CN115449709A - 一种厚规格高强韧性l485m管线钢及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种厚规格高强韧性L485M管线钢及其生产方法，钢中化学成分按重量百分比计为C：0.05％～0.07％、Si：0.15％～0.25％、Mn：1.60％～1.80％、Nb：0.060％～0.078％、Ti：0.026％～0.032％、Mo：0.12％～0.16％、Cr：0.16％～0.20％、Ni：0.11％～0.18％、Als：0.015％～0.045％、P≤0.02％、S≤0.005％、N≤0.005％，其余为铁和杂质。本发明采用C‑Mn‑Nb‑Mo‑Cr系合金设计，并添加适量的Ni、Ti元素，结合两阶轧制和冷却工艺，获得细小均匀的针状铁素体组织，保证管线钢具有优异的强韧性，同时实现了采用中薄板坯连铸连轧生产厚规格高强韧性L485M管线钢热轧卷板的目的。

Description

一种厚规格高强韧性L485M管线钢及其生产方法
技术领域
本发明涉及管线钢生产技术领域，尤其涉及一种厚规格高强韧性L485M管线钢及其生产方法。
背景技术
管道输送是长距离输送石油、天然气最经济的运输方式，且随着全球石油和天然气需求量的增大，输送压力也逐渐增加。为保障油气管道运输的安全性和稳定性，对管线钢厚度规格和强韧性要求也逐渐提高，而L485M管线钢作为目前国内外管道输送主干线中最主流的钢种，其强韧性的提高备受关注。
目前国内钢厂热轧时所使用的连铸坯厚度普遍在200mm以上，而本发明采用的连铸坯厚度为170mm，由于压缩比小，因此生产厚规格L485M热轧卷板具有一定难度，按常规工艺生产只能满足API 5L的基本要求，但强韧性指标却难以满足实际工程的需求。
申请号为200410066297.8的中国专利申请公开了一种“具有高止裂韧性的针状铁素体型X70管线钢及其制造方法”，管线钢成分中C 0.02％～0.06％、Si 0.10％～0.50％、Mn 1.45％～1.75％、S≤0.002％、P 0.004％～0.012％、Nb 0.050％～0.080％、V 0.010％～0.060％、Ti 0.005％～0.025％、Mo 0.10％～0.30％、Cu≤0.30％、Ni≤0.30％、N≤0.008％、Al 0.015％～0.045％。其成分中S含量较低，炼钢成本较高；另外其添加了V和Cu，且Mo和Ni的上限较高，合金成本偏高。
申请号为CN200810013479.7的中国专利申请公开了“一种厚规格高韧性X70针状铁素体管线钢及制造方法”，管线钢成分为(重量百分比)：C 0.03％～0.06％，Si 0.15％～0.25％，Mn 1.55％～1.75％，P 0.012％～0.020％，S≤0.003％，Cu 0.2％0～0.35％，Cr0.20％～0.35％，Nb 0.06％～0.08％，Ti 0.01％～0.02％，Als≤0.05％，Mo 0.20％～0.30％。其中S含量控制较低，炼钢成本较高；成分中含有Cu，且Cr和Mo添加量较多，合金成本较高。其冲击试验温度-20℃，DWTT试验温度-15℃，韧性指标要求较宽松，此外其成品厚度规格为14mm以上，与本发明所述管线钢的厚度还有一定差距。
申请号为CN201310407627.4的中国专利申请公开了“一种485MPa级管线钢热轧卷板及其制造方法”，其化学成分wt％为：C 0.040％～0.070％、Si 0.10％～0.35％、Mn1.76％～1.95％、Nb 0.040％～0.080％、Cr 0.20％～0.35％、V 0.030％～0.060％、Ti0.005％～0.025％、Als 0.015％～0.045％、P≤0.018％、S≤0.003％，余量为Fe和不可避免杂质。其成分中含V，与本发明的合金体系不同，且Cr含量较高，虽然不添加Mo和Ni等贵金属，但其精轧压下率≥75％，轧机负荷较高，不利于生产；此外其冲击试验温度-25℃，DWTT试验温度-20℃，韧性指标要求同样较为宽松。
