CN114807751A - 一种具有优良模焊和低温性能的A516 Gr.70(HIC)抗酸管件钢及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有优良模焊和低温性能的A516Gr.70(HIC)抗酸管件钢及其制造方法,组织以多边形铁素体+游离珠光体为主,化学成分按质量百分比计为C 0.08~0.11%,Si 0.3~0.4%;P≤0.006%;S≤0.001%;Mn 0.9~1.1%;Al 0.02~0.04%;Nb0.01~0.015%;V 0.005~0.009%;Cr+Ni+Cu 0.35~0.65%;Ceq≤0.42;余量为Fe及不可避免的杂质。钢板的模焊性能满足:屈服强度≥300MPa,抗拉强度≥490MPa,‑80℃夏比冲击功≥100J,具有抗HIC性能。本申请结合低C、Mn+TMCP+回火代替正火工艺,通过回火温度和相应的模焊性能发现了特定的回归方程,该工艺和回归方程的配合使用能够替代原先的正火工艺,降低能源消耗及成本,同时钢材也满足了模焊性能。
Description
技术领域
本发明冶金技术领域,尤其是一种兼具优良模焊和低温性能的A516 Gr.70(HIC)抗酸管件钢及其制造方法。
背景技术
近几年来,世界石油天然气管道工程发展迅速,带动了管件产量的大幅提高,油气管道中的管件主要是用来改变管道方向、管径大小等作用,目前许多压气站、输配气站、储备库及输送的酸性油气等设施,都需要通过容器存储压缩,并通过容器钢板制成的管件连接到输送管路内进行输送,这就需要大量的容器钢板用于生产这种特殊连接功能的管件。油气管道输送带有酸性物质或气体的油气、且经过许多严寒或环境恶劣地带,需要使用能够在超低温及酸性环境中使用的容器管件,目前极限温度在-80℃左右,所以在使用容器钢板设计的管件(简称容器管件)就要考虑到材料的超低温性能、抗酸性能及可焊接性能,以此满足工程需要,提升工程安全。因此,对输送管道的钢材的强度、低温及抗酸性能要求也越来越高;容器钢板制作管件要经历热成型过程,为保证最终产品性能,还需要对试样进行模焊处理获得模焊性能,以评估钢板制成管件后的性能。
目前,纯粹容器管件这一方面的研究比较少,专利公开号CN103122436A的专利文献公开了一种-70℃正火型低温压力容器用钢板,可满足-70℃条件低温条件下使用,但缺少抗酸性能,另一方面正火的加热温度较高,生产能耗高。专利公开号CN110317996A公开的一种超低温及酸性服役条件下使用的A516Gr.65(HIC)管件用正火态的钢板及制造方法也是采用的是能耗更高的正火方式。
发明内容
本申请发明人针对容器管件钢A516 Gr.70(HIC)的化学成分、生产方法、抗酸性能、模焊及组织性能进行***性的研究,主要考虑到低温冲击韧性、焊接和抗酸性能采用低含量的C和Mn设计;考虑到生产成本、强度和模焊性能,制造方法中设计TMCP+回火工艺。
本申请以生产6~50mm厚度的钢板为目的,通过特定工艺参数和相应的模焊性能发现特定的回归方程,该工艺和回归方程的配合使用能够替代正火工艺,降低热处理能耗;钢板满足模焊性能:屈服强度≥300MPa,抗拉强度≥490MPa,-80℃夏比冲击功≥100J,满足超低温及酸性服役条件下A516 Gr.70(HIC)抗酸管件用钢的使用要求。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为:一种具有优良模焊和低温性能的A516Gr.70(HIC)抗酸管件钢,钢的组织以多边形铁素体+游离珠光体为主,化学成分按质量百分比计为C 0.08~0.11%,Si 0.3~0.4%;P≤0.006%;S≤0.001%;Mn 0.9~1.1%;Al0.02~0.04%;Nb 0.01~0.015%;V 0.005~0.009%;Cr+Ni+Cu 0.35~0.65%;Ceq≤0.42;余量为Fe及不可避免的杂质。
本发明化学成分中各成分的作用及其含量选择理由具体说明如下:
C:钢中C可以增加屈服和抗拉强度,但C过高会使钢的冲击韧性、焊接及抗酸性能变差;综合考虑,本发明C含量选择范围为0.08-0.11%。
