CN101033525A - 直缝焊石油套管用热轧板带钢及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
一种直缝焊石油套管用热轧板带钢及其生产方法，属低合金钢技术领域，用于解决提供高质量、低成本直缝焊石油套管用热轧板带钢的问题。特别之处是，化学成分配比如下：C：0.14～0.21、Mn：1.0～1.5、Si：0.10～0.40、S：≤0.015、P：≤0.020、Ti：0.015～0.04、Als：0.01～0.05、N≤0.005，余量为Fe。本发明产品通过合理设计C、Mn含量、严格控制S、P、N含量，添加微量合金元素Ti，经炼钢、连铸、轧制等步骤制成带钢，可明显改善带钢的焊接性，有利于改善铸坯表面质量，降低生产成本。本发明产品可完全满足API5CT标准中相关产品的要求，延伸率和压扁性能明显优于其他同类产品。
Description
技术领域
本发明型涉及一种直缝焊石油套管用热轧板带钢及其生产方法，属低合金钢技术领域。
背景技术
石油套管是石油天然气开采过程中的用量很大的一种重要用具，目前国内主要采用无缝管和直缝焊管，由于直缝管具有壁厚均匀、几何尺寸精度高、韧性高、射孔后孔眼无撕裂且价格便宜等优势，用热轧板卷和中宽带制造的直缝焊套管已经逐渐替代传统的无缝钢管。随着节省能源和环保问题的升温，大大促进石油、天然气行业的迅猛发展，相应对于石油套管的需求量也在不断增加，因此也带动了钢铁等相关行业的发展。优化成分组合，采用先进的生产技术，开发出在强度、韧性、塑性、可焊性等性能方面可达到更高要求的卷板或中宽带钢是制造出高品质直缝焊石油套管的基础。
发明内容
本发明用于提供一种直缝焊石油套管用热轧板带钢及其生产方法，本发明产品合理设计成分、添加微量合金元素Ti，并通过优化生产工艺方法使其力学性能完全满足API5CT标准中相关产品的要求，且生产成本较低。
本发明所称问题是以下技术方案解决的：
一种直缝焊石油套管用热轧板带钢，其特别之处是，化学成分配比如下：C：0.14～0.21、Mn：1.0～1.5、Si：0.10～0.40、S：≤0.015、P：≤0.020、Ti：0.015～0.04、Als：0.01～0.05、N≤0.005，余量为Fe。
上述直缝焊石油套管用热轧板带钢，所述优选化学成份配比如下：C：0.17～0.20、Mn：1.20～1.40、Si：0.20～0.35、S：≤0.008、P：≤0.015、Ti：0.015～0.035、Als：0.020～0.035、N≤0.005，余量为Fe。
上述直缝焊石油套管用热轧板带钢生产方法，它包括下述步骤：
a.以预处理铁水或海绵铁加优质废钢为冶炼原料，转炉或电炉炼钢，炉外精炼；
b.连铸成中厚板坯；
c.热轧机组轧制成最终尺寸的卷板或中宽带钢；
其中板坯连铸工序b中连铸过热度控制在15～35℃之间，拉速在1.0～3.0m/min之间，板坯厚度120～250mm；热轧工序c中板坯热装或二次加热至1100～1200℃，终轧温度为820～930℃，卷取温度为520～650℃。
上述直缝焊石油套管用热轧板带钢生产方法，它包括下述步骤：
A.以预处理铁水或海绵铁加优质废钢为冶炼原料，转炉或电炉炼钢，炉外精炼；
B.连铸成薄板坯；
C.薄板坯连轧机组轧制成最终尺寸的卷板或中宽带钢；
其中板坯连铸工序B中连铸过热度控制在15～35℃之间，拉速在3.0～6.0m/min之间，板坯厚度70～90mm；薄板坯连轧工序C中板坯直接进入加热炉，加热至1100～1200℃，终轧温度为820～930℃，卷取温度为520～650℃。
本发明产品在合理设计C、Mn含量、严格控制S、P、N含量的基础上，添加微量合金元素Ti，Ti的加入可明显改善带钢的焊接性，由于Ti与N有较强的亲和力，有利于改善铸坯表面质量，Ti还可以起到细化晶粒作用，此外添加Ti元素与添加其它合金元素如Nb、V相比，可降低生产成本。本发明方法采用以预处理铁水或海绵铁加优质废钢为冶炼原料，经炉外精炼，连铸成中厚板坯，经热轧机组轧制成最终尺寸的卷板或中宽带钢；或炉外精炼后，连铸成薄板坯，经薄板坯连轧机组轧制成最终尺寸的卷板或中宽带钢。经检验本发明产品可完全满足API5CT标准中相关产品的要求，特别是在制管生产过程中具有很好的焊接性和成形性，制管后的性能检验中，其延伸率和压扁性能明显优于现有其他同类产品。
