CN101348881B

CN101348881B - 一种低成本高性能x70管线钢的生产方法

Info

Publication number: CN101348881B
Application number: CN2008100793258A
Authority: CN
Inventors: 冯运莉; 石焱; 李�杰; 杨琨; 杨晓彩
Original assignee: Hebei University of Science and Technology
Current assignee: Hebei University of Science and Technology; Hebei Polytechnic University
Priority date: 2008-09-04
Filing date: 2008-09-04
Publication date: 2010-09-22
Anticipated expiration: 2028-09-04
Also published as: CN101348881A

Abstract

一种低成本高性能X70管线钢的生产方法，属钢铁材料技术领域。用于解决管线钢生产耗费钼、镍等贵重金属的问题。主要化学成分配比如下：C：0.02～0.06％、Si：0.10～0.30％，Mn：1.40～1.9％、V：0.04～0.07％、Nb：0.040～0.070％、Als：0.020～0.040％、P：≤0.012％，S：≤0.006％，余量Fe，连铸工序采用薄板坯连铸，轧制工序中铸坯加热温度为1160～1230℃，粗轧终止温度控制在1050～1100℃，精轧入口温度控制在850～900℃，精轧终止温度控制在760～820℃，精轧最后一道次压下量控制在20％～35％，卷取温度控制在430～520℃。按照本发明方法生产的X70管线钢具有较高的强度和冲击韧性，晶粒尺寸平均3.5μm，生产成本明显降低。

Description

一种低成本高性能X70管线钢的生产方法

技术领域

本发明型涉及一种结构钢的生产方法，特别是高强度高韧性超细晶X70管线钢的生产方法，属钢铁材料技术领域。

背景技术

管线运输是长距离输送石油、天然气最经济、最方便、最主要的运输方式。为了降低长距离输送石油和天然气管线的建设投资和运营成本，提高输送效率，长距离油气输送管道向大管径、高压力方向发展；另外石油、天然气输送管道通常位于环境比较恶劣的地区，介质复杂，这就要求管线钢具有高强度、高韧性、耐腐蚀等一系列优良的综合性能。管线钢这些性能的提高主要取决于钢中碳、磷、硫等杂质的含量、钢中合金元素的含量以及冶炼、轧制等生产过程工艺参数的控制。目前，国内外生产X70管线钢的成熟技术是采用厚板坯流程，主要应用250mm厚连铸坯；X70管线钢典型化学成分通常采用C-Mn-Mo-Nb系列，如中国专利CN1746326号授权公告的名称为“具有高止裂韧性的针状铁素体型X70管线钢及其制造方法”所公开的技术中，给出了该管线钢的配方中添加Nb：0.050～0.080％、Ti：0.005～0.025％、V：0.010～0.060％、Mo：0.10～0.30％、Cu≤0.30％、Ni≤0.30％等合金元素，其中含量达0.10～0.30％Mo的主要作用是扩大γ相区，推迟γ→α的转变温度，促进针状铁素体的形成。但钼、镍属于贵重金属，其价格昂贵，所以采用该种合金化法生产的管线钢成本高，耗费大量的贵重金属资源。

发明内容

本发明用于克服已有技术的缺陷而提供一种具有高强度、高韧性、超细晶的低成本高性能X70管线钢及生产方法。

本发明所称问题是以下技术方案解决的：

一种低成本高性能X70管线钢的生产方法，它包括转炉冶炼、炉外精炼、连铸、轧制等工序，其特征在于，化学成分按照重量百分比配比如下：C：0.02～0.06％、Si：0.10～0.30％，Mn：1.40～1.9％、V：0.04～0.07％、Nb：0.040～0.070％、Als：0.020～0.040％、B：0.0005～0.0035％、Ca/Als≥0.10、N≤0.0060％、T.0≤0.0030％，P：≤0.012％，S：≤0.006％，余量Fe，其晶粒尺寸平均为3.5μm；所述连铸工序采用薄板坯连铸，所述轧制工序中铸坯加热温度为1160～1230℃，粗轧终止温度控制在1050～1100℃，精轧入口温度控制在850～900℃，精轧终止温度控制在760～820℃，精轧最后一道次压下量控制在20％～35％，卷取温度控制在430～520℃。

上述低成本高性能X70管线钢的生产方法，所述薄板坯连铸工序中中间包钢水温度为：1545～1560℃，铸坯的拉速为3.0～4.5m/min，出结晶器铸坯厚度为70～90mm。

