CN100366780C - 具有高止裂韧性的针状铁素体型x70管线钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

具有高止裂韧性的针状铁素体型X70管线钢，其成分为(质量百分比)：C 0.020～0.060、Mn 1.45～1.75、Si 0.100～0.500、S≤0.0020、P0.004～0.012、Nb 0.050～0.080、Ti 0.005～0.025、V 0.010～0.060、Mo0.10～0.30、Cu≤0.30、Ni≤0.30、Ca 0.0015～0.0040、N≤0.0080、Al_total0.015～0.045。其制造方法包括如下步骤：a.转炉或电炉冶炼、b.炉外精炼，RH真空脱气、LF脱硫、Ca处理、c.连铸、d.热轧，粗轧终止温度950～1000℃，精轧终止温度780～880℃，精轧非再结晶区压缩比大于70%；e.卷取，卷取温度为480～580℃。本发明通过微合金的适当配合，增加Nb含量提高精轧非再结晶区温度，通过控轧控冷工艺，使生产过程更容易实现，成本更低、更易于生产、产品性能更好。

Description

具有高止裂韧性的针状铁素体型X70管线钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及管线钢及其制造方法，特别涉及具有高止裂韧性的针状铁素体型X70管线钢及其制造方法。

背景技术

随着世界范围能源结构的优化调整，天然气使用需求上升，促进了天然气管线的发展。长距离高压输送已成为今日油气输送管线主要方式特征之一。长距离高压输送对管线钢性能提出了更为严格的要求。从考虑输送管道的运营稳定性和安全性出发，对管线用钢的强度、韧性均提出了更高的要求，特别是在长距离输送条件下要求具有高止裂韧性以及焊接性能，高强度高韧性管线钢成为管线钢发展的必然趋势。

管线钢发展过程中有两个重要的特点：一是管道向大口径方向发展的趋势，目前国际上最大的输气管道口径已达Φ1420mm；二是输送压力逐渐增高的趋势，从早期4.5MPa输送压力发展到10.0MPa左右，目前最大的输气管线压力可达15MPa。输送压力适当增加可加大泵站间距、减少操作维护人员、降低工程及运营维护的费用。在高压、大口径输送条件下，通常采用高强度等级钢材更为合理，同时对制管用钢材的强度、韧性和焊接性提出了更加严格的要求，具有高止裂韧性的管线钢对高压输气管道工业发展起重要作用。

因此，具有高强度、高止裂韧性和高的抗动态撕裂性能的X70管线钢是本世纪输气管线的主导钢材。

现有具有针状铁素体组织的X70管线钢如中国专利公开号CN1351189A所公开的“一种超低碳高韧性抗硫化氢用输气管线钢”专利，文中所述的X65管线钢具有抗硫化氢应力腐蚀性能和高的低温韧性。但上述专利在成分上要求P、S含量均非常低(P≤0.003％、S≤0.007)，这除了增加生产制造成本，且制造难度很大，难以工业化生产；Nb含量相对较低。还有如中国专利公开号CN1351187A所公开的“一种高洁净度高强韧性输气管线钢的制备方法”，该专利与前述分析的专利相近，重点在高纯净钢方面，P、S等含量要求均非常的低(S≤0.0008％)，P≤0.0015％)，增加生产制造成本，难以工业化生产，还有C含量较高，C(0.066-0.086％)，Mn含量较低Mn(1.23-1.43％)，且不含Mo。

发明内容

本发明的目的在于提供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，通过微合金的适当配合，适当增加Nb的含量可适当提高精轧非再结晶区温度，通过控轧控冷工艺，使生产过程更容易实现，成本更低、更易于生产、产品性能更好。

为满足大口径、厚壁焊管高压输送的安全性，X70高性能管线钢是采用超低碳微合金化处理技术、夹杂物形态控制技术和控制轧制控制冷却技术进行生产，并以超低碳针状铁素体组织为特征，使之在具有高强度的同时具有满足高止裂韧性要求的高的低温冲击韧性。

以往管线钢主要为“铁素体+珠光体”组织类型的钢种，这类钢种可保证-20℃板卷冲击韧性大于70J，在厚规格高钢级管线钢板厚中心部分常有明显的带状珠光体。而采用以“超低碳针状铁素体”为组织特征的管线钢通过恰当的成分设计及发挥控轧控冷工艺可明显消除钢中的带状珠光体组织，得到细小的针状组织，保证厚规格管线钢板卷具有-20℃冲击韧性大于240J的高韧性和-15℃的DWTT断口卷取面积大于90％，进而使高压输气管线具有高止裂性能。