申请号为CN201710283378.0的中国专利申请公开了一种“具有优异低温抗动态撕裂性能的X70管线钢及其制造方法”，其管线钢成分重量百分比为：C 0.025％～0.08％，Si0.1％～0.4％，Mn 1.1％～1.6％，P≤0.02％，S≤0.003％，Cu≤0.2％，Ni 0.31％～0.50％，Cr≤0.2％，Mo≤0.2％，Nb 0.04％～0.08％，Ti 0.005％～0.02％，Ca：0.001％～0.005％，Al 0.02％～0.05％，B≤0.0005％，N 0.001％～0.006％，O≤0.005％，其余为Fe及夹杂；且，0.25％≤(C+Mn/6)≤0.33％，0.10％≤(Mo+Cr)≤0.40％。其成分中S含量较低，炼钢成本较高；Mo、Cr和Cu含量较宽泛，易导致成品性能波动；Ni含量较高，产品整体合金成本较高；铸坯厚度为200～230mm，压缩比明显高于本发明，生产难度低于本发明；此外，其韧性指标优异，但强度指标仅满足API 5L，要求较低，产品强韧性匹配不良。
申请号为CN201110179851.3的中国专利申请公开了“一种抗酸性低锰X70管线钢及其生产方法”，管线钢化学成分组成为C 0.05％～0.07％，Si 0.10％～0.25％，Mn1.05％～1.25％；P 0％～0.019％；S 0％～0.006％；Nb 0.06％～0.09％；Ti 0.010％～0.020％；Mo 0.20％～0.30％；Ni 0.05％～0.30％；Cu 0.05％～0.30％；Alsoul 0.015％～0.040％，其余为铁及不可避免的杂质。其采用低Mn设计，但Mo、Cr和Ni添加较多，合金成本较高；且精轧总的压下量大于80％，精轧机负荷较重而且不利于板型控制，其未对成品的强韧性进行具体描述。
申请号为CN200910013129.5的中国专利申请公开了“一种低成本生产厚壁X70管线钢卷板的方法”，其化学成分质量百分比为：C 0.04％～0.08％，Si 0.10％～0.20％，Mn1.58％～1.68％，P≤0.015％，S≤0.003％，Nb 0.04％～0.08％，Ti 0.006％～0.018％，Mo0.05％～0.30％，Ni≤0.20％，Cu≤0.25％，Alsoul≤0.050％，N≤0.0060％，余量为铁和不可避免的杂质。其成分中S含量较低，炼钢成本较高；添加Cu，且Ni和Mo上限较高，合金成本较高；此外其冲击试验温度-20℃，DWTT试验温度-15℃，韧性指标要求较为宽松。
论文“超厚规格X70管线钢热轧卷板组织性能研究”(牛涛，安成钢等著，第十届中国钢铁年会发表)中，管线钢化学成分为：C 0.055％、Si 0.20％、Mn 1.60％、P≤0.001％、S≤0.0012％、Alt 0.035、Nb 0.07％-0.09％、Ti 0.015％，同时含Mo、Cr、Ni、Cu等。其S含量较低，炼钢成本较高；连铸板坯厚度250mm，轧制总体压下量大，控制难度低，生产难度低于本发明。
以上文献中公开的L485M钢级管线钢在合金设计上，除低锰X70管线钢外，其他管线钢中的S含量基本控制在0.003％以下，导致炼钢成本较高；整体上以Nb微合金化C-Mn钢为基础，综合利用Cr、Mo、Ni和Cu的全部或部分元素的协同作用，部分管线钢中Ni、Mo和Cu添加较多，产品经济性较差。有的管线钢生产时虽然也采用了170mm铸坯，但成品厚度较小；有的采用200mm以上铸坯，且韧性指标优异，但强度指标仅满足API 5L标准，要求较为宽泛；有的精轧总压下量较高，成品板型控制难度加大；有的冷速较大，易产生过冷组织。
综上所述，目前为止现有技术中还没有一种能够同时满足厚规格和高强韧性这两项要求的L485M管线钢热轧板卷生产方法。
发明内容
