CN101235467A - 一种800MPa级压力钢管用钢 - Google Patents

Abstract

一种800MPa级压力钢管用钢，由下述重量百分比的成分组成：C：0.06－0.16％，Si：0.15－0.80％，Mn：1.20－1.80％，P≤0.02％，S≤0.010％，Cr≤1.0％，Cu≤0.4％，Ti：0.005－0.03％，Nb：0.051－0.10％，V：0.02－0.07％，B：0.0003－0.002％，N：0.0003－0.005％，O：0.0002－0.003％，余量为Fe及不可避免的杂质，且化学成分满足以下关系式：(1)3C≤Cr+2Cu≤2.5％，(2)N+3O≤2Ti+Nb，(3)C+(Mn+Cr)/20+Si/30+5B≤0.28％。本发明钢抗拉强度为790－950MPa、屈服强度≥690MPa，具有极好的焊接性能，生产过程容易控制，操作简单，生产成本较低，适合规模生产。

Description

一种800MPa级压力钢管用钢

技术领域

本发明涉及一种抗拉强度为800MPa级压力钢管用钢，属于低碳低合金高强钢制造领域。

背景技术

水力发电因属清洁能源、可持续发展而受到广泛重视和推广，在水电站建设进程中，输水压力钢管、岔管及蜗壳等关键钢结构逐步向大型化，生产施工向自动化方向发展，且这些钢结构处于潮湿弱酸性环境中，易受环境中氧、水和酸性物质的化学及电化学作用而引起腐蚀。针对水电站压力钢管工程建设工况及发展趋势，采用抗拉强度为800MPa级高强度钢可降低钢结构重量及施工难度，并可提高工程质量，延长使用寿命。目前我国水电站建设中压力钢管、岔管及蜗壳等钢结构多用抗拉强度相对较低的500MPa和600MPa级钢建造，800MPa级高强钢应用较少且依赖进口。另外，压力钢管建设中，需要大量的焊接工作，为提高焊接效率和改善现场焊接作业环境，广泛采用一些自动化程度较高的先进焊接技术，为此，要求压力钢管用钢能够适应不同的焊接规范，具有良好的焊接性能。因此研制生产高强度(抗拉强度：800MPa级，屈服强度≥690MPa)、具有良好焊接性能经济型水电站压力钢管用钢不仅填补国内空白，替代进口产品，而且为我国水电站建设推向新台阶做出贡献。

在本申请以前，日本等国生产的WEL-TEN80等系列800MPa级水电用钢经冶炼、轧制及调质热处理而成，其化学成分按重量百分比为：C≤0.14，Si≤0.35，Mn：0.60～1.50，P≤0.015，S≤0.010，Cu≤0.10～0.30，Ni：0.30～0.70，Cr：0.30～0.80，Mo：0.15～0.60，V≤0.10，B≤0.005，余量为Fe及不可避免的杂质。

美国专利，申请号为US718567介绍了“High strength line pipe steelhaving low yield ratio and excellent in low temperature toughness”，通过冶炼、锻造、热轧、冷却后卷取等工艺过程生产，以Mn-Ni-Mo-Nb-Ti为主要合金元素，其化学成分按重量百分比为：C：0.05-0.10，Mn：1.70-2.50，Si≤060，P≤0.015，S≤0.003，Cr≤0.80，Cu≤1.20，Ni：0.10-1.00，Mo：0.15-0.60，Nb：0.01-0.10，N：0.0010-0.0060，Ti：0.005-0.03，Al≤0.06，V≤0.10，B≤0.0020，余量为Fe及不可避免的杂质，卷取温度为540±20℃。利用固溶氮及氮化物的析出获得一定的强度。抗拉强度大于950MPa.

另一项美国专利，申请号为US028574公开了“High-toughness，high-tensile-strength steel and method of manufacturing the same”。其化学成分按重量百分比为：C：0.02～0.1％；Si：≤0.6％；Mn：0.2～2.5％；Ni：1.2～2.5％；Nb：0.01％～0.1％；Ti：0.005～0.03％；N：0.001～0.006％；Al：≤0.1％，余量为Fe及不可避免的杂质。采用普通轧制或控制轧制方法制造，抗拉强度大于900MPa。

中国专利，申请号为98802878.6公开了“高抗拉强度钢及其生产方法”，抗拉强度高于900MPa，其化学成分按重量百分比为：C：0.02-0.1％，Si≤0.6％，Mn：0.2-2.5％，Ni：0.2-1.2％，Nb：0.01-0.1％，Ti：0.005-0.03％，Al≤0.1％，N：0.001-0.006％，Cu：0-0.6％，Cr：0-0.8％，Mo：0-0.6％，V：0-0.1％，B：0-0.0025％，Ca：0-0.006％，P≤0.015％，S≤0.003％，余量为Fe及不可避免的杂质。

