CN101082108A - 一种用于制作海底管线的钢板及其轧制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于制作海底管线的钢板及其轧制方法，钢板的化学成分的重量百分比为：C：0.030～0.075、Si：0.10～0.30、Mn：1.40～1.60、P：≤0.015、S：≤0.003、Cu：≤0.20、Ni：0.10～0.25、Mo：0.07～0.20、Nb：0.03～0.05、V：≤0.060、Ti：0.001～0.02、Al：0.01～0.06、Cr：≤0.20、N：≤0.009、Ca：0.001～0.005、B：≤0.0005、Sn：≤0.010、As：≤0.030。本发明钢板具备高洁净度、高强度、高韧性、热连轧高强度。本发明钢板可用于制作海底管线直缝埋弧焊管。
Description
技术领域
本发明涉及钢板及其轧制方法，特别是用于制作海底管线的钢板及其轧制方法。
背景技术
随着国民经济的高速发展，石油天然气需求出现供不应求的局面，这极大促进了边际油气田和海上油气资源的开发和海底管道的建设，海底管线用钢的重要性日益凸现。
恶劣的海洋环境对海底管线用钢提出较陆地管线用钢更加严格的质量要求。由于受铺设过程侧面弯曲和海底海流变化等因素的影响，要求海底管线钢具有高的洁净度，较高的纵向强度，高的韧性，较低的钢板各向异性和额外的裂纹止裂评估，这些要求需要改善合金设计和轧制工艺。
海底管线常用X65钢级。目前国内海底管线用钢主要依靠进口，而且其生产方法采用可逆式中板轧机和炉卷轧机。采用热连机生产具有生产效率高，尺寸精度高的优点，但热连轧板各向异性大，同时由于开平、横切过程的加工硬化和热轧应力难以释放，造成钢板板形不好、性能变化大，因此利用热连机生产海底管线用高强度(ReL≥450MPa)钢板是冶金企业努力开发的目标，以满足边际油气田和海上油气资源的开发越来越大的需求。
中国专利申请号为200510023651公开了一种“酸性环境用X65管线钢及其制造方法”，其产品为热连轧板卷，适用于制作螺旋埋弧焊管，不适用制作直缝埋弧焊管，且应用环境为酸性环境，不适用于恶劣的海洋环境，对于海底直缝埋弧焊管用钢，其合金设计和生产工艺均需重新设计。
管线钢，特别是海底管线钢是目前研究最为活跃的技术领域，其研究成果也进行了部分的报道，相关的文献有“海底管线用钢的开发应用”(焊管.2006，29(5)：36-39)，介绍了宝钢海底管线用X65级钢板的理化性能，但文献未对钢的化学成分及其生产方法进行充分公开。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种用于制作海底管线的钢板及其轧制方法，该钢板具备高洁净度、高强度(纵横向Rt0.5为450-570MPa)、高韧性(-15℃横向冲击Akv≥120J，-15℃横向DWTT-SA≥85％，-5℃横向CTOD≥0.25mm)、热连轧高强度(ReL≥450MPa)。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种用于制作海底管线的钢板，钢板的化学成分的重量百分比为：C：0.030～0.075、Si：0.10～0.30、Mn：1.40～1.60、P：≤0.015、S：≤0.003、Cu：≤0.20、Ni：0.10～0.25、Mo：0.07～0.20、Nb：0.03～0.05、V：≤0.060、Ti：0.001～0.02、Al：0.01～0.06、Cr：≤0.20、N：≤0.009、Ca：0.001～0.005、B：≤0.0005、Sn：≤0.010、As：≤0.030，余量为Fe及杂质。
上述方案中，CE≤0.39，Pcm≤0.20；
其中：CE＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15，
Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B。
轧制上述钢板的方法，它包括以下步骤：
(1)在热连轧机组上将板坯加热至1180～1250℃；
(2)粗轧，粗轧结束温度为1000～1060℃；
(3)精轧，终轧温度为780～840℃；
(4)卷取，卷取温度为530～590℃，制得热轧板卷；
(5)调整各矫直辊的矫直力，板卷开平横切成所需长度的钢板。
上述方案中，调整各矫直辊的矫直力时，平整量≤0.8％。
本发明钢板中各合金成份的作用机理如下：