Si:在炼钢过程中Si作为还原剂和脱氧剂,钢中加入Si,可以强化铁素体,提高强度、弹性极限和淬透性,但是Si使钢中的过热敏感性、裂纹倾向增大;综合考虑,本发明Si含量的范围确定为0.30-0.40%。
Mn:锰在炼钢过程中是良好的脱氧剂和脱硫剂,能提高钢的韧性,降低韧脆转变温度,锰也是提高钢的淬透性元素;但Mn偏析对钢板的抗酸性能和韧性产生不利影响,同时兼顾到钢板强度的要求,本发明中Mn含量设计在0.9~1.10%范围。
P、S:P在钢中严重引起凝固时的偏析,P溶于铁素体使晶粒扭曲、粗大,且增加冷脆性。本发明P含量的范围确定为≤0.006%;S使钢产生热脆性,降低钢的延展性和韧性,本发明S含量的范围确定为≤0.001%。
Al:脱氧元素,可通过形成AlN起到细化晶粒的作用。本发明Al含量的选择范围为0.02-0.04%。
Nb:铌能细化晶粒和降低钢的过热敏感性,提高强度而不损害韧性,但Nb的成本较高,综合考虑,本发明Nb含量的选择范围为0.01-0.015%。
Cr、Cu、Ni:Cr能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀能力,但同时降低冲击韧性;Cu能提高耐大气腐蚀能力,可以改善材料的耐腐蚀性能,但加入Cu过多后,钢有热脆倾向;Ni能提高钢的强度,而又保持良好的塑性和韧性,Ni有良好的耐腐蚀能力,但Ni资源稀缺,价格昂贵,综合考虑,本发明采用Cr、Cu、Ni复合添加,总含量的范围确定为0.35~0.65%。
V:V是钢中最常用的合金元素之一,降低钢的过热敏感性,提高钢的强度和韧性,在调质钢中,能提高钢的强度。另外,在钢中加入V还能改善钢的回火稳定性,降低钢的热处理敏感性;本发明V含量的范围确定为0.005~0.009%。
本申请在钢材的成分上采用低碳锰+微合金复合添加的设计,重点突出低含量的C、Mn;在钢材的生产工艺上采用TMCP+回火工艺,使材料具有良好的模焊性能、超低温及抗酸性能。
此外,本发明还提供了上述A516 Gr.70(HIC)抗酸管件钢的制造方法,具体生产步骤为:KR铁水预处理—BOF冶炼—LF和RH炉精炼—板坯连铸—板坯加热—TMCP轧制—ACC冷却—矫直—冷床冷却—回火—钢板剪切—检验入库。
具体步骤包括
(1)炼钢:冶炼符合化学成分设计的钢水,钢水浇铸成铸坯,铸坯加罩堆垛缓冷作扩氢处理,堆垛缓冷时间≥48小时。
(2)将铸坯加热至组织均质、完全奥氏体化、元素充分固溶,优选加热温度为1150~1220℃,铸坯出炉后使用高压水除鳞。
(3)两阶段轧制:
第一阶段为粗轧阶段:轧制温度区间:990~1100℃,其中下线温度990℃=精轧960℃+5道次粗轧*6℃温降/道次,上线温度1100℃根据1220℃出炉温度经过高压水初除磷温降≥120℃确定的。中间坯厚度为2.0h~4.0h,h为钢板成品厚度,该中间坯的厚度能够保证加热炉的加热效果及保证精轧有5~9道轧制道次。粗轧累计压下率≥60%,能够保证奥氏体晶粒彻底破碎,为精轧未再结晶区轧制提供超细晶粒。
第二阶段为精轧阶段:在未再结晶区轧制,开轧温度为960~990℃,为了避免两相区轧制需要控制终轧温度≥Ar3(本申请Ar3的温度为780~810℃),精轧设计5~9道轧制道次,精轧累计道次压下率≥50%,确保变形能够深入到钢板中心及获得更加细化的晶粒。
(4)冷却:轧后钢板进行ACC快速水冷却,冷速控制在6~12℃/s,出水温度600~680℃,出水后空冷。
(5)回火处理。
可选地,步骤(1)的钢水冶炼涉及KR铁水预处理、BOF转炉冶炼、LF精炼、RH真空脱气处理,然后采用连铸工艺将钢水浇铸成150mm以上厚度的连铸板坯。