具体实施方式
本发明产品成分配比分析如下：
C：C是决定钢强度的主要元素，是形成珠光体的主要物质，碳化物在钢中的形态和多少决定钢的硬度和强度，即随着C含量的增加钢的强度、硬度、耐磨性增加，而钢的塑性和韧性下降。但在实际设计成分时还从连铸工艺、焊接性、成形性、加工螺纹的成材率等方面考虑了C含量，首先因为当C含量在0.09％～0.17％时，钢的相变在包晶反应区，铸坯易产生裂纹，甚至造成裂纹漏钢；从石油套管焊接性、成形性方面，C含量不宜太高；从加工螺纹的成材率实践检验表明，C含量低影响螺纹的切削性降低。因此，将C含量目标值控制在0.14～0.21％范围内，优化目标0.17％～0.20％。
Mn：Mn具有固溶强化和细晶强化的作用，在非调质钢的设计中，通常采用降低C含量，增加Mn含量，以达到提高强度的同时韧性不致降低过快的目的，但其含量过多时，会大大降低相变临界点，工艺控制不当，组织中会出现贝氏体，强度升高，韧性下降。另外，从石油套管的焊接性方面考虑(碳当量)，Mn含量也不宜太高。因此，实际Mn含量目标值控制在1.0～1.5范围内，优化目标1.20％～1.40％。
Ti：Ti是微合金化元素，添加微量Ti是本发明的最重要改进。
1.首先，添加微量Ti可明显改善带钢的焊接性，因为N是导致焊接裂纹敏感的主要元素之一，通过Ti固定N可以得到很好的效果，另外，在焊缝金属中存在的超细的Ti的氧化物、硫化物、碳氮化物可以起到强化、净化及变质剂的作用；
2.由于Ti与N有较强的亲和力，在高温甚至液态就可析出TiN等粒子，因而通过合理的Ti、N含量和连铸工艺控制，避免影响高温热塑性微小粒子在晶界析出，可以明显的改善铸坯表面质量；
3.由于Ti完全固定了N，使钢中无游离的N元素，因而可改善钢的时效性；
4.包辛格效应是大管径套管中易暴露的问题，通过微量Ti合金化，由于对屈服强度提高不明显，可以改善包辛格效应。
5.另外，Ti还具有中等强度的细晶强化和沉淀强化双重作用，细晶强化具体表现在：①细小的TiN、TiCN等粒子在晶界析出，在高温下阻碍晶界的运动，明显提高奥氏体的粗化温度，细化奥氏体晶粒尺寸；②高温形变时，微量Ti通过固溶效应和析出效应而强烈的抑制奥氏体的动态再结晶，在碳化物动态析出之前，以固溶延迟效应为主，而析出后，以碳化物对奥氏体的钉轧作用为主；③在一定程度上，降低铁素体的形核率和长大速率，进而细化铁素体。
6.Ti铁的价格明显低于Nb铁和V铁。
综上，实际控制Ti含量的目标值在0.015～0.04之间，优化目标0.015～0.035％。
S、P：S、P是强烈的裂纹敏感性元素，因而应尽可能的低；另外根据经验，钢水中酸溶铝和硫含量应有一定的匹配关系，否则会导致钢水Ca处理后堵塞水口。钢水采用Ca处理，使Al2O3成为液态的铝酸钙。Ca使Al2O3变性的条件是S≤0.01％，否则形成的CaS将阻止Ca与Al2O3进一步反应。同时Ca在S≤0.008％的条件下可以控制硫化物的形态，形成的硫化物是复杂的(Ca，Mn)S，而不是MnS。MnS在钢液凝固时易在晶界处析出，在热轧时被轧成带状夹杂，降低了钢材的机械性能。而(Ca，Mn)S在热轧时不变形，对钢的机械性能影响不大，消除了钢材的各向异性。因此，实际控制在S：≤0.015、P：≤0.020，优化目标S≤0.008、P≤0.015。
5.N：N是钢中有害气体元素，其主要影响铸坯的表面质量、成品的焊接性及时效性等，因此实际控制中N≤0.005。
本发明产品生产方法如下：
工艺路线1：以预处理铁水或海绵铁加优质废钢为冶炼原料，转炉或电炉炼钢，经炉外精炼后，连铸成中厚板坯，经传统热轧机组轧制成最终尺寸的卷板或中宽带钢。
工艺路线2：以预处理铁水或海绵铁加优质废钢为冶炼原料，转炉或电炉炼钢，经炉外精炼后，连铸成薄板坯，经薄板坯连轧机组轧制成最终尺寸的卷板或中宽带钢。
针对工艺路线1所采用的工艺制度：
板坯连铸：连铸过热度控制在15～35℃之间，拉速在1.0～3.0m/min之间，板坯厚度120～250mm，连铸采用合适的保护渣，结晶器和二冷区采用弱冷。
