利用Ni元素提高低温韧性；利用Nb、Ti元素抑制奥氏体晶粒长大并在奥氏体转变过程中的促进形核作用来细化晶粒，控制钢板厚度心部组织，提高组织均匀性，通过Mn、Mo等元素含量的控制获得适宜的相变温度和相变动力学条件，便于多边形铁素体的形成和晶粒尺寸的控制；配以相应的冶炼、加热、轧制、冷却、矫直等生产工艺获得超宽、厚壁、高强度、高均匀延伸率、低屈强比、良好的低温韧性和抗应变性等综合性能及理想的微观组织。

具体的技术方案是：

本发明所述特宽厚壁低屈强比X80直缝焊管用钢的化学成分按质量百分比为C：0.045％～0.065％、Si：0.26％～0.40％、Mn：1.60％～1.80％、P≤0.010％、S≤0.0015％、Nb：0.04％～0.06％、Ti：0.008％～0.020％、Ni：0.10％～0.24％、Cu：0.16％～0.25％、Mo≤0.12％、Cr≤0.30％、(Ni+Cu+Mo+Cr)：0.45％～0.75％、Al：0.010％～0.030％、N：0.0010％～0.0040％，余量为铁和不可避免的杂质。

本发明特宽厚壁低屈强比X80直缝焊管用钢CE_IIW控制在0.39％～0.44％，其中，CE_IIW＝C+Mn/6+(Cr+Mo)/5+(Ni+Cu)/15；CE_Pcm控制在0.17％～0.19％，其中，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：C可以通过间隙固溶发挥强化作用，还可以与铌等合金元素作用形成细小的碳化物析出，在轧制变形或奥氏体相变之前析出，阻碍晶粒长大，提高形核率，细化组织；同时，还可以阻碍位错移动，有效提高强度，因此，碳含量不宜过低；但是，碳的增加对塑性和韧性不利，特别是对低温韧性有影响较大；而且，碳的增加使铸坯再加热时碳化物的固溶温度提高，促使晶粒长大，所以，碳含量也不能过高，本发明认为碳控制在0.045％～0.065％较为适宜。

Si：在本发明中硅可以有效提升抗拉强度，提高应***化效果，对提高淬透性也有益；但其含量过高会使组织中M/A增加，贝氏体晶粒尺寸增大，造成韧性和塑性降低，易引起冷脆，本发明Si的控制范围是0.26％～0.40％。

Mn：Mn可有效提高强度和淬透性；改变奥氏体相变温度和相变动力学条件，便于多边形铁素体的形成，同时，抑制钢板加速冷却前的相变晶粒长大，发挥细化晶粒作用；但是，锰含量过高易诱发偏析，恶化厚壁钢板组织均匀性和厚度中心韧性且不利于焊接，本发明认为将锰含量控制在1.60％～1.80％较为适宜。

P、S：P、S在本发明中为有害杂质元素，含量越低越好；其中，P对低温韧性有明显的不利影响，本发明将P控制在≤0.010％，S含量增加会促进夹杂物的生成和长大，恶化性能，因此，S≤0.0015％。

Nb：本发明中铌的作用包括(1)固溶强化；(2)在轧制过程中和加速冷却前的析出，钉扎晶界，促进形核，有效细化晶粒，从而，提高强度和改善韧性；(3)降低奥氏体相变温度，能够细化晶粒；(4)提高再结晶轧制温度，降低轧制力，对提高本发明所述特宽厚壁管线钢板的轧制道次变形率和细晶效果作用明显；但是，铌含量过高会恶化焊缝和热影响区韧性，还会增加成本，本发明认为将铌含量控制在0.04％～0.06％较为适宜。

Ti：Ti可以发挥固氮效果，形成以TiN为主的析出相，能抑制高温条件下奥氏体的晶粒长大，也可以改善焊后热影响区韧性，本发明认为将钛含量控制0.008％～0.020％较为适宜。

Ni：Ni可以提高强度，改善低温韧性，有利于强韧性的良好匹配；镍能够降低临界冷却速度，延迟珠光体转变，对本发明所述厚壁管线钢板的组织控制、晶粒细化和均匀化有益；但镍价格较高，因此，本发明将其含量控制在0.10％～0.24％。

