CN114959221B - 海洋石油输送管线用x60级微合金宽带钢的制造方法 - Google Patents

海洋石油输送管线用x60级微合金宽带钢的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种海洋石油输送管线用X60级微合金宽带钢的制造方法，包括加热、粗轧、除磷、热卷、精轧、层流冷却和卷曲工序，将具有特殊合金成分的特定尺寸连铸板坯轧制为厚5～13mm的钢卷；所述连铸板坯的加热温度为1170～1200℃，粗轧温度为1150～1170℃，粗轧总变形量为70～80%，热卷温度为1050～1070℃，精轧温度为950～1000℃，精轧总变形量为60～70%，终轧温度为850～870℃，卷曲温度为550～580℃；其中，所述钢材的化学元素成分如下%：C：0.070～0.100；Si：0.170～0.270；Mn：1.35～1.50；S：≤0.004；P：0.010～0.015；Nb：0.025～0.030；V：0.030～0.040%；Al：0.020～0.040；Ti：0.015～0.025%；Ca:0.0015~0.0030；N：≤80ppm，N元素为炼钢后残留，无需额外添加，其余为铁及杂质。

Description

海洋石油输送管线用X60级微合金宽带钢的制造方法
技术领域
本发明涉及一种海洋石油输送管线用X60级微合金宽带钢的制造方法。
背景技术
近年来，随着石油产业的不断升级，海洋石油工业得到迅速发展，海洋石油运输管用量逐渐增加，其中X60级热轧钢作为海洋石油运输用量最大的管线用钢，具有广阔的应用市场。海洋石油天然气管道在实际服役工程中，即要承受内部输送物的内压力、又要承受海洋环境的外压及其腐蚀，因此在具有较高强度的同时需具备良好的韧塑性。目前，具有良好力学性能的X60级石油天然气运输管道已被成功开发，其较高的强度和良好的韧、塑性已得到市场的广泛认可，但目前X60级石油天然气运输管用钢卷大多采用7道次或8道次精轧工艺轧制而成，轧制时间长、轧制能耗高；其次，从炼钢层面来说，具有微合金元素X60级钢虽已成功开发，但由于轧制工艺的缺陷，多数元素仅存在于钢卷组织的基体中，未形成大量有利于提高钢卷性能的微合金元素化合物，导致合金元素并未得到充分地利用；最后，X60级石油天然气运输管用钢卷在轧制时通常采用了较低的终轧温度，导致轧制力的加大，提高了材料内部的残余应力，残余应力的增加对钢卷板形具有不利影响，降低了产品合格率。
文献检索：
(1)专利申请号CN202011296866.3公开了“一种钢卷的制作工艺”，其所述钢板在卷曲后被送入退火炉内进行退火工序，有效消除了产品内部残余应力，有利于提高产品合格率。其不足之处在于，退火工序将对钢卷重新进行加热，降低了生产效率，增加了能耗，提高了生产成本。
(2)专利申请号200710113424.9公开了“一种微合金化无缝管线钢及其制造方法”，成份组成为：“C：0.08～0.20；Si:≤0.4；Mn：0.60~1.5；P：≤0.025；S：≤0.015； Al: ≤0.0040；Ti：≤0.04；H：≤2.5×10-4; O：≤25×10-4” ，其不足之处在于未通过轧制工艺对材料中Nb（C，N）、AlN和TiC等合金元素第二相进行控制，造成部分合金元素的浪费。