本发明提供了一种厚规格高强韧性L485M管线钢及其生产方法，采用C-Mn-Nb-Mo-Cr系合金设计，并添加适量的Ni、Ti元素，结合精准控制的两阶轧制和冷却工艺，获得细小均匀的针状铁素体(AF)组织，从而保证管线钢具有优异的强韧性，同时实现了采用中薄板坯连铸连轧生产厚规格高强韧性L485M管线钢热轧卷板的目的。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种厚规格高强韧性L485M管线钢，钢中化学成分按重量百分比计为C：0.05％～0.07％、Si：0.15％～0.25％、Mn：1.60％～1.80％、Nb：0.060％～0.078％、Ti：0.026％～0.032％、Mo：0.12％～0.16％、Cr：0.16％～0.20％、Ni：0.11％～0.18％、Als：0.015％～0.045％、P≤0.02％、S≤0.005％、N≤0.005％，其余为铁和不可避免的杂质。
一种厚规格高强韧性L485M管线钢的生产方法，生产工艺流程包括：铁水预处理—转炉冶炼—炉外精炼—连铸—板坯加热－轧制－冷却—卷取；其中：
1)炉外精炼工序：采用RH真空处理和LF炉处理，随后进行喂钙线处理，喂线速度≥3.6m/s，净吹氩时间≥5min，镇静时间≥10min；
2)连铸工序：采用动态轻压的方式，压下量为1.5～2mm，所得铸坯厚度≤170mm；
3)轧制工序：连铸板坯加热至1140～1180℃，经粗轧及精轧两阶段控制轧制，粗轧终轧温度≥980℃，粗轧总压下率64.71％～69.41％；精轧开轧温度≤960℃，精轧终轧温度为760～810℃，精轧总压下率＞66.35％～70.83％；
4)冷却工序：采用超快冷和层流冷却结合的方式，其中超快冷的水温为17～20℃，层流冷却的水温为23～28℃；冷却工序的冷速为20.58～24.60℃/s，终冷至400～450℃卷取。
所生产热轧卷板的性能如下：屈服强度517～593MPa，抗拉强度641～695MPa，断后延伸率≥34％；3个试样的-60℃夏比冲击功Akv平均值≥270J，2个试样的-60℃平均落锤撕裂试验剪切面积SA平均值≥88％；硬度HV10≤236，d＝2a，180°冷弯合格。
所生产热轧卷板的厚度为17～20mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)创造性的采用Ti改性硫化物夹杂作用，将MnS中S“夺去”从而形成Ti4C2S2，呈球状且轧制过程中不易变形的Ti4C2S2全部取代轧制过程中易变形并被拉长的MnS，可显著提高产品的组织均匀性，显著提高产品的强韧性指标；
(2)采用C-Mn-Nb-Cr-Mo系合金设计，合金设计经济合理，工艺路线简单，容易执行，工艺控制稳定性强，通过精准的控轧控冷技术，保证获得的组织细小、均匀，使产品具有优异的强韧性匹配；
(3)产品具有优异的强韧性匹配，Rt0.5为517～593MPa，Rm为641～695MPa，A50≥34％；-60℃夏比冲击功(3个试样)Akv≥270J，-60℃平均落锤撕裂试验剪切面积(2个试样)SA≥88％；
(4)采用中薄板坯(铸坯厚度≤170mm)短流程连铸连轧生产工艺，轧制厚规格(17～20mm)L485M板卷，达到了显著节能降耗、降低生产成本、提高生产效率的目的。
附图说明
图1是本发明实施例1所生产厚规格高强韧性L485M管线钢的金相组织照片。
具体实施方式
本发明所述一种厚规格高强韧性L485M管线钢，钢中化学成分按重量百分比计为C：0.05％～0.07％、Si：0.15％～0.25％、Mn：1.60％～1.80％、Nb：0.060％～0.078％、Ti：0.026％～0.032％、Mo：0.12％～0.16％、Cr：0.16％～0.20％、Ni：0.11％～0.18％、Als：0.015％～0.045％、P≤0.02％、S≤0.005％、N≤0.005％，其余为铁和不可避免的杂质。
一种厚规格高强韧性L485M管线钢的生产方法，生产工艺流程包括：铁水预处理—转炉冶炼—炉外精炼—连铸—板坯加热－轧制－冷却—卷取；其中：