以上高强度钢不足之处在于，其不足在于：其一，钢的化学成分复杂，生产过程难于控制，使得产品合格率降低，增加了成本；其二，含有昂贵的合金元素Mo、Ni等，不是一种经济型钢；其三，因含有合金元素Al、REM等强氧化性合金元素，浇铸过程形成的氧化物容易堵浇铸水口，生产不安全。要求钢的S含量不高于0.003％，增加了生产难度，提高了生产成本。

中国专利，申请号为01115650.3公开了一种用于高强度低合金钢生产的弛豫—析出—控制相变的工艺技术和相应的合金设计，通过控制终轧后到开始加速冷却前的组织及变形晶体内的缺陷弛豫状态、控制微合金元素的析出行为等物理冶金过程、实现控制钢的相变，最终获得超细复合组织，屈服强度可达800MPa以上。

另一项中国专利，申请号为200510047632.4公开了一种低碳700MPa级复合强化超细晶粒带钢的制造方法，要点是选配高强度钢的化学组成成分，重量百分比为：C：0.06～0.10％，Si≤0.1％，Mn：1.60-2.20％，Nb：0.05～0.07％，V：0.05～0.07％，Ti：0.05～0.07％，P＜0.01％，S＜0.01％，余量为Fe及不可避免的杂质，执行如下控轧控冷工艺制度：连铸钢坯加热，加热温度1200℃，粗轧开轧1150℃，粗轧终轧1050℃，粗轧1～3道次；精轧开轧1000-950℃，精轧终轧790-850℃，精轧5～7道次，平均每道次的压下量控制在20～30％，精轧机架间采用水冷；轧后冷却速度30-60℃/s，卷取温度450-600℃。

上述2项专利申请不足之处在于，其一，采用复杂的热机械控制工艺(TMCP或RCP)生产高强度钢，工艺过程复杂，难以控制，且TMCP工艺易导致钢板不平整，成品率降低，成本提高；其二，对于宽厚钢板，采用TMCP或RCP工艺过程制造800MPa级高强度钢，生产过程中易造成钢板性能不均匀，用于水电站压力钢管建设中易埋下安全隐患，造成不可挽回的经济损失。

发明内容

本发明针对现有压力钢管用钢，机械性能差、生产成本高的问题，提供了一种800Mpa级压力钢管用钢，本发明抗拉强度、屈服强度高，具有极好的焊接性能，生产过程容易控制，操作简单，生产成本较低，适合规模生产。

一种800Mpa级压力钢管用钢，钢的化学成分按重量百分比为：C：0.06-0.16％，Si：0.15-0.80％，Mn：1.20-1.80％，P≤0.02％，S≤0.010％，Cr≤1.0％，Cu≤0.4％，Ti：0.005-0.03％，Nb：0.051-0.10％，V：0.02-0.07％，B：0.0003-0.002％，N：0.0003-0.005％，O：0.0002-0.003％，余量为Fe及不可避免的杂质，且化学成分满足以下关系式：

(1)3C≤Cr+2Cu≤2.5％

(2)N+3O≤2Ti+Nb

(3)C+(Mn+Cr)/20+Si/30+5B≤0.28％。

本发明主要合金元素含量的设定，依据以下原理：

加入适量的Cr及Cu等合金元素，一方面可提高钢的淬透性，使得钢的抗拉强度达到800MPa级别，另一方面，与环境中氧的作用，钢表面可形成一层致密的复合钝化薄膜，能有效阻碍内部金属受到腐蚀。3C≤Cr+2Cu，保证形成致密钝化薄膜且避免生产过程中形成珠光体的最小Cr及Cu含量；Cr+2Cu≤2.5％，在保证钢具有优异耐腐蚀性能的前提下，尽可能减少Cr及Cu的含量，其一可以降低钢的生产成本，其二可降低钢的碳当量，使钢具有优异的焊接性能。

钢的化学成分须满足关系式：N+3O≤2Ti+Nb，目的在于通过化学成分设计拓宽钢的焊接范围，不仅可以采用普通焊接工艺如手弧焊等，还可以采用先进的大线能量输入焊接技术如气电立焊等。