热轧：板坯热装或二次加热至1100～1200℃，终轧温度为820～930℃，卷取温度为520～650℃。
针对工艺路线2所采用的工艺制度：
板坯连铸：连铸过热度控制在15～35℃之间，拉速在3.0～6.0m/min之间，板坯厚度70～90mm，连铸采用合适的保护渣，结晶器和二冷区采用弱冷。
热轧：板坯直接进入加热炉，加热至1100～1200℃，终轧温度为820～930℃，卷取温度为520～650℃。
以下提供几个具体实施例。
实施例1：以预处理铁水加优质废钢为冶炼原料，150吨转炉炼钢，经150吨LF炉外精炼后，以1.1～1.8m/min的拉速连铸成150mm厚板坯，板坯加热至1150℃，终轧温度为880℃，卷取温度为630℃，经1700热轧机组轧制成6.1mm卷板。
| C％ | Mn％ | S％ | P％ | Si％ | Als％ | Ti％ | N％ | Fe | 抗拉Mpa | 屈服Mpa | 伸率％ | 冲击1-10℃J | 冲击2-10℃J | 冲击3-10℃J | |
| 实施例1-1 | 0.14 | 1.50 | 0.015 | 0.014 | 0.40 | 0.050 | 0.022 | 0.0045 | 余量 | 550 | 400 | 40.5 | 90 | 92 | 90 |
| 实施例1-2 | 0.21 | 1.0 | 0.007 | 0.020 | 0.10 | 0.027 | 0.040 | 0.005 | 余量 | 565 | 415 | 42 | 88 | 91 | 96 |
| 实施例1-3 | 0.17 | 1.40 | 0.008 | 0.015 | 0.35 | 0.035 | 0.035 | 0.004 | 余量 | 585 | 440 | 44 | 87 | 80 | 89 |
实施例2：以预处理铁水加优质废钢为冶炼原料，150吨转炉炼钢，经150吨LF炉外精炼后，以1.5～2.2m/min的拉速连铸成150mm厚板坯，板坯加热至1200℃，终轧温度为870℃，卷取温度为540℃，经1700热轧机组轧制成9.65mm卷板。
| C％ | Mn％ | S％ | P％ | Si％ | Als％ | Ti％ | N％ | Fe | 抗拉Mpa | 屈服Mpa | 伸率％ | 冲击1-10℃J | 冲击2-10℃J | 冲击3-10℃J | |
| 实施例2-1 | 0.20 | 1.20 | 0.004 | 0.013 | 0.20 | 0.035 | 0.015 | 0.0043 | 余量 | 575 | 430 | 40.0 | 136 | 130 | 125 |
| 实施例2-2 | 0.19 | 1.28 | 0.004 | 0.015 | 0.30 | 0.020 | 0.030 | 0.0045 | 余量 | 585 | 440 | 43.0 | 163 | 158 | 159 |
| 实施例2-3 | 0.18 | 1.30 | 0.005 | 0.014 | 0.28 | 0.010 | 0.021 | 0.0041 | 余量 | 575 | 425 | 42.0 | 144 | 141 | 149 |
实施例3：以预处理铁水加优质废钢为冶炼原料，150吨转炉炼钢，经150吨LF炉外精炼后，以3.3～4.0m/min的拉速连铸成90mm厚板坯，板坯直接进入加热炉，加热至1150℃，终轧温度为860℃，卷取温度为560℃，经薄板坯连铸连轧机组轧制成8.94mm卷板。
| C％ | Mn％ | S％ | P％ | Si％ | Als％ | Ti％ | N％ | Fe | 抗拉Mpa | 屈服Mpa | 伸率％ | 冲击1-10℃J | 冲击2-10℃J | 冲击3-10℃J | |
| 实施例3-1 | 0.18 | 1.33 | 0.008 | 0.014 | 0.28 | 0.040 | 0.015 | 0.0043 | 余量 | 585 | 430 | 37.5 | 100 | 108 | 96 |
| 实施例3-2 | 0.19 | 1.30 | 0.005 | 0.013 | 0.26 | 0.028 | 0.035 | 0.0048 | 余量 | 580 | 440 | 43 | 155 | 152 | 149 |