碳(C)含量为0.030～0.075，低的碳含量，以保证钢具有高韧性、优良的焊接性能和抗HIC能力，同时碳也作为钢中不可缺少的提高钢材强度的元素之一，以保证钢具有足够的强度。
锰(Mn)含量为1.40～1.60％，锰是钢中固溶强化和提高抗张强度最重要元素，另高Mn促进针状铁素体形核，高的Mn/C比可提高屈服强度和冲击韧性，降低析出碳化物的尺寸，促进沉淀强化效应。
磷(P)含量≤0.015％、硫(S)含量≤0.003％。为了保证钢板的韧性，需要钢种具有较高的纯净度和均质度。而P、S均是影响性能的有害元素，P高易导致偏析，从而影响钢板组织均匀性；S常以锰的硫化物形态存在，这种硫化物夹杂对钢的冲击韧性，特别是横向韧性是十分不利的，并造成性能的各向异性和增大氢诱导裂纹敏感性。
硅(Si)含量为0.10～0.30％，起固溶强化和提高钢抗张强度的作用。
钛(Ti)含量为0.001～0.020％。加入一定的Ti，可细化晶粒，提高钢的屈服强度和韧性，还可以在高温下与N结合，形成TiN质点，有利于焊接时热影响区的晶粒控制，改善焊接热影响区的韧性。
铌(Nb)含量为0.03～0.05％。加入Nb可以显著提高钢板再结晶温度，扩大非再结晶区范围，使得可以实施高温控轧，降低轧机负荷；同时Nb还可以与C、N作用形成Nb(C、N)析出，起到强化效果。
钼(Mo)含量为0.07～0.20％。钼降低γ→α转变温度，抑制多边形铁素体和珠光体形核，促进高密度位错亚结构的针状铁素体的形成；在轧后空冷过程中可避免形成马氏体，而形成微细结构的贝氏体和针状铁素体，从而导致良好的延性；抵消包辛格效应，提高管材屈服强度。
镍(Ni)含量为0.10～0.25％，以提高钢的韧性。
铝(Al)含量为0.01～0.06％，起到脱氧作用，减少钢中氧含量；形成AlN，细化晶粒。
氮(N)含量≤0.009％，属于转炉冶炼钢水中正常残余含量，能够与Nb、Al、Ti结合形成氮化物，起到强化作用。
钙(Ca)含量为0.001～0.005％，与硫结合形成球状的CaS，改变夹杂的形状，从而改善钢板卷各向异性，提高横向冲击韧性。
本发明的硼(B)≤0.0005％、锡(Sn)≤0.010％、砷(As)≤0.030％，属于转炉冶炼钢水中需控制的残余含量，以保证本发明钢的高洁净度、高韧性需求。
铜含量(Cu)≤0.20、钒(V)含量≤0.060、铬(Cr)含量≤0.20，为可选择性添加元素，不需额外加入，为钢水中正常残余含量，大大节约原料成本。
少量加入钼(Mo)可以在较低的冷却速度(≥5℃/s)获得针状铁素体组织，以弥补热连轧机层流冷却的不足。
碳当量CE≤0.39％、焊接冷裂纹敏感系数Pcm≤0.20％，以保证钢具有优良的焊接性能。
试验表明，本发明钢板具备高洁净度、高强度(纵横向Rt0.5为450-570MPa)、高韧性(-15℃横向冲击Akv≥120J，-15℃横向DWTT-SA≥85％，-5℃横向CTOD≥0.25mm)、热连轧高强度(ReL≥450MPa)。本发明钢板可用于制作海底管线直缝埋弧焊管。
本发明方法：先将板坯加热至1180～1250℃，以使钢中的微合金元素较充分地固溶，又不致于使原始奥氏体晶粒过于粗化。粗轧在1000℃以上高温奥氏体区进行多道次大变形量轧制，使奥氏体晶粒充分破碎，粗轧结束温度为1000～1060℃；粗轧后进行精轧，终轧温度为780～840℃；经层流冷却后进行卷取，卷取温度为530～590℃，制得板厚为6～14mm的热轧板卷；最后板卷开平横切成所需长度的钢板。
本发明方法在调整各矫直辊的矫直力时，平整量≤0.8％，既达到适当消除轧制应力，保证钢板板形良好，又达到使加工硬化控制在适当的水平，保证韧性下降幅度不至于过大。
具体实施方式
本发明钢板的化学成分的重量百分比为：C：0.030～0.075、Si：0.10～0.30、Mn：1.40～1.60、P：≤0.015、S：≤0.003、Cu：≤0.20、Ni：0.10～0.25、Mo：0.07～0.20、Nb：0.03～0.05、V：≤0.060、Ti：0.001～0.02、Al：0.01～0.06、Cr：≤0.20、N：≤0.009、Ca：0.001～0.005、B：≤0.0005、Sn：≤0.010、As：≤0.030，余量为Fe及杂质。
CE≤0.39，Pcm≤0.20；
其中：CE＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15，
Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B。