本发明钢的化学成分须满足关系式：C+(Mn+Cr)/20+Si/30+5B≤0.28％，目的在于通过化学成分设计在保证钢具有高强度(抗拉强度达到800MPa级)及良好的耐腐蚀性能的前提下，使钢具有尽可能低的碳当量和优异的焊接性能，在各种不同的焊接工艺技术及不同输入线能量的条件下焊接本发明钢，均不会产生焊接裂纹，可很好地保障工程质量。

发明钢中选定各合金元素及成分范围，依据以下原理：

C是钢中最有效、最经济的间隙强化元素之一，为了提高钢的强度，似乎只要增加钢中的碳含量即可，但是过量的C含量会使钢的焊接性能及断裂韧性显著降低，相反，如果C含量过低，则难于保障钢的强度，综合平衡钢的强度、焊接性能及断裂韧性，将C含量的取值范围确定为：0.06-0.16％。

Si是一种经济的置换固溶强化元素，我国资源很丰富，加入钢中可显著提高钢的强度，且对钢的焊接性能没有明显的负面影响，但如果过多地加入Si，如含量超过0.80％，会使钢的韧性，尤其使低温韧性明显降低，综合钢的强度及韧性两方面的考虑，将Si的成分范围确定为：0.15-0.80％。

Mn不仅可以增加钢的强度，还可以降低钢的相变温度，通过控制轧制过程，细化晶粒，在提高钢的强度同时提高其断裂韧性，但当Mn含量超过1.80％，会增加钢的淬硬性，在钢的组织中形成较多的马氏体组织，降低韧性及焊接性能，故将Mn含量的范围设定为：1.20-1.80％。

Cu、Cr可提高钢的淬透性及抗腐蚀性能，Cr虽可提高钢的耐腐蚀性能，但过多的Cr含量对钢的焊接性能不利，过多的Cu含量易使钢产生热裂纹，降低钢的韧性，综合权衡各合金元素的利弊，将Cu及Cr含量范围分别设定为≤0.4％和≤1.0％。

钢中加入微量的Nb，主要目的在于提高钢的再结晶温度，使轧制可在较高温度完成，减小轧制机械设备的轧制抗力，延长使用寿命，微量的Nb还具有细化晶粒提高强度和韧性的作用，但过量的Nb含量不利于钢的焊接性能，因此将Nb含量确定为0.051-0.10％。

Ti，与N结合形成高温稳定的TiN相，可有效细化焊接接头的晶粒，提高焊接接头的机械性能，因此微量的Ti及N含量可提高钢的焊接性能，过量的Ti、N含量强烈地降低钢的韧性，因此将钢中Ti、N含量分别限定在0.005-0.03％及0.0003-0.005％范围。

钢中控制一定数量的O含量，目的在于在冶炼过程中，形成一定数量且弥散分布的氧化物Ti2O3析出相，这些细小析出相颗粒有助于提高焊接接头的力学性能，提高钢的焊接性能。钢中O的含量主要在转炉冶炼后精练过程中控制，O的含量不能过高，否则会损害钢的冲击韧性，以此将其控制在0.0002～0.003％水平范围。

B是提高钢的淬透性最强烈的元素，加入微量的B，通过采用本发明所述生产方法，可以获得所需要的组织，即按体积百分比为约15～70％无碳化物贝氏体+20～70％针状铁素体+≤10％多边形铁素体，使钢的屈服强度高于500MPa，过高的B含量易导致硼脆，降低钢的韧性，故将钢的B含量限定在0.0003-0.002％。

P、S是钢中有害的杂质元素，降低钢的韧性及焊接性能，含量越低越好，但若将其含量限定得过低，会增加生产难度，提高生产成本，因此在不影响韧性及焊接性能的前提下，将钢得P、S含量分别限定在≤0.02％及≤0.010％常规范围。

本发明钢具有以下优点：

1.本发明不仅具有高强度(屈服强度大于690MPa，抗拉强度800MPa级)，而且具有良好的焊接性能，采用各种不同的焊接工艺技术焊接本发明钢，均不会产生焊接裂纹，显著提高工程质量。

2.本发明化学成分相对简单，不含有昂贵的合金元素Ni、Mo等，Cu含量控制在较低水平，且生产工艺过程容易操作，生产成本较低，效率高，适宜规模生产。

具体实施方式

本发明是一种800Mpa级压力钢管用钢，采用常规生产工艺流程制造本发明钢：

首先对连铸钢坯进行加热，加热温度≤1300℃。

接着进行开扎粗轧，开扎温度≥1100℃，优选地为1150℃-1180℃，粗轧终轧温度为1050℃，粗轧过程为再结晶轧制，其中粗轧压下率要求≥45％，粗轧1～3道次；粗轧后进行精轧，其中精轧压下率要求≥65％，精轧开轧温度为1000-950℃，精轧终轧温度为790-850℃，精轧5～7道次，平均每道次的压下量控制在20～30％。