| 实施例3-3 | 0.17 | 1.40 | 0.003 | 0.015 | 0.35 | 0.020 | 0.021 | 0.0044 | 余量 | 595 | 460 | 42.5 | 160 | 140 | 89 |
实施例4：以预处理铁水加优质废钢为冶炼原料，150吨转炉炼钢，经150吨LF炉外精炼后，以3.7～4.7m/min的拉速连铸成90mm厚板坯，板坯直接进入加热炉，加热至1150℃，终轧温度为860℃，卷取温度为630℃，经薄板坯连铸连轧机组轧制成6.8mm。
| C％ | Mn％ | S％ | P％ | Si％ | Als％ | Ti％ | N％ | Fe | 抗拉Mpa | 屈服Mpa | 伸率％ | 冲击1-10℃J | 冲击2-10℃J | 冲击3-10℃J | |
| 实施例4-1 | 0.20 | 1.20 | 0.006 | 0.015 | 0.20 | 0.035 | 0.023 | 0.0045 | 余量 | 595 | 470 | 36.5 | 85 | 92 | 89 |
| 实施例4-2 | 0.21 | 1.00 | 0.015 | 0.012 | 0.40 | 0.050 | 0.023 | 0.0050 | 余量 | 545 | 395 | 38 | 55 | 65 | 71 |
| 实施例4-3 | 0.14 | 1.50 | 0.004 | 0.020 | 0.10 | 0.010 | 0.040 | 0.0040 | 余量 | 555 | 410 | 34.5 | 75 | 65 | 70 |
通过上述方法生产的直缝焊石油套管用热轧板带钢的力学性能和工艺性能技术指标完全满足API5CT标准中相关产品的要求：
屈服强度：Rel(Rt0.5) 379～552Mpa
抗拉强度：Rm≥517Mpa
伸长率：A≥21％
冷弯：180°d＝2a a：试样厚度 d：弯心直径
冲击功：V型 温度-10℃ 横向≥20J
另外，在制管生产过程中具有很好的焊接性和成形性，制管后的性能检验中，其延伸率和压扁性能明显好于现有其他厂家同档次产品。
Claims (4)
1.一种直缝焊石油套管用热轧板带钢，其特征在于，化学成分配比如下：C：0.14～0.21、Mn：1.0～1.5、Si：0.10～0.40、S：≤0.015、P：≤0.020、Ti：0.015～0.04、Als：0.01～0.05、N≤0.005，余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的直缝焊石油套管用热轧板带钢，其特征在于：所述优选化学成份配比如下：C：0.17～0.20、Mn：1.20～1.40、Si：0.20～0.35、S：≤0.008、P：≤0.015、Ti：0.015～0.035、Als：0.02～0.035、N≤0.005，余量为Fe。
3.根据权利要求1或2所述的直缝焊石油套管用热轧板带钢生产方法，其特征在于，它包括下述步骤：
a.预处理铁水或海绵铁加优质废钢为冶炼原料，转炉或电炉炼钢，炉外精炼；
b.连铸成中厚板坯；
c.热轧机组轧制成最终尺寸的卷板或中宽带钢；
其中板坯连铸工序中连铸过热度控制在15～35℃之间，拉速在1.0～3.0m/min之间，板坯厚度120～250mm；热轧工序中板坯热装或二次加热至1100～1200℃，终轧温度为820～930℃，卷取温度为520～650℃。
4.一种如权利要求1或2所述直缝焊石油套管用热轧板带钢的生产方法，其特征在于，它包括下述步骤：
A.以预处理铁水或海绵铁加优质废钢为冶炼原料，转炉或电炉炼钢，炉外精炼；
B.连铸成薄板坯；
C.薄板坯连轧机组轧制成最终尺寸的卷板或中宽带钢；
其中板坯连铸工序中连铸过热度控制在15～35℃之间，拉速在3.0～6.0m/min之间，板坯厚度70～90mm；薄板坯直接进入加热炉，加热至1100～1200℃，终轧温度为820～930℃，卷取温度为520～650℃。
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