本发明的技术方案是，具有高止裂韧性的针状铁素体型X70管线钢，其成分为(质量百分比)：

C  0.020～0.060

Mn  1.45～1.75

Si  0.100～0.500

S  ≤0.0020

P  0.004～0.012

Nb  0.050～0.080

Ti 0.005～0.025

V       0.010～0.060

Mo      0.10～0.30

Ca      0.0015～0.0040

N       ≤0.0080

Al_total 0.015～0.045。

进一步，本发明还含有Cu或Ni中的一种或两种，Cu≤0.30、Ni≤0.30。

本发明的制造方法，包括如下步骤：

a.转炉或电炉冶炼，

b.炉外精炼，RH真空脱气+LF脱硫、Ca处理

c.连铸

d.热轧，粗轧终止温度950～1000℃，精轧终止温度780～880℃，精轧非再结晶区压缩比大于70％；

e.卷取，板卷卷取温度为480～580℃。

其中，所述的步骤b中Ca处理中Ca/S≥1.0。

所述的步骤c中连铸的浇铸温度1565±15℃。

所述的步骤d热轧前板坯加热温度1160～1220℃。

所述的步骤d热轧后优选冷却速度大于5℃/s。

碳：是钢中最经济、最基本的强化元素，通过固溶强化和析出强化对提高钢的强度有明显作用，但是提高C含量对钢的延性、韧性和焊接性有负面影响，因此近代管线钢的发展过程是不断降低C含量的过程(如图1所示)。降低C含量一方面有助于提高钢的韧性，另一方面可改善钢的焊接性能。从图1可见，当C含量低于0.11％时管线钢可具有良好的焊接性。所以，目前管线钢的C含量一般小于0.11％，对需更高韧性的管线钢则采用C小于0.06％的超低C含量设计。

锰：通过固溶强化提高钢的强度，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。Mn还是扩大γ相区的元素，可降低钢的γ→α相变温度，有助于获得细小的相变产物，可提高钢的韧性、降低韧脆转变温度。因此对厚规格X70管线钢的Mn含量设计一般在1.45～1.75％范围。

铌：是现代微合金化管线钢中最主要的元素之一，对晶粒细化的作用十分明显。通过热轧过程中NbC应变诱导析出阻碍形变奥氏体的回复、再结晶，经控制轧制和控制冷却使精轧阶段非再结晶区轧制的形变奥氏体组织在相变时转变为细小的相变产物，以使钢具有高强度和高韧性。在低碳含量下适当提高铌的含量有助于提高非再结晶区的温度。

钒：具有较高的析出强化作用和较弱的晶粒细化作用，在Nb、V、Ti三种微合金元素复合使用时，V主要是通过在铁素体中以VC析出强化来提高钢的强度。

钛：是强的固N元素，利用0.02％左右的Ti就可固定钢中60ppm以下的N，在板坯连铸时可形成细小的高温稳定的TiN析出相。这种细小的TiN粒子可有效地阻碍板坯再加热时的奥氏体晶粒长大，有助于提高Nb在奥氏体中的固溶度，同时对改善焊接热影响区的冲击韧性有明显作用。

钼：是扩大γ相区，推迟γ→α相变时先析出铁素体形成、促进针状铁素体形成的主要元素，对控制相变组织起重要作用，在一定的冷却条件和卷取温度下低碳管线钢中加入0.1～0.3％的Mo就可获得明显的针状铁素体组织，同时因相变向低温方向转变，可使组织进一步细化，主要是通过组织的相变强化提高钢的强度。

硫、磷：是钢中不可避免的杂质元素，希望越低越好。通过超低硫(小于20ppm)及Ca处理对硫化物进行夹杂物形态控制，可使管线钢具有高的冲击韧性。

铜、镍：可通过固溶强化作用提高钢的强度，同时Cu还可改善钢的耐蚀性，Ni的加入主要是改善Cu在钢中易引起的热脆性，且对韧性有益。在厚规格管线钢中还可补偿因厚度的增加而引起的强度下降。