1)炉外精炼工序：采用RH真空处理和LF炉处理，随后进行喂钙线处理，喂线速度≥3.6m/s，净吹氩时间≥5min，镇静时间≥10min；
2)连铸工序：采用动态轻压的方式，压下量为1.5～2mm，所得铸坯厚度≤170mm；
3)轧制工序：连铸板坯加热至1140～1180℃，经粗轧及精轧两阶段控制轧制，粗轧终轧温度≥980℃，粗轧总压下率64.71％～69.41％；精轧开轧温度≤960℃，精轧终轧温度为760～810℃，精轧总压下率＞66.35％～70.83％；
4)冷却工序：采用超快冷和层流冷却结合的方式，其中超快冷的水温为17～20℃，层流冷却的水温为23～28℃；冷却工序的冷速为20.58～24.60℃/s，终冷至400～450℃卷取。
所生产热轧卷板的性能如下：屈服强度517～593MPa，抗拉强度641～695MPa，断后延伸率≥34％；3个试样的-60℃夏比冲击功Akv平均值≥270J，2个试样的-60℃平均落锤撕裂试验剪切面积SA平均值≥88％；硬度HV10≤236，d＝2a，180°冷弯合格。
所生产热轧卷板的厚度为17～20mm。
本发明所述一种厚规格高强韧性L485M管线钢中主要元素的作用和选择理由如下：
C：是钢中仅次于铁的最主要元素，它直接影响钢材的强度、塑性、韧性和焊接性能等，C通过固溶强化和析出强化能够显著提高钢的强度，但随着C含量提高，钢的韧性和焊接性会逐渐变差，因此低碳设计是使管线钢具有优异强韧性韧性和良好焊接性能的基本保障。因此本发明将C含量控制在0.05％～0.07％。
Si：是炼钢过程中重要的还原剂和脱氧剂，很多碳钢都含有0.5％以下的Si，这些Si一般是在炼钢过程中作为还原剂和脱氧剂带入的，此外Si还可以固溶于铁素体和奥氏体以提高钢的强度，但同时要损失塑性和韧性。因此本发明的Si含量控制在0.15％～0.25％。
Mn：锰具有固溶强化作用，还可降低γ－α相变温度，进而细化铁素体晶粒，同时Mn还是管线钢中补偿因C含量降低而引起强度损失的最主要且最经济的强化元素。但锰含量过高会使偏析严重。因此本发明将锰含量控制在1.60％～1.80％。
Nb：是现代微合金化管线钢实现控制轧制的最主要元素，NbC应变诱导析出阻碍形变奥氏体的回复、再结晶，降低相变温度，可扩大再结晶区轧制工艺窗口、促进针状铁素体组织和M-A岛的形成，起到细化晶粒的作用。Nb还可通过析出强化、沉淀强化、相变强化等多种强化机制提高钢的性能，但Nb为贵重元素且加入到一定数量后其强化效果不再明显。因此本发明将Nb含量控制在0.060％～0.078％。
Ti：是极强的氮化物形成元素，Ti/N的化学计量比为3.42，只需0.017％左右的Ti就可将本发明所述管线钢中上限值(50ppm)的N全部固定，而高温稳定的、细小的TiN粒子一方面可有效阻止铸坯再热过程中奥氏体的长大，另一方面可改善焊接热影响区的冲击韧性；此外，Ti与S结合能力远大于Mn，因此Ti能从MnS中将S“夺去”从而形成Ti4C2S2，而球状、轧制过程中不易变形的Ti4C2S2全部取代轧制过程中易被拉长的MnS，可显著提高产品的组织均匀性，对韧性指标的提升有较大作用；本发明中，Ti的添加量不仅要考虑S的含量，使上限值(0.005％)的S全部生成Ti4C2S2所需的Ti添加量为0.25％，另外还要考虑形成一定含量的Nb和Ti的碳氮化物以提高成品的强韧性，因此本发明的Ti含量控制在0.026％～0.032％。
Mo：可有效提高钢的淬透性，其作用比Cr强，对提高厚规格钢板的组织均匀性有一定作用；此外，当Mo含量超过0.12％时，Mo与Nb复合添加会形成(NbMo)4C3，该析出相的数量比单纯的NbC更高，可提高形核核心数量、位错密度和析出硬化能力，促进形成针状铁素体组织，形成晶粒更加细小均匀的组织，提高材料的强韧性。但由于Mo属于贵金属，过量添加会显著提高合金成本，因此本发明的Mo含量控制在0.12％～0.16％。