本发明钢板的轧制方法实施例，它包括以下步骤：
(1)在热连轧机组上将板坯加热至1180～1250℃；
(2)粗轧，粗轧结束温度为1000～1060℃；
(3)精轧，终轧温度为780～840℃；
(4)钢板轧后采用层流冷却后卷取，卷取温度为530～590℃，制得热轧板卷；
(5)调整各矫直辊的矫直力，板卷开平横切成所需长度的钢板。调整各矫直辊的矫直力时，平整量≤0.8％。
步骤(1)中板坯的制造方法为：采用铁水深脱硫技术，使铁水中的S≤0.005％，同时运用于冶炼本发明钢的铁水的砷[As]应≤0.015％，且锡[Sn]应≤0.010％。在转炉上进行顶底复合吹炼，出钢时按本发明钢板的化学成分要求进行微合金化。再将钢水在炉后进行真空处理、钢包炉(Si-Ca)处理，并按照本发明钢板的化学成分要求进行相关成分微调；然后，将钢水浇注成200～300mm×950～2150mm断面的板坯。
本发明方法实施例，采用控轧控冷处理的热连轧生产工艺时，为充分发挥微合金元素在钢中的作用和保证钢板的尺寸规格、表面质量，最好利用大功率轧机的设备能力，减少轧制道次，提高道次压下率。
生产的本发明钢板实施例1、2、3、4的化学成分的重量百分比见表1
表1：本发明钢板实施例1、2的化学成分，wt％
| 成份 | C | Si | Mn | P | S | Cu | Alt | As | Ni | Cr | |
| 实施例1 | 0.035 | 0.150 | 1.45 | 0.008 | 0.0010 | 0.045 | 0.020 | 0.005 | 0.120 | 0.030 | |
| 实施例2 | 0.062 | 0.198 | 1.60 | 0.015 | 0.0018 | 0.053 | 0.028 | 0.006 | 0.171 | 0.022 | |
| 实施例3 | 0.064 | 0.187 | 1.58 | 0.012 | 0.0017 | 0.035 | 0.029 | 0.008 | 0.197 | 0.023 | |
| 实施例4 | 0.074 | 0.290 | 1.50 | 0.008 | 0.0012 | 0.040 | 0.050 | 0.008 | 0.240 | 0.040 | |
| 成份 | Ti | Mo | V | Nb | N | Ca | B | Pcm | CE(IIW) | Sn | |
| 实施例1 | 0.010 | 0.090 | 0.004 | 0.035 | 0.0045 | 0.0020 | 0.0001 | 0.120 | 0.312 | 0.006 | |
| 实施例2 | 0.004 | 0.136 | 0.006 | 0.044 | 0.0053 | 0.0016 | 0.0001 | 0.167 | 0.381 | 0.009 | |
| 实施例3 | 0.004 | 0.133 | 0.004 | 0.042 | 0.0052 | 0.0032 | 0.0001 | 0.165 | 0.375 | 0.007 | |
| 实施例4 | 0.020 | 0.200 | 0.006 | 0.050 | 0.0070 | 0.0038 | 0.0001 | 0.178 | 0.390 | 0.010 | |
本发明钢板实施例1、2、3、4的试验结果见表2、3、4、5。
表2：本发明钢板实施例1、2、3、4的拉伸性能试验结果
| 试样方向 | 实施例 | Rt0.5/MPa | Rm/MPa | Rt0.5/Rm | A50/％ |
| 横向 | 1 | 480 | 550 | 0.87 | 43 |
| 2 | 550 | 640 | 0.86 | 38 | |
| 3 | 545 | 635 | 0.85 | 40 | |
| 4 | 570 | 650 | 0.88 | 34 | |
| 纵向 | 1 | 465 | 540 | 0.86 | 44 |
| 2 | 505 | 620 | 0.81 | 38 | |
| 3 | 510 | 610 | 0.83 | 41 | |
| 4 | 550 | 640 | 0.86 | 36 |
表3：本发明钢板实施例1、2的冷弯、硬度试验结果
| 实施例 | 180°冷弯(试样方向：横向) | 硬度(HV10) | |||
| D＝2a | 单值 | 均值 | |||
| 1 | 完好 | 187 | 195 | 180 | 187 |