对于X70钢级管线钢，为避免在C含量较高的情况下用提高Mn含量方法来保证强度而引起钢的成分偏析及产生带状珠光体组织或如马氏体等一些硬相组织，则采用更低的C含量(C＝0.02～0.06％)、Mn大于1.45％，结合Nb、V、Ti多元微合金化，可视板卷厚度适当加入少量Cu、Ni等合金元素，并通过Mo的低合金化控制组织相变来保证钢的高强度、高的低温冲击韧性和高的DWTT抗动态撕裂性能为设计思想。

炼钢工艺采用了超低碳(碳小于0.06％)、超低硫(硫小于20ppm)、夹杂物形态控制的纯净钢冶炼技术。以往管线钢炼钢生产一般采用的工艺路线是“转炉-LF脱硫-RH真空脱气-连铸”，而对本发明成分是采用超低碳、高锰含量成分，如采用原有的工艺路线，为防止在加锰铁合金时的回碳，则需采用金属锰，这要增加合金成本。而本发明则是使用低碳锰铁，对炼钢工艺路线进行调整，通过“转炉-RH真空脱气-LF脱硫-连铸”的炼钢工艺路线，采用低碳锰铁合金，也同样能实现所需的超低碳(碳小于0.06％)、超低硫(硫小于20ppm)的成分要求，还可降低合金成本。

管线钢的板坯加热温度一方面要保证微合金元素Nb的充分固溶，同时又要避免奥氏体晶粒的粗化，在本发明为1160～1220℃。

以往管线钢的热连轧生产中对粗轧终止温度没有明确的要求，通常是大于1000℃。而本发明在热连轧工艺中要求粗轧终止温度范围在950～1000℃，这有利于保证低温冲击韧性和抗动态撕裂性能。

按微合金控轧控冷生产工艺一般要求精轧非再结晶区压缩比大于50％，而本发明为保证低温冲击韧性和抗动态撕裂性能，要求精轧非再结晶区压缩比大于70％。

一般“铁素体+珠光体”管线钢的卷取温度为580～650℃，而为保证针状铁素体针状的形成，本发明的板卷卷取温度设定为480～580℃。

因此，通过合理的成分和工艺进行最终产品的组织控制，以获得具有高强度高韧性的超低碳针状铁素体组织。

生产工艺路线设计为：转炉或电炉冶炼→炉外精炼(RH真空脱气+LF脱硫，Ca处理)→连铸→板坯再加热→控制轧制→控制冷却→卷取。

具有高强度、高止裂韧性和高的抗动态撕裂性能的X70管线钢可用于制造石油、天然气的管线钢钢管，其高止裂韧性保证了管线运营的安全性。

对于止裂所需韧性，国际上有许多机构在这方面进行了研究，通过实物高压气体爆破试验，得出止裂所需韧性的表达式，并且随着高钢级管线钢的开发，用高钢级钢管数据对公式进行了修正。按照著名的Battelle止裂性能公式计算，对于焊管口径为1219mm、壁厚为17.5mm、工作压力为15Mpa时要求的最低的韧性止裂冲击功为140J。而本发明的-20℃冲击功大于240J，较要求具有足够的富余量的高的止裂韧性，同时-15℃的DWTT断口剪切面积大于90％，对保证高压输气管线的安全性具有足够的安全余量。

用连铸坯通过7机架热连轧机组生产的X70热轧板卷，在满足X70高强度同时，具有高的低温冲击韧性和优良抗动态撕裂性能，-20℃的夏比冲击功在240J以上，-15℃DWTT试验的断口剪切面积≥90％。设计制造的热轧板卷厚度可达17.5mm，用于制造X70焊管。

本发明的有益效果

按照上述技术方案生产出的管线钢热轧板卷的性能达到以下要求：

1)拉伸性能：σ_0.5＝500～600MPa，σ_b≥570MPa，σ_0.5/σ_b≤0.90，δ₅₀≥22％；

2)V型缺口冲击性能：试验温度-20℃，10×10×55mm试样的冲击功平均值≥240J；剪切面积100％；

3)DWTT性能：试验温度-15℃，剪切面积大于90％；

4)横向冷弯性能：d＝2a，180°，完好；

5)硬度试验(横截面硬度)：Hv10≤248；

6)金相组织：晶粒度(ASTM E112)：11级或更细，组织为针状铁素体+少量多边形铁素体+MA(一种含有“马氏体+残余奥氏体”的混合组织)组元。

表1为本发明与现有技术的成分对比。

表1(wt％)