Cr：能够有效提高淬透性，提高厚规格产品厚度方向组织均匀性；与0.12％以上的Mo和0.11％以上的Ni配合使用，能够促进马奥岛(M/A)的形成，减少制管过程中的强度损失；此外，Cr与轧制后的快速冷却相结合，同样可以促进针状铁素体(AF)的形成，提高产品的强韧性。而且Cr与Mo相比价格低廉。因此本发明的Cr含量控制在0.16％～0.20％。
Ni：是奥氏体稳定元素，可阻止高温时晶粒的增长，并可保持细晶粒组织，是产品组织中具有细小的原始奥氏体晶粒的保证；Ni可促进位错的交滑移，因此可有效提高产品的冲击韧性；除此之外，Ni还可以起到一定的固溶强化作用，对产品的强度指标具有一定的贡献。但Ni合金成本较高，不宜过多添加，以免影响产品的经济性。因此本发明的Ni含量控制在0.11％～0.18％。
Als：脱氧元素，添加适量的铝可形成细小弥散的AlN粒子，有利于细化晶粒，提高钢的强韧性能；当固溶Al含量超过0.015％时，钢材在焊接再加热时可获得细小的奥氏体晶粒组织，从而提高焊接性。因此本发明的Als含量控制在0.015％～0.045％。
P：极易在钢液凝固时高度偏析，形成带状的F-P结构，P也会使管线钢中C降低带来的好处大打折扣，损失钢的韧性，因此P在管线钢中作为有害元素其含量应尽量少，但要求过低会增加生产成本。因此本发明的P含量控制在0.02％以下。
S：是钢中不可避免的杂质元素，其含量越低越好，高级别管线钢中S含量要求较低，一般控制在0.003％以下，但要求过低会增加生产成本，本发明中S含量控制较为宽泛，主要是依靠Ti的添加形成Ti4C2S2而降低长条状MnS对钢力学性能尤其是韧性的有害影响。因此本发明的S≤0.005％。
N：氮含量的增加可使钢材的强度显著提高，但塑性特别是韧性也显著降低，可焊性变差，冷脆性加剧，因此P在钢中作为有害元素存在，其含量越低越好。本发明中N≤0.005％。
本发明所述一种厚规格高强韧性L485M管线钢的生产方法，其生产工艺流程涉及：铁水预处理—转炉冶炼—炉外精炼(RH+LF+钙处理)—连铸—板坯加热－轧制－超快冷+层流冷却—卷取。其中主要控制过程如下：
冶炼～连铸工艺过程：铁水预处理后，转炉冶炼采用顶吹或顶底复合吹炼；炉外精炼采用RH真空处理和LF炉处理，随后进行喂钙线处理，喂线速度≥3.6m/s，净吹氩时间≥5min，镇静时间≥10min，以保证硫化物和氧化物夹杂球化；连铸采用动态轻压的方式，压下量为1.5～2mm，减轻铸坯中心偏析，所得铸坯厚度≤170mm；
轧制工艺过程：连铸板坯经步进式加热炉加热至1140～1180℃，随后经粗轧及精轧机组两阶段控制轧制，粗轧终轧温度≥980℃，粗轧总压下率64.71％～69.41％；精轧开轧温度≤960℃，精轧终轧温度为760～810℃，精轧总压下率＞66.35％～70.83％；
冷却工艺过程：采用超快冷和层流冷却结合的方式，其中超快冷的水温为17～20℃，层流冷却的水温为23～28℃；冷却工序的冷速为20.58～24.60℃/s，终冷至400～450℃卷取。
本发明所生产的L485M钢级热轧板卷具有优异的强韧性，屈服强度为517～593MPa，抗拉强度641～695MPa，断后延伸率≥34％；-60℃夏比冲击功(3个试样)Akv≥270J，-60℃平均落锤撕裂试验剪切面积(2个试样)SA≥88％；硬度HV10≤236，冷弯合格。
以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
【实施例】
本实施例中钢的化学成分见表1，轧制工艺参数见表2，钢的主要力学性能见表3。
表1钢的化学成分(wt，％)
实施例 C Si Mn P S Nb Ti Mo Cr Ni Als N
1 0.052 0.16 1.80 0.016 0.005 0.078 0.032 0.16 0.19 0.17 0.028 0.005
2 0.050 0.20 1.66 0.013 0.004 0.072 0.031 0.13 0.18 0.18 0.033 0.005
