CN109957712A

CN109957712A - 一种低硬度x70m管线钢热轧板卷及其制造方法

Info

Publication number: CN109957712A
Application number: CN201711333527.6A
Authority: CN
Inventors: 孔祥磊; 黄国建; 栗锐; 吴成举; 黄明浩; 张英慧; 王杨
Original assignee: Angang Steel Co Ltd
Current assignee: Angang Steel Co Ltd
Priority date: 2017-12-14
Filing date: 2017-12-14
Publication date: 2019-07-02
Anticipated expiration: 2037-12-14
Also published as: CN109957712B

Abstract

本发明公开一种低硬度X70M管线钢热轧板卷及其制造方法。钢中含有C 0.061％～0.080％、Si 0.15％～0.35％、Mn 1.41％～1.59％、Nb0.060％～0.080％、V 0.010％～0.030％、Ti 0.008％～0.020％、Mo0.13％～0.18％、Cr 0.13％～0.19％、Al 0.020％～0.060％、P≤0.018％、S≤0.004％、N≤0.007％，且Pcm≤0.19％，其余为Fe和不可避免的杂质。铸坯厚度200mm以下。铸坯在500～850℃热装，加热至1150～1200℃，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℃，冷却速度12～30℃/s，卷取温度为470～530℃。生产的X70M级热轧板卷硬度值≤230HV₁₀。

Description

一种低硬度X70M管线钢热轧板卷及其制造方法

技术领域

本发明属于金属材料高强度低合金钢领域，具体涉及一种油气输送管道用管线钢的制造方法，特别是涉及API SPEC 5L规范中一种低硬度(≤230HV₁₀)X70M钢级管线钢热轧板卷及其制造方法。

背景技术

巨大的能源需求刺激了管道建设的急速发展，为确保输送的稳定性和安全性，随认识的提高和技术的发展，对钢材的技术指标要求日趋合理和完善。管线钢技术指标众多，如拉伸性能、夏比冲击性能、落锤性能、弯曲性能、硬度、晶粒度、夹杂物、带状组织等等。

X70M钢级已成为国内外重要管道建设的主流钢级之一，其板卷硬度指标一般要求最大值250HV₁₀。近年来为了确保更优的钢管焊接性能而有工程提出了更严的硬度要求，也有许多企业对X70级管线钢进行了研发。

申请号201310001803.4公开了含Cr经济型X70管线钢热轧板卷的控轧控冷工艺。钢中成分含有：C 0.05％～0.075％、Si 0.10％～0.35％、Mn 1.00％～1.65％、Nb 0.050％～0.080％、Ti 0.010％～0.025％、Cr 0.30％～0.40％，工艺上使用8～10道次粗轧，300～400℃卷取。该钢中成分中无V，不能充分发挥Nb、V、Ti微合金化复合作用，降低强化效果；高Cr易造成硬度偏高；粗轧道次过多，道次压下量不足，影响原始奥氏体细化，低温卷取不仅硬度高且易造成卷形不良。

申请号200410066297.8公开了具有高止裂韧性的针状铁素体型X70管线钢及其制造方法。钢中成分按质量百分比计含有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％、CaO0.0015％～0.0040％、N≤0.008％、Al 0.015％～0.045％。钢中C含量低，为弥补强度而添加了种类较多的合金元素如Cu或Ni的一种或两种，不仅合金体系复杂且成本高，另外因不含Cr而添加了较多的贵重Mo，成本高，P、S含量控制过严，增加熔炼成本，因此整体成本较高。

申请号200810013479.7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。钢中含有C 0.03％～0.06％、Si 0.15％～0.25％、Mn 1.55％～1.75％、S≤0.003％、P0.012％～0.020％、Nb 0.06％～0.08％、Ti 0.01％～0.02％、Mo 0.20％～0.30％、Cr0.2％～0.35％、Cu 0.2％～0.35％。钢中Mo、Cu贵重元素含量大，成本高，Mo、Cr元素整体含量高，易造成硬度值高，另外只添加Cu而不添加Ni，铸坯易产生Cu裂纹。

申请号200710038397.3公开了一种经济型X70管线钢及其生产方法。该专利成分中C 0.015％～0.060％、Si≤0.30％、Mn 0.7％～1.80％、S≤0.005％、P≤0.015％、Nb≤0.15％、Ti 0.005％～0.020％、V≤0.08％、Mo≤0.50％、Cr≤0.50％、Cu≤0.60％、Ni≤0.60％。钢中C含量低，需添加更多的合金元素以保证产品强度，成本不经济，且实际以高Nb无V设计，不能充分发挥Nb、V、Ti微合金化复合作用。