	C	Mn	Si	S	P	Nb	Ti	V	Mo	Cu	Ni	Ca	N	Al
															本发明	0.020～0.060	1.45～1.75	0.100～0.500	≤0.0020	0.004～0.012	0.050～0.080	0.005～0.025	0.01～0.06	0.10～0.30	≤0.30	≤0.30	0.0015～0.0040	≤0.0080	0.015～0.045
对比例1	0.020～0.040	1.4～1.6	0.15～0.35	≤0.0007	≤0.003	0.03～0.05		0.02～0.04	0.20～0.40					-
															对比例2	0.066～0.086	1.23～1.43	0.139～0.339	≤0.0008	≤0.0015	0.03～0.05	0.009～0.029	0.03～0.05	无				≤0.0040	-

附图说明

图1为钢中C含量、碳当量与钢焊接性关系的Graville曲线图；

图2为本发明的工艺流程图；

图3为本发明实施例1的X70管线钢的针状铁素体金相组织示意图；

图4为本发明实施例2的X70管线钢的针状铁素体金相组织示意图。

具体实施方式

通过合理的合金配方，辅以适当的加工工艺，主要应用250mm厚连铸坯，通过粗轧轧机和7机架连轧机组上的再结晶区和未再结晶区的控制轧制以及控制冷却技术，生产规格≤18mm厚的具高止裂韧性的X70管线钢热轧卷。

实施例A：

10.3×1550×Cmm的X70管线钢热轧板卷

其化学成份(wt％)

C	Mn	Si	S	P	Nb	Ti	V	Mo	Cu	Ni	Alt	N	Ca
														0.032	1.46	0.277	0.0015	0.011	0.052	0.021	0.048	0.19	0.21	0.14	0.040	0.0036	0.0034

工艺路线：

LD转炉冶炼→炉外精炼(RH、LF、喂Ca丝或喷Ca粉处理)→连铸→板坯精整→板坯再加热→控制轧制→控制冷却→卷取

热轧工艺

板坯加热温度：1191℃；

粗轧终止温度：960℃；

精轧压缩比：80％

精轧终止温度：822℃；

卷取温度：527℃。

物理性能指标

σ<sub>0.5</sub>MPa	σ<sub>b</sub>MPa	σ<sub>0.5</sub>/σ<sub>b</sub>	δ<sub>50</sub>％	H<sub>V10</sub>	CVN-20℃		SA％<sub>-15℃</sub>DWTT
								EJ	SA％
					560	630				0.88	39	210	330	100	100

(注：拉伸和冲击均为30°方向，CVN冲击试样尺寸为10×10×55mm；横向冷弯完好)

其针状铁素体金相组织示意图见图3。

实施例B

17.5×1550×Cmm的X70管线钢热轧板卷，其化学成份(wt％)如下：

C	Mn	Si	S	P	Nb	Ti	V	Mo	Cu	Ni	Alt	N	Ca
														0.058	1.60	0.206	0.0011	0.011	0.073	0.014	0.028	0.22	0.24	0.13	0.024	0.0044	0.0026

工艺路线：

LD转炉冶炼→炉外精炼(RH、LF、Ca处理)→连铸→板坯精整→板坯再加热→控制轧制→控制冷却→卷取

热轧工艺

板坯加热温度：1201℃；

粗轧终止温度：970℃

精轧压缩比：73％

精轧终止温度：793℃；

卷取温度：537℃。

物理性能指标

σ<sub>0.5</sub>MPa	σ<sub>b</sub>MPa	σ<sub>0.5</sub>/σ<sub>b</sub>	δ<sub>50</sub>％	H<sub>V10</sub>	CVN-20℃		SA％<sub>-15℃</sub>DWTT
								EJ	SA％
					530	649				0.82	45	220	334	100	100

(注：拉伸和冲击均为30°方向，CVN冲击试样尺寸为10×10×55mm；横向冷弯完好)

其针状铁素体金相组织示意图见图4。

实施例C

14.6×1550×Cmm的X70管线钢热轧板卷

工艺路线

LD转炉冶炼→炉外精炼(RH、LF、Ca处理)→连铸→板坯精整→板坯再加热→控制轧制→控制冷却→卷取

其他实施例成分见表2：

表2(wt％)