(3)专利申请号201711333527.6公开了“一种低硬度X70M管线钢热轧板卷及其制造方法”，其“轧制工艺：连铸板坯在500～850℃温度直接进行热装炉加热，连铸板坯经步进式加热炉加热至1150～1200℃出炉，随后经粗轧及精轧机组两阶 段控制轧制，粗轧的终轧温度为980～1050℃，精轧开轧温度为910～960℃，终轧温度为780～840℃，随后板卷采用层流冷却方式以12～30℃/s的速度进行快速冷却，在470～530℃进行卷取。”其不足之处在于未对粗轧和精轧的各道次板坯变形量进行控制，未利用控制轧制技术使板坯发生完全动态再结晶，不利于奥氏体晶粒的细化。
(4)专利申请号200910011961.1公开了“一种高强度经济型X70管线钢热轧平板及其生产方法”，成份组成为：“C：0.02-0.08；Si：0.10-0.35；Mn：1.40-1.70；P：≤0.020；S：≤0.005；Alt：0.020-0.045；Nb：0.04-0.07；Ti：0.008-0.030；”，利用了Nb、Al、Ti等合金元素有效提高了产品的强度，但由于其未对轧制后冷却过程进行合理控制，冷却速度过快，导致部分合金元素未及时析出，未得到充分利用，从而造成合金元素的浪费。
发明内容
为了克服现有轧制工艺中存在的不足，本发明提供一种海洋石油输送管线用X60级微合金宽带钢的制造方法，将控制轧制、控制冷却技术与微合金化理论相结合，采用5道次粗轧和6道次精轧工艺对连铸板坯进行控轧控冷，有效提高了轧制效率、降低了能量消耗，有效消除钢卷内部的残余应力，大大降低钢卷板形不良和开裂等质量问题发生的概率。
本发明所采用的技术方案是一种海洋石油输送管线用X60级微合金宽带钢的制造方法，包括：加热、粗轧、除磷、热卷、精轧、层流冷却和卷曲工序，将具有特殊合金成分的特定尺寸连铸板坯轧制为厚5～13mm的钢卷；所述连铸板坯的加热温度为1170～1200℃，粗轧温度为1150～1170℃，粗轧总变形量为70～80%，热卷温度为1050～1070℃，精轧温度为950～1000℃，精轧总变形量为60～70%，终轧温度为850～870℃，卷曲温度为550～580℃；
其中，所述钢材的化学元素成分如下%：C：0.070～0.100；Si：0.170～0.270；Mn：1.35～1. 50；S：≤0.004；P：0.010～0.015；Nb：0.025～0.030；V：0.030～0.040%；Al：0.020～0.040； Ti：0.015～0.025%；Ca:0.0015~0.0030；N：≤80ppm，N元素为炼钢后残留，无需额外添加，其余为铁及杂质。
具体的，采用1170～1200℃的轧制加热温度，可以使板坯中的微合金元素充分地固熔于奥氏体基体中，在后续除磷等工序中随着温度的降低以细小、弥散的颗粒状Nb（C，N）、V（C，N）、TiC和AlN等第二相的形式从基体中析出，“钉扎”晶界以达到阻止晶粒长大的效果，同时还可利用弥散强化的作用，有效提高钢材的强度。
其中，所述加热时的在炉加热时间为150～200min，适宜的加热时间可保证板坯内外组织均完成奥氏体化，转变为单相区，确保板坯具有良好的塑性加工性能。如时间过短则无法保证板坯心部达到适宜的轧制温度，且Nb、V、Ti和Al等合金元素无法在固溶后完成充分扩散，后续冷却过程无法实现弥散地析出；而时间过长则会使金属分子具有较高的吉布斯自由能，促使晶粒长大，降低产品的综合力学性能。出炉温度为1150～1180℃，其目的是保证板坯金相组织为奥氏体单相，确保板坯具有优良的塑性加工性能。