Cu：Cu能够提高强度，弥补碳含量降低的强度损失；铜提高淬透性，增加奥氏体稳定性，有利于提高厚壁钢板的冷却效果，同时，铜还可以提高耐蚀性；但铜含量过高对韧性不利，损害焊接性，本发明认为将铜含量控制在0.16％～0.25％较为适宜。

Mo：Mo能够提高淬透性，促进中低温组织转变，也具有一定的细晶作用，但是，钼含量过高一方面会抑制铁素体转变，不利于提高塑变性能，而且，钼会恶化应变时效性能；另一方面，钼价格较高，会增加成本，因此，本发明控制其含量不超过0.12％。

Cr：Cr有固溶强化作用，增加奥氏体稳定性，降低奥氏体相变温度，可以改善厚度方向组织均匀性；但铬含量过高对塑性和焊接性不利，所以，本发明将铬含量控制在不超过0.30％。

Ni+Cu+Mo+Cr：这四种元素总量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(Ni+Cu+Mo+Cr)控制在0.45％～0.75％。

Al：Al是脱氧元素，含量过高对焊接性不利，本发明认为铝含量控制0.010％～0.030％为宜。

N：N高温下可以与铌、钛形成细小析出物，发挥细晶和析出强化作用，从而提高强韧性，但含量过高使韧性恶化，因此本发明将其含量控制在0.0010％～0.0040％。

本发明将CE_IIW控制在0.39％～0.44％，CE_Pcm控制在0.17％～0.19％，既可以保证钢板的强韧性，又能使钢板具有适宜的可焊性。

本发明所述特宽厚壁低屈强比X80直缝焊管用钢的生产方法包括铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼、连铸、轧制、冷却、矫直；其中，转炉冶炼出钢温度≤1640℃，C≤0.035％，采用较低的出钢温度可以保证转炉控磷效果，较低的出钢碳含量可以保证最终产品的碳含量得到有效控制。连铸坯浇注过热度10～25℃，连铸坯厚度/成品钢板厚度≥8.5；浇注过热度的控制可以有效减少铸坯质量缺陷；增大连铸坯到成品钢板的压缩比可以有效控制晶粒尺寸。

连铸坯加热段温度1190～1220℃，均热段温度1170～1200℃，均热段时间不低于50min，加热工艺可以保证合金特别是铌元素的固溶，同时，防止奥氏体晶粒过分长大，加热时间可保证坯料温度均匀性。

粗轧开轧温度为1100～1140℃，粗轧终轧温度为1000～1030℃，采用横纵轧制方式，铸坯横轧结束后可采用喷淋+空冷的方式冷却至纵轧开始温度，纵轧开始温度低于1060℃，轧制速度1.0～2.0m/s，纵轧阶段保证至少最后2个道次的每道次变形率大于15％且道次间隔不超过15s；粗轧阶段的轧制温度和变形工艺使奥氏体晶粒再结晶并且抑制晶粒长大，粗轧横轧后的加速冷却+空冷有利于抑制晶粒长大，配以较低的轧制速度可促进轧制变形向铸坯厚度中心渗透，细化厚度中心附近组织，对提高厚壁管线钢性能有利；纵轧末段采用大压下和短间隔工艺可以降低超宽管线钢的设备负荷，利用多道次变形叠加效果，促进奥氏体发生再结晶，达到晶粒细化目标，适宜本发明特宽厚壁管线钢板的生产。

中间待温坯厚度2.6t～3.5t，其中，t为成品钢板厚度，精轧开轧温度为810～840℃，精轧终轧温度为750～770℃，保证在790℃以下的累计变形率不低于15％；适宜的中间待温坯厚度既可以满足未再结晶区奥氏体变形和形变能的积累，又能保证在原铸坯厚度一定的情况下粗轧阶段获得足够的变形率，达到晶粒细化目的；低的精轧温度促进奥氏体形变能的积累和Nb、Ti的细小析出相的诱导析出，增加形核位置；精轧末期在相变点温度附近足够的变形有利于细小的铁素体生成，降低有效晶粒尺寸，改善韧塑性，降低屈强比。