精扎结束后进行水冷，水冷至400-700℃，水冷结束后空冷，空冷至室温。

最后在550～700℃进行回火，回火时间为2小时。

本钢的生产工艺所依据的原理为：

将开轧温度设定为高于1100℃，优选在1150-1180℃开始粗轧，因为将设定过低，会有一些第二相沉淀析出，在轧制过程中产生裂纹，造成废品。另一方面，若开轧温度过低必将导致精轧温度降低，过低的终轧温度易形成部分特别粗大的晶粒，使得钢的机械性能降低。实际生产中，为节约能源及设备加热能力所限，一般不会将铸坯温度加热到高于1300℃，因此只要设定开轧温度下限即可。

由于添加了适量的合金元素Nb，将钢的非再结晶温度提高到950℃，950℃以上的轧制为粗轧，950℃以下的轧制为精轧，粗轧过程为再结晶轧制，压下率要求高于45％目的在于破碎粗大的晶粒，消除铸态组织，使晶粒均匀，为精轧作准备。精轧压下率要求高于65％，目的在于通过大压下量，尽可能细化晶粒，并得到无碳化物贝氏体及针状铁素体组织。精轧后水冷至400～700℃，可保持终轧时的细小晶粒，抑制晶粒长大，获得优良的综合机械性能、焊接性能及耐腐蚀性能。最后在550～700℃回火2小时，目的在于在该温度范围回火，形成弥散强化效应，回火过程中，形成细小弥散分布的TiN、Nb(CN)及Ti(CN)等析出相，显著提高钢的强度，使得抗抗拉强度达到800MPa级(屈服强度≥690MPa)水平。

实施例1

根据上述生产工艺，生产出钢1，其中钢1的化学成分见表1中的1，钢1的主要生产工艺条件见表2中的1，钢1的机械性能见表3中的1，钢1的大线能量焊接后热影响区机械性能及焊接接头状况见表4中的1。

实施例2

根据上述生产工艺，生产出钢2，其中钢2的化学成分见表1中的2，钢2的主要生产工艺条件见表2中的2，钢2的机械性能见表3中的2，钢2的大线能量焊接后热影响区机械性能及焊接接头状况见表4中的2。

实施例3

根据上述生产工艺，生产出钢3，其中钢3的化学成分见表1中的3，钢3的主要生产工艺条件见表2中的1，钢3的机械性能见表3中的3，钢3的大线能量焊接后热影响区机械性能及焊接接头状况见表4中的3。

实施例4

根据上述生产工艺，生产出钢4，其中钢4的化学成分见表1中的4，钢4的主要生产工艺条件见表2中的4，钢4的机械性能见表3中的4，钢4的大线能量焊接后热影响区机械性能及焊接接头状况见表4中的4。

实施例5

根据上述生产工艺，生产出钢5，其中钢5的化学成分见表1中的5，钢5的主要生产工艺条件见表2中的5，钢5的机械性能见表3中的5，钢5的大线能量焊接后热影响区机械性能及焊接接头状况见表4中的5。

实施例6

根据上述生产工艺，生产出钢6，其中钢6的化学成分见表1中的6，钢6的主要生产工艺条件见表2中的6，钢6的机械性能见表3中的6，钢6的大线能量焊接后热影响区机械性能及焊接接头状况见表4中的6。

为了能更好的反映出本发明钢的优点，本实施方式中提供了4组比较钢，分别为钢11、钢12、钢13和钢14，其中4组比较钢的化学成分见表1中的11-14，4组比较钢的主要生产工艺条件见表2中的11-14，4组比较钢的机械性能见表3中的11-14，钢5的大线能量焊接后热影响区机械性能。及焊接接头状况见表4中的5。

表1本发明实施例钢与比较钢的化学成分(wt.％)

Nb	0.055	0.058	0.052	0.066	0.071	0.099	0.03	0.035	0.025	0.047
											Cu	0.25	0.34	0.17	0.37	0.40	0.016	0.20	0.24	0.34	0.18
Mo	-	-	-	-	-	-	0.18	0.20	0.23	0.15
											Ca	-	-	-	-	-	-	0.003	0.004	0.006	0.0038