其中，粗轧温度为1150～1170℃，粗轧工序分5道次完成，粗轧总变形量为70～80%。根据Zener-Hollomon回归公式Z=ꜫexp（Q/RT）可知，动态再结晶的发生主要由温度补偿变形速率因子Z和变形量ꜫ之间的关系决定的，其中Z为温度补偿变形速率因子，Q为变形活化能，R为气体常数，T为绝对温度，可知当温度补偿变形速率Z一定时（即温度一定），随着变形量ꜫ的增加，材料发生完全动态再结晶的程度越完全。故控制每道次变形采用足够的变形量可以使板坯在轧制过程中更易发生完全动态再结晶，提高板坯晶粒的形核率，达到细化晶粒的作用。其中每道次变形量为30～35%，其目的是为了防止较小变形量使板坯无法发生完全动态再结晶，较大变形量造成板坯开裂，确保板坯发生完全动态再结晶，提高形核率，达到细化晶粒的作用。
其中，热卷温度为1050～1070℃，适宜的卷曲温度可使材料中的AlN颗粒充分析出，在热轧开始至开卷完成期间对晶界进行“钉扎”，阻止卷曲过程中晶粒长大，确保产品最终具有较细的晶粒。
其中，所述精轧开始轧温度为950～1000℃，适宜的精轧开始温度可使材料中的Nb（C，N）和TiC第二相颗粒在细小、弥散地析出，并在精轧过程中作为组织的核心，在“钉扎”晶界的同时促进材料的静态再结晶，有利于晶粒的细化。
其中，所述精轧终轧温度为850～870℃，总变形量为60～70%，分6道次完成，其中第1至第4道次变形量为30～35%，第5和6道次变形量为5～10%。事宜的精轧变形量有利于为材料的动态再结晶提供充足的能量，提高材料组织形核率，细化材料的晶粒。而终轧温度控制在850～870℃，可使材料在精轧时组织发生再结晶的过程中析出细小、弥散分布的VN颗粒，起到弥散强化的作用，有效提高材料的强度。
其中，所述的层流冷却工序是将精轧后所得薄钢板快速穿过上下都有水流喷射的冷却线上，先以50～70℃/S的冷却速度将钢板冷却至700～750℃，确保材料以较快的冷却速度均匀冷却至Ac3以下某一温度，以此完成相变，同时缩短晶粒在高温下停留的时间，起到了控制晶粒度的作用；另外较快的冷却速度可以有效细化材料组织中铁素体的大小，获得具有良好的组织均匀性和较高的力学性能的产品。再以15～25℃/S的冷却速度继续将其冷却至550～580℃，此段采用较慢的冷却速度其目的是确保钢材中析出的VC在卷曲前析出，同时为材料中其它未及时析出的合金元素第二相的析出提供时间，从而达到析出强化的作用，进一步提高材料的强度。
其中，所述卷曲温度为550～580℃，适宜的卷曲温度可使材料在卷曲完成后依然具有较高的温度，促使钢卷利用余热进行自回火，消除轧制后钢卷内存在的的残余应力，保证钢卷具有较高的韧、塑性，提高产品合格率。
采用上述石油天然气输送管线用微合金钢卷的制造方法，所制得钢卷的奥氏体晶粒度为11.0～12.0级，其抗拉强度大于470MPa，屈服强度大于530MPa，屈强比大于0.85，延伸率大于40%；所得钢卷的组织均为细小均匀的针状铁素体。
通过本发明方法制得到的钢卷，其组织为细小均匀的针状铁素体。奥氏体晶粒度为11.0～12.0级，其抗拉强度大于470MPa，屈服强度大于530MPa，屈强比大于0.85，延伸率大于40%；具有良好的组织均匀性和较高的力学性。本发明适于具有热轧1780产线，特别使具有6台精轧轧机的热轧产线在轧制高晶粒度、高强度、高韧塑形的石油天然气输送管线用更为适宜。本发明工艺调整简单，无需额外的投入，具有良好的推广性。
本发明制备的热轧钢卷，在达到了石油天然气输送管线相关技术要求的同时，充分利用各微合金元素不同的析出温度，控制其在轧制各工序中合理地析出，有效细化了钢卷的晶粒度，提高了材料的强度和韧、塑性，起到细晶强化和弥散强化的作用，有效提高了钢卷的综合力学性能，同时有效消除了传统热轧钢卷内部的存在的残余应力，大大降低了钢卷板形不良和开裂的质量问题，获得良好的经济效益和社会效益。
具体实施方式