轧后钢板进行加速水冷，轧制完成到开始水冷间隔时间25～50s，开始水冷冷却温度710～750℃，终冷温度320～400℃，水冷冷却时间不低于15s；随后，进行热矫直和空冷，然后，在100～250℃进行二次矫直后空冷到室温。钢板开始水冷温度和间隔时间可以控制组织中铁素体比例和尺寸，提高塑性和韧性；终冷温度可以促进贝氏体形成，细化M/A，获得软硬相相结合的良好组织；较长的水冷时间能够在保证水冷效果的情况下，提高冷却均匀性，改善板形；适宜的二次矫直温度使钢板内部应力有效释放，钢板矫直后不发生变形，对保证特宽厚壁钢板板形有重要作用。

钢板最终微观组织以贝氏体+多边形铁素体的复合组织为主，其中，多边形铁素体体积百分比在20％～45％，晶粒度达到11级或更细，钢板具有特宽、厚壁、高强度、低屈强比、高均匀延伸率、高应力比、高抗应变性和良好的低温韧性，满足制作地质活跃区、寒冷地区、跨越区和海底悬空区等复杂服役环境用Φ1422mm大口径厚壁X80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)本发明成分通过低C和低Mn设计改善材料韧性，利用Si提高强度和应变强化效果，通过Ni、Cu元素增加固溶强化效果并利用Ni元素提高低温韧性；利用Nb、Ti元素抑制奥氏体晶粒长大并在奥氏体转变过程中的促进形核来细化晶粒，控制厚度心部组织，提高组织均匀性，通过Mn、Mo等元素含量的控制获得适宜的相变温度和相变动力学条件，便于多边形铁素体的形成和晶粒尺寸的控制；配以相应的独特生产工艺解决了特宽厚壁管线钢的尺寸规格、强度、均匀延伸率、屈强比、低温韧性、抗应变性等技术指标的匹配难题。

(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)本发明的冶炼、连铸工艺方案实现低磷低碳控制，改善了铸坯质量，从而提高了最终产品性能。

(4)本发明采用独特的生产工艺，充分细化晶粒、获得理想的组织结构，发挥细小析出相的强化和细晶作用，有效提高产品性能，同时，增加冷却均匀性，有效控制了超宽钢板的板形。

(5)本发明所述特宽厚壁低屈强比X80直缝焊管用钢的厚度≥30mm、宽度≥4320mm，横向屈服强度可达到510～570MPa，横向抗拉强度达到685～740MPa，横向均匀延伸率UEL≥7％，横向屈强比不超过0.80，应力比Rt1.5/Rt0.5≥1.1，-60℃横向冲击功均值≥300J，-20℃横向DWTT剪切面积≥85％，微观组织是以贝氏体+多边形铁素体的复合组织为主，其中，多边形铁素体体积百分比在20％～45％，晶粒度达到11级或更细，满足制作地质活跃区、寒冷地区、跨越区和海底悬空区等复杂服役环境用Φ1422mm大口径厚壁X80油气输送管道的要求。

附图说明

图1为本发明实施例2的钢板金相组织。

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。

本发明实施例的化学成分见表1；相应实施例的冶炼连铸工艺见表2；相应实施例的板坯加热工艺见表3；相应实施例的粗轧工艺见表4；相应实施例的精轧工艺见表5；相应实施例的冷却和矫直工艺见表6；相应实施例的微观组织见表7。相应实施例的性能见表8。