3 0.057 0.17 1.60 0.014 0.003 0.076 0.026 0.14 0.16 0.15 0.045 0.004
4 0.065 0.15 1.63 0.002 0.004 0.063 0.028 0.12 0.16 0.11 0.022 0.004
5 0.060 0.25 1.76 0.011 0.005 0.060 0.030 0.14 0.20 0.12 0.015 0.005
6 0.070 0.22 1.72 0.018 0.004 0.068 0.027 0.15 0.20 0.17 0.020 0.004
7 0.063 0.18 1.78 0.002 0.0048 0.073 0.030 0.16 0.19 0.13 0.042 0.005
8 0.059 0.24 1.75 0.0019 0.0043 0.071 0.027 0.15 0.17 0.14 0.038 0.005
表2钢的轧制工艺参数
Figure BDA0003824464850000081
表3钢的主要力学性能
Figure BDA0003824464850000082
表3中，Rt0.5为屈服强度，Rm为抗拉强度，A50mm为断后延伸率；冷弯试验中，a为名义厚度，d为弯心直径。
从表3中可见，通过创造性的使用Ti元素的作用，可降低炼钢脱硫成本采用经济合理的合金设计和精准的控轧控冷工艺，产品具有极为优异的强韧性配比。
图1是实施例1所生产厚规格高强韧性L485M管线钢的金相组织照片，可以看出其金相组织为细小均匀的针状铁素体(AF)组织，可保证管线钢具有优异的强韧性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种厚规格高强韧性L485M管线钢，其特征在于，钢中化学成分按重量百分比计为C：0.05％～0.07％、Si：0.15％～0.25％、Mn：1.60％～1.80％、Nb：0.060％～0.078％、Ti：0.026％～0.032％、Mo：0.12％～0.16％、Cr：0.16％～0.20％、Ni：0.11％～0.18％、Als：0.015％～0.045％、P≤0.02％、S≤0.005％、N≤0.005％，其余为铁和不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述一种厚规格高强韧性L485M管线钢的生产方法，其特征在于，生产工艺流程包括：铁水预处理—转炉冶炼—炉外精炼—连铸—板坯加热－轧制－冷却—卷取；其中：
1)炉外精炼工序：采用RH真空处理和LF炉处理，随后进行喂钙线处理，喂线速度≥3.6m/s，净吹氩时间≥5min，镇静时间≥10min；
2)连铸工序：采用动态轻压的方式，压下量为1.5～2mm，所得铸坯厚度≤170mm；
3)轧制工序：连铸板坯加热至1140～1180℃，经粗轧及精轧两阶段控制轧制，粗轧终轧温度≥980℃，粗轧总压下率64.71％～69.41％；精轧开轧温度≤960℃，精轧终轧温度为760～810℃，精轧总压下率＞66.35％～70.83％；
4)冷却工序：采用超快冷和层流冷却结合的方式，其中超快冷的水温为17～20℃，层流冷却的水温为23～28℃；冷却工序的冷速为20.58～24.60℃/s，终冷至400～450℃卷取。
3.根据权利要求2所述一种厚规格高强韧性L485M管线钢的生产方法，其特征在于，所生产热轧卷板的性能如下：屈服强度517～593MPa，抗拉强度641～695MPa，断后延伸率≥34％；3个试样的-60℃夏比冲击功Akv平均值≥270J，2个试样的-60℃平均落锤撕裂试验剪切面积SA平均值≥88％；硬度HV10≤236，d＝2a，180°冷弯合格。
4.根据权利要求2所述一种厚规格高强韧性L485M管线钢的生产方法，其特征在于，所生产热轧卷板的厚度为17～20mm。
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