一种海洋石油输送管线用X60级微合金宽带钢的制造方法，包括：加热、粗轧、除磷、热卷、精轧、层流冷却和卷曲工序，将具有特殊合金成分的特定尺寸连铸板坯轧制为厚5～13mm的钢卷；所述连铸板坯的加热温度为1170～1200℃，粗轧温度为1150～1170℃，粗轧总变形量为70～80%，热卷温度为1050～1070℃，精轧温度为950～1000℃，精轧总变形量为60～70%，终轧温度为850～870℃，卷曲温度为550～580℃；
其中，所述钢材的化学元素成分如下%：C：0.070～0.100；Si：0.170～0.270；Mn：1.35～1. 50；S：≤0.004；P：0.010～0.015；Nb：0.025～0.030；V：0.030～0.040%；Al：0.020～0.040； Ti：0.015～0.025%；Ca:0.0015~0.0030；N：≤80ppm，N元素为炼钢后残留，无需额外添加，其余为铁及杂质。
实施例1
将含有化学元素C：0.10；Si：0.275；Mn：1.5；S：0.004；P：0.015；Nb：0.028； V：0.04%；Al：0.039； Ti：0.025%；Ca：0.003；N：80ppm。余量为Fe和杂质的钢加热至1200℃，在炉内保温时间为200min，出炉温度为1180℃；通过粗轧、除磷、热卷、精轧、层流冷却和卷曲工序对材料进行轧制，粗轧温度为1170℃，经过5道次轧制，第1至5道次变形量均为35%，将厚度为250mm的板坯轧制为厚度为35mm的薄板，再由热卷箱进行热卷工序，热卷温度为1070℃；通过精轧机对热卷后板坯进行精轧，精轧开始温度为1000℃，第1道次变形量为32%，第2至4道次变形量为35%，第5和6道次变形量为10%，终轧温度为870℃，将板坯轧制为13mm厚的薄板；再将精轧后所得薄钢板快速穿过上下都有水流喷射的冷却线上，先以70℃/S的冷却速度将钢板冷却至700℃，再以25℃/S的冷却速度继续将其冷却至552℃；最后对冷却后所得薄板进行卷曲，卷曲温度为550℃，对其进行打捆后冷却至室温，得到所述钢卷。
实施例2
将含有化学元素C：0.080；Si：0.255；Mn：1.4；S：0.035；P：0.010；Nb：0.025； V：0.035%；Al：0.025； Ti：0.025%；Ca：0.0025；N：75ppm。余量为Fe和杂质的钢加热至1194℃，在炉内保温时间为185min，出炉温度为1174℃；通过粗轧、除磷、热卷、精轧、层流冷却和卷曲工序对材料进行轧制，粗轧温度为1168℃，经过5道次轧制，第1至5道次变形量均为33%，将厚度为250mm的板坯轧制为厚度为33mm的薄板，再由热卷箱进行热卷工序，热卷温度为1058℃；通过精轧机对热卷后板坯进行精轧，精轧开始温度为970℃，第1道次变形量为25%，第2至4道次变形量为35%，第5和6道次变形量为8%，终轧温度为855℃，将板坯轧制为10mm厚的薄板；再将精轧后所得薄钢板快速穿过上下都有水流喷射的冷却线上，先以60℃/S的冷却速度将钢板冷却至744℃，再以20℃/S的冷却速度继续将其冷却至576℃；最后对冷却后所得薄板进行卷曲，卷曲温度为570℃，对其进行打捆后冷却至室温，得到所述钢卷。
实施例3