申请号201210022429.1公开了一种低成本高强韧性X70管线钢卷板及其生产方法。钢中含有C 0.03％～0.07％、Si 0.10％～0.25％、Mn1.10％～1.80％、S≤0.005％、P≤0.018％、Nb 0.05％～0.10％、Ti0.008％～0.020％、Mo 0.05％～0.12％、Cr 0.15％～0.35％、Als0.020％～0.040％、Ca 0.0015％～0.0030％，N≤0.0060％。成分中无V，不能充分发挥Nb、V、Ti微合金化复合作用，降低强化效果，Mo含量偏低，因而需要添加较多的Cr以补充强度，易造成硬度值偏高，另外该钢采取低温卷取(350～450℃)，易生成更多低温相变组织造成硬度值偏高。

郑磊、高珊在《钢铁研究学报》，2006，18(3)发表了论文西气东输工程用大口径X70输气管线用板卷的研制，该论文中只明确给出了C、Mn成分，其他元素中包括Mo、Ni、Cu等贵重元素，成本偏高。

目前公开的X70M钢级管线钢文献和专利虽多，但涉及低硬度的很少。已公开的专利文献一是合金设计中含较多贵重元素造成成本较高，二是添加较多的Cr或采取低温卷取工艺等造成硬度值高，三是未采用Nb、V、Ti复合添加以扩大微合金元素的有益作用等。

发明内容

本发明的目的是，以经济合理的合金体系结合热机械控制轧制，提供一种具有优异综合性能特别是硬度值≤230HV₁₀的低硬度值X70M钢级管线钢热轧板卷及其制造方法。

具体的技术方案是：

一种具有针状铁素体组织的X70M钢级管线钢，其组成成分按质量百分比计含有：C0.061％～0.080％、Si 0.15％～0.35％、Mn 1.41％～1.59％、Nb 0.060％～0.080％、V0.010％～0.030％、Ti 0.008％～0.020％、Mo 0.13％～0.18％、Cr 0.13％～0.19％、Al0.020％～0.060％、P≤0.018％、S≤0.004％、N≤0.007％，余量为Fe 和不可避免杂质，且Pcm≤0.19％，其中，Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B。

本发明X70M钢级管线钢的成分采用C-Mn-Nb-Mo系设计，同时采用微Ti处理，结合热机械控制轧制生产工艺获得细小的针状铁素体组织，以保证产品具优异的强韧性和较低的硬度值，其主要元素的选择理由如下：

C：是钢中最经济、最基本、最有效的强化元素，通过固溶强化和析出强化对提高钢的强度有明显作用，但过高的碳含量对产品的冲击韧性、焊接性能和硬度值均有不利影响。因此，本发明将碳含量控制为0.061％～0.080％。

Si：脱氧元素，固溶于铁素体以提高钢的强度，但同时要损失塑性和韧性，本发明的Si含量控制为0.15％～0.35％。

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。高锰促进针状铁素体形核，高Mn/C可提高钢材屈服强度和冲击韧性，降低韧脆转变温度，细化碳氮化物析出尺寸，促进沉淀强化效果，但锰含量过高偏析严重，易造成局部硬度值偏高。因此，本发明将锰含量控制为1.41％～1.59％。

Nb：是现代微合金化管线钢中进行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，促进针状铁素体组织和M-A岛的形成。Nb可通过细晶强化、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量后强化效果不再明显。因此，本发明的铌含量控制为0.060％～0.080％。

V：具有较高的析出强化作用和较弱的细晶强化作用，V主要通过铁素体中C、N化合物的析出起强化作用，一般与Nb、Ti复合添加效果更好，在含Nb较高的钢中一般微量添加。本发明的钒含量控制为0.010％～0.030％。

Ti：是强的固氮元素，Ti/N的化学计量比为3.42。加入0.015％左右Ti时，可在板坯连铸时形成高温稳定细小的TiN析出相，这种析出相可有效阻止连铸坯在加热过程中奥氏体晶粒的长大，同时对改善钢焊接时热影响区的断裂韧性有明显作用。因此，本发明中将Ti含量控制在0.008％～0.020％。

Mo：有效提高钢的淬透性、扩大γ相区，具有降低γ－α相变温度，抑制多边形铁素体(PF)的形成，促进针状铁素体(AF)的转变，并提高Nb(C、N)的沉淀强化效果，提高钢材的强度和断裂韧性。Mo可通过控制相变明显提高产品强韧性，但价格较高，添加量过多提高成本。因此，本发明的钼含量控制为0.13％～0.18％。

Cr：有效提高淬透性，抑制多边形铁素体和珠光体的产生，促进在中温和低温区内形成晶内有大量位错分布的铁素体或贝氏体。Cr可明显提高产品的抗拉强度，但也明显提高硬度，因此不宜添加过多。本发明的铬含量控制为0.13％～0.19％。

Al：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。本发明的Al含量控制在0.020％～0.060％。

P、S、N：是钢中不可避免的杂质元素，希望越低越好，但要求过低会增加生产成本。因此，本发明中将P、S、N分别控制为P≤0.018％、S≤0.004％、N≤0.007％。