表2本发明实施例钢与比较钢的主要工艺条件

钢编号		开轧温度/℃	950℃以上轧制总压下率/％	950℃以下轧制总压下率/％	终轧水冷后温度/℃	回火温度/℃
							实施例钢	1	1170	48	77	460	560
2	1190	51	82	420	600
						3		1185	66	70	540	580
4	1150	61	75	600	620
						5		1160	51	90	640	630
6	1165	56	86	680	680
						比较钢		11	1180	67	71	550	570
12	1145	63	74	610	600
							13	1175	58	62	620	630
14	1155	64	68	490	690

表3本发明实施例钢与比较钢的机械性能结果

钢编号		抗拉强度σb/MPa	屈服强度σs/MPa	延伸率δ/％	-20℃夏比冲击吸收功/J
						实	1	895	715	21	207
2	820	695	20	219

施例钢	3	805	725	19	220
						4	940	745	18	216
	5	915	730	17	227
						6	870	705	19	213
	比较钢	11	690	570	24						227
12						700	585	25	217
		13	720	595	23					226
14						710	590	22	215

表4为本发明实施例钢大线能量焊接后热影响区机械性能及焊接接头情况

钢编号	抗拉强度σb/MPa	-20℃夏比冲击吸收功/J	断裂地方
				1	915	115	焊缝以外16毫米处断裂
2	830	139	焊缝以外25毫米处断裂
				3	845	128	焊缝以外14毫米处断裂
4	925	86	焊缝以外15毫米处断裂
				5	910	127	焊缝以外17毫米处断裂
6	920	146	焊缝以外6毫米处断裂

表1为本发明实施例钢与比较钢的化学成分，表2为本发明实施例钢与比较钢的主要工艺条件，采用表2工艺过程生产出的实施例钢及比较钢的机械性能结果见表3，进行焊接试验时，焊前未预热，焊接环境温度为26℃，相对湿度为95％，焊后未热处理。由表3可见，本发明钢不仅达到强度要求，而且具有优良的低温冲击韧性，且焊接接头均未发现裂纹，表明本发明钢具有良好的焊接性能。表4为本发明钢经埋弧自动焊焊接接头拉伸及-20℃夏比冲击试验结果，拉伸断裂部位均位于焊接接头以外，且强度均超过800MPa，-20℃夏比冲击试验结果显示，焊接热影响区的冲击吸收功均高于100J，表明本发明钢具有良好的焊接性能。比较钢抗拉强度均未达到800MPa水平。

上述是对于本发明最佳实施例工艺步骤的详细描述，本发明技术领域的研究人员可以根据上述的步骤作形式和内容方面非实质性的改变而不偏离本发明所实质保护的范围，因此，本发明不局限于上述具体的实施实例。

Claims (3)

1.一种800Mpa级压力钢管用钢，其特征在于由下述重量百分比的成分组成：C：0.06-0.16％，Si：0.15-0.80％，Mn：1.20-1.80％，P≤0.02％，S≤0.010％，Cr≤1.0％，Cu≤0.4％，Ti：0.005-0.03％，Nb：0.051-0.10％，V：0.02-0.07％，B：0.0003-0.002％，N：0.0003-0.005％，O：0.0002-0.003％，余量为Fe及不可避免的杂质，且化学成分满足以下关系式：

(1)3C≤Cr+2Cu≤2.5％

(2)N+3O≤2Ti+Nb

(3)C+(Mn+Cr)/20+Si/30+5B≤0.28％。

2.根据权利要求1所述的一种800Mpa级压力钢管用钢，其特征在于一种或多种成分按下述重量百分比组成：C：0.07-0.12％，Si：0.25-0.40％，Mn：1.30-1.60％，P≤0.02％，S≤0.010％，Cr：0.30-0.80％，Cu：0.15-0.30％，Ti：0.015-0.025％，Nb：0.055-0.075％，V：0.025-0.045％，B：0.0005-0.002％，N：0.0008-0.0047％，O：0.0005-0.0029％，余量为Fe及不可避免的杂质。

3.根据权利要求1所述的一种800Mpa级压力钢管用钢，其特征在于一种或多种成分按下述重量百分比组成：C：0.08-0.15％，Si：0.44-0.78％，Mn：1.47-1.75％，P≤0.02％，S≤0.010％，Cr：0.35-0.55％，Cu：0.25-0.40％，Ti：0.018-0.030％，Nb：0.058-0.099％，V：0.03-0.069％，B：0.0007-0.0018％，N：0.0009-0.004％，O：0.0007-0.0021％，余量为Fe及不可避免的杂质。