优选地,步骤(5)中,回火温度参照最终钢材模焊性能中的抗拉强度和-80℃冲击功进行确定。本发明回火温度满足回归公式Z=-4027+14.759X-0.011552X2-Y,式中:X为回火温度,单位℃;Y为抗拉强度,单位MPa;Z为-80℃冲击功,单位J。回火温度650~670℃,回火的时间为1.8min/mm,最短在炉时间≥30分钟。本发明采用的低C,Mn+TMCP+回火以取代正火工艺,所生产的6~50mm厚度钢板,通过该回火和相应的模焊性能发现的特定回归方程,能够替代原先的正火工艺,降低能源消耗及成本,且所生产的钢板满足模焊性能:屈服强度≥300MPa,抗拉强度≥490MPa;-80℃夏比冲击功≥100J超低温及酸性服役条件下A516Gr.70(HIC)抗酸管件用钢的使用要求。
本申请不含有贵金属Ni,但通过生产方法上的优化设计,同样满足了超低温酸性服役条件下A516 Gr.70(HIC)抗酸管件用钢的要求。
本申请抗酸管件钢的钢板生产厚度为6~50mm。
与现有技术相比,本发明的优点在于:
(1)本发明采用纯净钢冶炼技术生产优良的坯料,并结合低C,Mn+TMCP+回火代替正火工艺,通过特定工艺参数和相应的模焊性能发现了特定的回归方程,该工艺和回归方程的配合使用能够替代原先的正火工艺,降低能源消耗及成本,同时钢材也满足了模焊性能。
(2)本发明所提供的钢板是国内外首次采用低C、Mn+TMCP+回火工艺来生产可满足模焊性能(屈服强度≥300MPa,抗拉性能≥490MPa),超低温(-80℃夏比冲击功≥100J)及酸性服役条件下A516 Gr.70(HIC)抗酸管件用钢的使用要求。
(3)首次采用多变量回归法来构建回火工艺和关键模拟焊性能的3D曲面图,由此确定最佳的回火工艺。在本申请中,回火温度的确定主要考虑到低温冲击性能和钢板的抗拉强度,所以只取这两个主要因子;回归公式是根据现场实验数据(工艺参数)和实验检测结果进行推导的。回火温度过大或过小主要影响低温冲击韧性,3D图中的峰领处是低温冲击韧性及抗拉性能最好的地方,所以采用此处的回火温度,能够得到最佳的性能,减少工艺实验的次数及成本。
附图说明
图1为本发明实施例中9.5mm厚度钢板的抗HIC试样截面裂纹情况;
图2为本发明实施例中46mm厚度钢板的抗HIC试样截面裂纹情况;
图3为本发明实施例中9.5mm规格沿板厚方向1/2处的显微组织照片;
图4为本发明实施例中46mm规格沿板厚方向1/2处的显微组织照片;
图5为本发明回火温度和模焊性能所构成的3D曲面图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述,所述实施例是示例性的,旨在用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
实施例1-2:
根据本发明的化学成分范围及制造方法,经KR铁水预处理—BOF冶炼—RH真空脱气—LF精炼—RH真空脱气—150mm厚度连铸坯连铸—连铸坯加罩缓冷—连铸坯检查清理—铸坯加热—高压水除鳞—TMCP轧制—ACC冷却—矫直—冷床冷却—回火—钢板剪切—检验入库工艺步骤,制造低成本和超低温条件下使用的A516 Gr.70(HIC)抗酸管件用钢板。
上述加热、TMCP轧制、冷却、回火的具体工艺为:将150mm厚度连铸坯加热至1210℃,均热段保温40min(实施例1)或150mm厚度连铸坯加热至1200℃,均热段保温30min(实施例2),连铸坯出炉后使用高压水除鳞;然后进行两阶段轧制,第一阶段开轧温度1040-1060℃,累计综合压下率≥76%,中间坯厚度35mm(实施例1)或第一阶段开轧温度1000-1020℃,累计综合压下率≥65%,中间坯厚度95mm(实施例2);第二阶段开轧温度为980℃,累计道次压下率75%,(实施例1)或第二阶段开轧温度960℃,累计道次压下率60%,(实施例2),最终钢板厚度为9.5mm(实施例1)和46mm(实施例2);轧后进行快速冷却,冷速8℃/s,出水温度660℃(实施例1)和冷速11℃/s,出水温度620℃(实施例2);然后热矫直;热矫直后钢板进行冷床空冷,然后回火;回火温度为650~660℃,回火的时间为30分钟(实施例1)和回火温度为660~670℃,回火的时间为83分钟(实施例2)。
试验钢板的化学成分见表1,模焊后的力学和抗酸性能见表2和表3;钢板的HIC裂纹情况见图1,图2;显微组织见图3和图4所示。
表1实施例1和2中抗酸容器管件用钢板的化学成分(wt.%)