| 2 | 完好 | 208 | 210 | 212 | 210 |
| 3 | 完好 | 200 | 201 | 201 | 201 |
| 4 | 完好 | 212 | 211 | 209 | 210 |
表4：本发明钢板实施例1、2、3、4的断裂韧性试验结果
| 实施例 | -15℃横向夏比冲击剪切面积SA/％ | -15℃横向夏比冲击功Akv/J | -15℃横向DWTT-SA/％ | -5℃横向CTOD | ||||||||
| 单值 | 均值 | 单值 | 均值 | 单值 | 均值 | |||||||
| 1 | 100 | 100 | 100 | 100 | 340 | 360 | 310 | 336 | 100 | 100 | 100 | ≥0.25 |
| 2 | 100 | 100 | 100 | 100 | 288 | 270 | 278 | 279 | 96 | 98 | 97 | ≥0.25 |
| 3 | 100 | 100 | 100 | 100 | 276 | 256 | 226 | 253 | 91 | 94 | 93 | ≥0.25 |
| 4 | 100 | 100 | 100 | 100 | 172 | 172 | 160 | 168 | 86 | 90 | 88 | ≥0.25 |
表5：本发明钢板实施例1、2、3、4的时效冲击试验结果
| 实施例 | 预拉伸量/％ | 时效温度时间 | -15℃横向夏比冲击功Akv/J | |||
| 单值 | 均值 | |||||
| 1 | 5 | 250℃下时效1小时 | 335 | 340 | 320 | 331 |
| 10 | 320 | 330 | 300 | 316 | ||
| 2 | 5 | 250℃下时效1小时 | 204 | 234 | 236 | 225 |
| 10 | 180 | 204 | 230 | 205 | ||
| 3 | 5 | 250℃下时效1小时 | 234 | 230 | 274 | 246 |
| 10 | 128 | 204 | 214 | 182 | ||
| 4 | 5 | 250℃下时效1小时 | 170 | 168 | 168 | 169 |
| 10 | 150 | 162 | 162 | 158 | ||
从表2、3、4、5反映出的性能来看，本发明钢板实施例均能满足：纵向屈服强度Rt0.5为450-570MPa，横向屈服强度Rt0.5为460-570MPa，纵、横向抗拉强度Rm为535-655MPa，纵、横向延伸率A50≥23％，硬度HV10≤235，-15℃横向夏比冲击剪切面积SA≥90％，-15℃横向夏比冲击功Akv≥120J，预拉伸5％和10％、250℃时效1小时、-15℃横向夏比冲击功Akv≥120J，-15℃横向DWTT-SA≥85％，-5℃横向CTOD≥0.25mm。
Claims (4)
1、一种用于制作海底管线的钢板，其特征在于：钢板的化学成分的重量百分比为：C：0.030～0.075、Si：0.10～0.30、Mn：1.40～1.60、P：≤0.015、S：≤0.003、Cu：≤0.20、Ni：0.10～0.25、Mo：0.07～0.20、Nb：0.03～0.05、V：≤0.060、Ti：0.001～0.02、Al：0.01～0.06、Cr：≤0.20、N：≤0.009、Ca：0.001～0.005、B：≤0.0005、Sn：≤0.010、As：≤0.030，余量为Fe及杂质。
2、如权利要求1所述钢板，其特征在于：
CE≤0.39，Pcm≤0.20；
其中：CE＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15，
Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B。
3、轧制如权利要求1所述钢板的方法，其特征在于：它包括以下步骤：
(1)在热连轧机组上将板坯加热至1180～1250℃；
(2)粗轧，粗轧结束温度为1000～1060℃；
(3)精轧，终轧温度为780～840℃；
(4)卷取，卷取温度为530～590℃，制得热轧板卷；
(5)调整各矫直辊的矫直力，板卷开平横切成所需长度的钢板。
4、如权利要求3所述的方法，其特征在于：调整各矫直辊的矫直力时，平整量≤0.8％。
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