表1本发明实施例钢板的化学成分 wt％

实施例	C	Si	Mn	P	S	Nb	Ti	Ni
									1	0.048	0.28	1.73	0.006	0.0013	0.052	0.015	0.14
2	0.062	0.36	1.69	0.008	0.0010	0.041	0.018	0.16
									3	0.055	0.26	1.64	0.006	0.0011	0.053	0.014	0.21
4	0.064	0.31	1.78	0.007	0.0014	0.049	0.018	0.23
									5	0.049	0.32	1.74	0.008	0.0014	0.041	0.009	0.22
6	0.059	0.38	1.68	0.005	0.0013	0.048	0.014	0.17
									实施例	Cu	Mo	Cr	Ni+Cu+Mo+Cr	Al	N	CE<sub>IIW</sub>	CE<sub>Pcm</sub>
1	0.18	0.05	0.24	0.61	0.024	0.0030	0.416	0.171
									2	0.21	0.11	0.19	0.67	0.018	0.0021	0.428	0.189
3	0.23	0	0.26	0.70	0.014	0.0023	0.410	0.174
									4	0.23	0	0	0.46	0.026	0.0015	0.391	0.179
5	0.24	0	0.18	0.64	0.020	0.0037	0.406	0.171
									6	0.19	0.08	0.23	0.67	0.026	0.0036	0.425	0.185

表中：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

表2本发明实施例的冶炼连铸工艺

实施例	冶炼出钢温度/℃	冶炼出钢C含量/％	浇注过热度/℃	板坯厚度/成品厚度
					1	1638	0.031	24	9.3
2	1629	0.033	15	9.7
					3	1630	0.030	12	9.3
4	1632	0.031	18	9.7
					5	1626	0.034	11	9.7
6	1630	0.033	22	9.7

表3本发明实施例的板坯加热工艺

实施例	加热温度/℃	均热温度/℃	均热段时间/min
				1	1214	1175	91
2	1198	1192	66
				3	1193	1184	93
4	1203	1189	80
				5	1197	1179	83
6	1216	1195	59

表4本发明实施例的粗轧工艺

表5本发明实施例的精轧工艺

表6本发明实施例的冷却和矫直工艺

表7本发明实施例的微观组织

实施例	钢板厚度/mm	钢板宽度/mm	铁素体体积百分比/％	晶粒度级别
					1	32.1	4335	31	11.5
2	30.8	4340	23	11.5
					3	32.1	4335	38	11
4	30.8	4340	27	12
					5	30.8	4340	32	11.5
6	30.8	4340	34	11.5

表8本发明实施例的性能

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。

Claims

1.一种特宽厚壁低屈强比X80直缝焊管用钢，其特征在于，钢中化学成分按质量百分比为：C：0.045％～0.065％、Si：0.26％～0.40％、Mn：1.60％～1.80％、P≤0.010％、S≤0.0015％、Nb：0.04％～0.06％、Ti：0.008％～0.020％、Ni：0.10％～0.24％、Cu：0.16％～0.25％、Mo≤0.12％、Cr≤0.30％、Ni+Cu+Mo+Cr：0.45％～0.75％、Al：0.010％～0.030％、N：0.0010％～0.0040％，其余为Fe和不可避免的杂质，CE_IIW控制在0.39％～0.44％，CE_Pcm控制在0.17％～0.19％，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。

2.如权利要求1所述的一种特宽厚壁低屈强比X80直缝焊管用钢，其特征在于，钢板厚度≥30mm、宽度≥4320mm。

3.一种如权利要求1或2所述的特宽厚壁低屈强比X80直缝焊管用钢的生产方法，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、冷却、矫直，其特征在于，

转炉冶炼出钢温度≤1640℃，出钢时C含量控制在C≤0.035％；连铸坯浇注过热度10～25℃，连铸坯厚度/成品钢板厚度≥8.5；

连铸坯加热段温度为1190～1220℃，均热段温度为1170～1200℃，均热段时间≥50min；

粗轧开轧温度为1100～1140℃，粗轧终轧温度为1000～1030℃，采用横纵轧制方式，铸坯横轧结束后采用喷淋+空冷的方式冷却至纵轧开始温度，纵轧开始温度＜1060℃，轧制速度为1.0～2.0m/s，纵轧阶段保证至少最后2个道次的每道次变形率＞15％且道次间隔时间≤15s；中间待温坯厚度2.6t～3.5t，其中，t为成品钢板厚度；

精轧开轧温度为810～840℃，精轧终轧温度为750～770℃，790℃以下的累计变形率≥15％；轧后钢板进行加速水冷，轧制完成到开始水冷间隔时间为25～50s，水冷冷却开始温度710～750℃，终冷温度320～400℃，水冷冷却时间≥15s；随后，进行热矫直和空冷，然后，在100～250℃进行二次矫直后空冷到室温。