Pcm：控制冷裂纹敏感系数有利于保障产品的焊接性能，故本发明Pcm≤0.19％。

本发明还提出一种采用中薄板坯连铸连轧生产工艺经济地制造X70M钢级管线钢热轧板卷的方法。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－层流冷却—卷取。其特征是：

(1)冶炼连铸工艺：铁水预处理，转炉冶炼——经顶吹或顶底复合吹炼，炉外精炼——经RH真空处理、LF炉轻脱硫处理及进行钙处理以控制夹杂物形态和提高钢的延展性、韧性和冷弯性能；连铸采用电磁搅拌或动态轻压下以提高连铸板坯的质量，铸坯厚度200mm以下，其凝固冷却速率远远大于传统的厚板坯，二次枝晶间距大幅度减小。

(2)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。

本发明的X70M钢级热轧板卷具有优异的综合性能：硬度值≤230HV₁₀，屈服强度R_t0.5为500～600MPa、抗拉强度R_m为610～690MPa、延伸率A_50mm≥30％，-30℃夏比冲击功A_kv≥240J(3个试样平均值)，-20℃落锤撕裂试验剪切面积≥90％(2个试样平均值)。

有益效果：

本发明同现有技术相比，有益效果如下：

(1)本发明为采用C-Mn-Nb-Mo系设计的X70M钢级管线钢，合金设计经济合理，不含Ni、Cu，贵重元素少量添加或不添加，生产成本低；

(2)结合中薄板坯短流程连铸连轧生产工艺轧制成板卷，产品组织为均匀细小的针状铁素体组织，强韧性匹配良好，硬度值低(≤230HV₁₀)，完全满足API SPEC 5L规范及中石油中石化通用技术条件要求，通过螺旋埋弧焊方式制成焊管，可广泛应用到油气输送管道建设上，具备突出的经济效益和良好的社会效益。

附图说明

图1为实施例1的光学显微组织，图中组织为针状铁素体组织。

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。

表1为实施例钢的化学成分。其工艺流程为铁水预处理—转炉冶炼—炉外精炼(RH+LF+钙处理)—连铸—板坯加热－轧制－层流冷却—卷取，实施例钢具体工艺制度见表2。表3为实施例钢的力学性能。

表1实施例钢的化学成分wt，％

实施例	C	Si	Mn	P	S	Nb	V	Ti	Mo	Cr	Al	N	Pcm
														1	0.068	0.24	1.48	0.012	0.002	0.076	0.011	0.016	0.14	0.17	0.044	0.003	0.17
2	0.075	0.21	1.42	0.013	0.003	0.070	0.019	0.015	0.15	0.16	0.034	0.003	0.17
														3	0.062	0.16	1.58	0.012	0.003	0.061	0.020	0.009	0.16	0.13	0.042	0.005	0.17
4	0.067	0.29	1.50	0.015	0.002	0.068	0.019	0.014	0.18	0.15	0.050	0.003	0.17
														5	0.079	0.22	1.53	0.014	0.003	0.071	0.029	0.019	0.15	0.14	0.033	0.006	0.18
6	0.071	0.25	1.46	0.017	0.003	0.079	0.018	0.017	0.14	0.18	0.045	0.004	0.17

注：Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B

表2实施例钢工艺制度

表3实施例钢力学性能

注：拉伸试验、夏比冲击试验和落锤撕裂试验试样的取样方向均与轧制方向成30°方向。

由表1～表3可见，采用本发明工艺生产的X70级管线钢热轧板卷，硬度值≤230HV₁₀，延伸率≥30％，-30℃夏比冲击功(3个试样平均值)Akv≥240J，-20℃落锤撕裂试验剪切面积(2个试样平均值)≥90％，钢板具有良好的综合力学性能。

Claims

1.一种低硬度X70M管线钢热轧板卷，其特征在于，钢中化学成分按质量百分比计含有：C 0.061％～0.080％、Si 0.15％～0.35％、Mn 1.41％～1.59％、Nb 0.060％～0.080％、V0.010％～0.030％、Ti 0.008％～0.020％、Mo 0.13％～0.18％、Cr 0.13％～0.19％、Al0.020％～0.060％、P≤0.018％、S≤0.004％、N≤0.007％，余量为Fe和不可避免杂质，且Pcm≤0.19％，其中，Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B。

2.如权利要求1所述的一种低硬度X70M管线钢热轧板卷，其特征在于，热轧板卷的硬度值≤230HV₁₀。

3.一种如权利要求1或2所述的低硬度X70M管线钢热轧板卷的制造方法，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－层流冷却—卷取，其特征在于，

冶炼：炉外精炼采用RH真空处理、LF炉轻脱硫处理及进行钙处理；连铸采用电磁搅拌或动态轻压下，铸坯厚度200mm以下；

轧制：连铸板坯在500～850℃温度直接进行热装炉加热，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。