将含有化学元素C：0.080；Si：0.255；Mn：1.4；S：0.035；P：0.010；Nb：0.025； V：0.035%；Al：0.025； Ti：0.025%；Ca：0.0025；N：65ppm。余量为Fe和杂质的钢加热至1186℃，在炉内保温时间为165min，出炉温度为1164℃；通过粗轧、除磷、热卷、精轧、层流冷却和卷曲工序对材料进行轧制，粗轧温度为1158℃，经过5道次轧制，第1至5道次变形量均为38%，将厚度为250mm的板坯轧制为厚度为35.5mm的薄板，再由热卷箱进行热卷工序，热卷温度为1062℃；通过精轧机对热卷后板坯进行精轧，精轧开始温度为987℃，第1道次变形量为28%，第2至4道次变形量为33%，第5和6道次变形量为8%，终轧温度为860℃，将板坯轧制为10mm厚的薄板；再将精轧后所得薄钢板快速穿过上下都有水流喷射的冷却线上，先以55℃/S的冷却速度将钢板冷却至744℃，再以18℃/S的冷却速度继续将其冷却至570℃；最后对冷却后所得薄板进行卷曲，卷曲温度为565℃，对其进行打捆后冷却至室温，得到所述钢卷。
实施例4
将含有化学元素C：0.075；Si：0.175；Mn：1.38；S：0.025；P：0.009；Nb：0.022； V：0.03%；Al：0.02； Ti：0.015%；Ca：0.0015；N：80ppm。余量为Fe和杂质的钢加热至1170℃，在炉内保温时间为155min，出炉温度为1154℃；通过粗轧、除磷、热卷、精轧、层流冷却和卷曲工序对材料进行轧制，粗轧温度为1148℃，经过5道次轧制，第1至5道次变形量均为37%，将厚度为250mm的板坯轧制为厚度为34mm的薄板，再由热卷箱进行热卷工序，热卷温度为1052℃；通过精轧机对热卷后板坯进行精轧，精轧开始温度为957℃，第1道次变形量为30%，第2至4道次变形量为35%，第5和6道次变形量为8%，终轧温度为854℃，将板坯轧制为6mm厚的薄板；再将精轧后所得薄钢板快速穿过上下都有水流喷射的冷却线上，先以50℃/S的冷却速度将钢板冷却至720℃，再以15℃/S的冷却速度继续将其冷却至553℃；最后对冷却后所得薄板进行卷曲，卷曲温度为550℃，对其进行打捆后冷却至室温，得到所述钢卷。

Claims (1)

1.一种海洋石油输送管线用X60级微合金宽带钢的制造方法，包括：加热、粗轧、除磷、热卷、精轧、层流冷却和卷曲工序，将具有特殊合金成分的特定尺寸连铸板坯轧制为厚5～13mm的钢卷；其特征在于所述连铸板坯的加热温度为1170～1200℃，粗轧温度为1150～1170℃，粗轧总变形量为70～80%，热卷温度为1050～1070℃，精轧温度为950～1000℃，精轧总变形量为60～70%，终轧温度为850～870℃，卷曲温度为550～580℃；
其中，所述钢材的化学元素成分如下%：C：0.070～0.100；Si：0.170～0.270；Mn：1.35～1. 50；S：≤0.004；P：0.010～0.015；Nb：0.025～0.030；V：0.030～0.040%；Al：0.020～0.040； Ti：0.015～0.025%；Ca:0.00150.0030；N：≤80ppm，N元素为炼钢后残留，无需额外添加，其余为铁及杂质；
所述粗轧工序的粗轧温度为1150～1170℃，经过5道次轧制，第1至5道次变形量均为30～35%；完成5道次轧制后的热卷温度为1050～1070℃；
所述精轧工序的开始轧温度为950～1000℃，精轧共计6道次，其中第1至第4道次变形量为30～35%，第5和6道次变形量为5～10%；终轧温度为850～870℃；
所述层流冷却工序采用两段式冷却工艺，将精轧后所得薄钢板快速穿过上下都有水流喷射的冷却线上，先以50～70℃/S的冷却速度将钢板冷却至700～750℃，确保材料以较快的冷却速度均匀冷却至Ac 以下，再以15～25℃/S的冷却速度继续将其冷却至550～580℃。
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