实例 | C | Si | Mn | P | S | Al | Nb | V | Cr+Cu+Ni | Ceq |
1 | 0.10 | 0.36 | 0.98 | 0.004 | 0.0005 | 0.031 | 0.012 | 0.007 | 0.42 | 0.34 |
2 | 0.09 | 0.37 | 1.05 | 0.004 | 0.0003 | 0.033 | 0.013 | 0.006 | 0.41 | 0.33 |
注:Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15
表2实施例1和2中抗酸容器管件用钢板模焊后的的抗酸性能
表3实施例1和2中抗酸容器管件用钢板模焊后的力学性能
除上述实施例外,本发明还包括有其他实施方式,凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案,均应落入本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种具有优良模焊和低温性能的A516 Gr.70(HIC)抗酸管件钢,其特征在于:钢的组织以多边形铁素体+游离珠光体为主,化学成分按质量百分比计为C 0.08~0.11%,Si 0.3~0.4%;P≤0.006%;S≤0.001%;Mn 0.9~1.1%;Al 0.02~0.04%;Nb 0.01~0.015%;V 0.005~0.009%;Cr+Ni+Cu 0.35~0.65%;Ceq≤0.42;余量为Fe及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的具有优良模焊和低温性能的A516 Gr.70(HIC)抗酸管件钢,其特征在于:所述钢板的生产厚度为6~50mm。
3.根据权利要求1所述的具有优良模焊和低温性能的A516 Gr.70(HIC)抗酸管件钢,其特征在于:所述钢板的模焊性能满足:屈服强度≥300MPa,抗拉强度≥490MPa,-80℃夏比冲击功≥100J,具有抗HIC性能。
4.一种制造权利要求1所述的具有优良模焊和低温性能的A516 Gr.70(HIC)抗酸管件钢的方法,其特征在于:步骤包括
(1)炼钢:冶炼符合化学成分设计的钢水,钢水浇铸成铸坯,铸坯加罩堆垛缓冷作扩氢处理,堆垛缓冷时间≥48小时;
(2)将铸坯加热至组织均质、完全奥氏体化、元素充分固溶,铸坯出炉后使用高压水除鳞;
(3)两阶段轧制:
第一阶段为粗轧阶段:轧制温度区间:990~1100℃,中间坯厚度为2.0h~4.0h,h为钢板成品厚度,累计压下率≥60%,能够保证奥氏体晶粒彻底破碎;第二阶段为精轧阶段:在未再结晶区轧制,开轧温度为960~990℃,为了避免两相区轧制需要控制终轧温度≥Ar3,精轧设计5~9道轧制道次,精轧累计道次压下率≥50%;
(4)冷却:轧后钢板快速水冷却,冷速控制在6~12℃/s,出水温度600~680℃,出水后空冷;
(5)回火处理。
5.根据权利要求4所述的方法,其特征在于:步骤(1)的钢水冶炼涉及KR铁水预处理、BOF转炉冶炼、LF精炼、RH真空脱气处理,然后采用连铸工艺将钢水浇铸成150mm以上厚度的连铸板坯。
6.根据权利要求4所述的方法,其特征在于:步骤(2)铸坯加热温度为1150~1220℃。
7.根据权利要求4所述的方法,其特征在于:步骤(3)中,Ar3的温度为780~810℃。
8.根据权利要求4所述的方法,其特征在于:步骤(5)中,回火温度参照最终钢材模焊性能中的抗拉强度和-80℃冲击功进行推导确定。
9.根据权利要求8所述的方法,其特征在于:回火温度满足回归公式Z=-4027+14.759X-0.011552X2-Y,式中:X为回火温度,单位℃;Y为抗拉强度,单位MPa;Z为-80℃冲击功,单位J。
10.根据权利要求9所述的方法,其特征在于:回火温度650~670℃,回火的时间为1.8min/mm,最短在炉时间≥30分钟。
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