实施例	C	Si	Mn	P	S	Cu	Ni	Nb	V	Ti	Mo	Al	N	Ca
															1	0.046	0.21	1.62	0.014	0.0008	0.25	0.13	0.070	0.029	0.017	0.23	0.024	0.0022	0.0031
2	0.046	0.21	1.61	0.014	0.0008	0.25	0.13	0.060	0.025	0.015	0.22	0.034	0.0031	0.0026
															3	0.036	0.20	1.60	0.014	0.0019	0.22	0.14	0.062	0.029	0.013	0.23	0.032	0.0028	0.0025
4	0.047	0.25	1.67	0.014	0.0020	0.22	0.14	0.073	0.031	0.016	0.22	0.026	0.0028	0.0020
															5	0.030	0.20	1.60	0.005	0.0009	0.25	0.16	0.062	0.030	0.013	0.24	0.033	0.0048	0.0031
6	0.034	0.20	1.61	0.004	0.0008	0.25	0.15	0.068	0.029	0.013	0.25	0.023	0.0037	0.0025
															7	0.031	0.19	1.58	0.006	0.0016	0.23	0.15	0.060	0.029	0.013	0.21	0.031	0.0034	0.0031
8	0.035	0.20	1.61	0.007	0.0020	0.22	0.14	0.068	0.029	0.019	0.23	0.027	0.0032	0.0035
															9	0.050	0.20	1.59	0.010	0.0015	0.24	0.14	0.063	0.026	0.010	0.22	0.022	0.0041	0.0024
10	0.037	0.21	1.65	0.011	0.0015	0.23	0.15	0.080	0.032	0.014	0.23	0.030	0.0034	0.0024

其他实施例热轧工艺参数见表3：

表3

实施例	粗轧结束温度℃	精轧终轧温度℃	卷取温度℃
				1	962	829	552
2	978	826	486
				3	967	877	545
4	973	829	538
				5	969	822	547
6	985	828	540
				7	972	812	574
8	979	824	554
				9	968	802	539
10	979	798	538

对应上表成分和热轧工艺的X70管线钢板卷性能见表4。

表4

实施例	σ<sub>0.5</sub>MPa	σ<sub>b</sub>MPa	σ<sub>0.5</sub>/σ<sub>b</sub>	δ<sub>50</sub>％	CVN at-20℃		SA％<sub>-15℃</sub>DWTT	Hv10
									E，J	SA％
					1	530					634	0.84	41.0	338	100	98	223
2	531	645	0.80	41.0			371	100	100	226
					3	562					641	0.88	43.0	290	100	100	214
4	536	655	0.82	44.0			282	100	100	227
					5	536					628	0.85	41.0	345	100	100	221
6	530	626	0.85	42.0			399	100	100	209
					7	542					613	0.88	46.0	332	100	96	214
8	517	642	0.82	42.0			338	100	100	217
					9	539					627	0.86	43.0	278	100	100	214
10	537	674	0.80	44.0			348	100	100	211

本发明针状铁素体型X70管线钢将应用于我国“西气东输”输气管线工程中以及随后的陕西-北京二线输气管线工程、冀宁输气管线工程等。随着我国和全球输气管线的建设，本发明具有广阔的市场应用前景。

Claims (4)

1.具有高止裂韧性的针状铁素体型X70管线钢，其成分为(质量百分比)：

C        0.020～0.060

Mn       1.45～1.75

Si       0.100～0.500

S        ≤0.0020

P        0.004～0.012

Nb       0.050～0.080

Ti       0.005～0.025

V        0.010～0.060

Mo       0.10～0.30

Ca       0.0015～0.0040

N        ≤0.0080

Al_total  0.015～0.045。

2.如权利要求1所述的具有高止裂韧性的针状铁素体型X70管线钢，其特

征是，还含有Cu或Ni中的一种或两种，Cu≤0.30、Ni≤0.30。

3.如权利要求1所述的具有高止裂韧性的针状铁素体型X70管线钢的制造方法，其特征是，包括如下步骤：

a.转炉或电炉冶炼；

b.炉外精炼，RH真空脱气+LF脱硫、Ca处理；

c.连铸，浇铸温度1565±15℃；

d.热轧，热轧前板柸加热温度1160～1220℃，粗轧终止温度950～1000℃，精轧终止温度780～880℃，精轧非再结晶区压缩比大于70％，热轧后冷却速度大于5℃/s。

e.卷取，板卷卷取温度为480～580℃。

4.如权利要求3所述的X70管线钢的制造方法，其特征是，所述的步骤b中Ca处理中Ca/S≥1.0。

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