上述低成本高性能X70管线钢的生产方法，所述化学成分配比优选如下：C：0.03～0.05％，Si：0.15～0.25％，Mn：1.45～1.7％，V：0.05～0.06％，Nb：0.050～0.060％，Als：0.025～0.035％，B：0.0010～0.0025％，Ca/Als≥0.10，N≤0.0060％，T.O≤0.0030％，P：≤0.012％，S：≤0.006％，余量Fe。

本发明针对目前管线钢生产耗费钼、镍等贵重金属导致生产成本据高不下的问题进行了改进，它采用薄板坯连铸连轧生产流程，根据薄板坯连铸连轧的物理冶金特点，提供了优化的X70管线钢化学成分配方，该配方中未添加钼、镍等合金元素，通过控制连铸、轧制等工序的工艺参数细化晶粒，从而达到提高管线钢强度、韧性，降低生产成本的目的。按照本发明生产的X70管线钢具有较高的冲击韧性，晶粒尺寸平均为3.5μm，在满足API一5L规范对X70管线钢性能要求的基础上，生产成本较现有X70管线钢明显降低。

具体实施方式

本发明提供一种低成本高性能X70管线钢及基于转炉薄板坯连铸连轧流程生产该管线钢的方法。本发明的总体思路是：采用特定的合金配方及合理的加工工艺，应用70～90mm厚连铸薄板坯，通过细化晶粒提高管线钢的强度和韧性，从而减少钢中合金元素的种类和数量，降低生产成本。

采用薄板坯连铸连轧工艺流程生产超细晶X70管线钢，其原因如下：1)薄板坯连铸连轧铸坯厚度薄，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)薄板坯连铸连轧工艺因取消了γ→α和α→γ两个相变过程而直接轧制，一些合金元素能充分固溶，在随后的轧制过程中也有利于晶粒的细化；3)薄板坯轧制虽然板坯总压缩比小，但变形速率却大于传统工艺，单道次变形量更大，再结晶进行更快，晶粒尺寸更小；4)由于其特有的物理冶金过程亦会导致氧化物、硫化物等非金属夹杂物的尺寸显著减小，甚至可以达到纳米级，这些夹杂物对奥氏体再结晶晶粒长大有钉扎作用，导致晶粒细化，使钢材的强度和韧性提高。

本发明特点之一是根据薄板坯连铸连轧的物理冶金特点，提供了优化的X70管线钢的化学成分配方。该配方中未添加稀有元素Mo来降低钢的转变温度，而是采用较高的Mn、Nb含量和较低的碳含量降低钢的γ→α相变温度并避免了钢中出现异常组织，细化最终产品的晶粒尺寸。钢中也未添加Ti、Cu、Ni等微合金元素，而是采用V的沉淀强化提高强度，利用Al固定N元素，在薄板坯连铸时，Al与N可形成弥散细小的AlN粒子，细小的AlN粒子可阻碍高温奥氏体晶粒的长大，并且薄板坯的铸态组织要比厚板坯细小、均匀得多，这都为最终铁素体晶粒的细化奠定了基础。除此之外，由于薄板坯的凝固速度和冷却速度要比厚板坯快很多，导致薄板坯中氧化物、硫化物等非金属夹杂物的尺寸达到纳米级，这些纳米级析出物对奥氏体再结晶晶粒的长大有钉扎作用，导致晶粒细化，使钢材的强度和韧性提高。这也说明采用薄板坯连铸连轧新技术可以将通常认为是有害夹杂物的硫、氧化物纳米化，使其成为“有益”的析出相，这比单纯降低硫、氧等杂质元素总量来改善钢质量的方法在一定范围内更经济、更有效。配方中主要元素的作用分析如下：

碳：碳是钢中最经济、最有效的强化元素，然而碳对钢的韧性、塑性、焊接性等有不利的影响，降低碳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。按照API标准规定，管线钢中的碳含量通常为0.025％～0.12％，并趋向于向低碳方向或超低碳方向发展，尤其是高钢级管线钢。本发明选取0.02～0.08％C。

锰：主要起固溶强化的作用，通常采用降低C含量，增加Mn含量，以达到提高强度的目的。Mn还具有降低γ→α相变温度的作用，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，所以Mn是不可缺少的元素。但其含量过多时，会使相变温度下降过多，组织中将出现贝氏体，降低韧性。因此本发明选取1.40～1.9Mn％。

硅：在炼钢时一般作为脱氧剂，但也可作为合金元素。Si进入铁素体起固溶强化作用，可显著提高钢的抗拉强度和较小程度提高屈服强度，但同时在一定程度上降低钢的韧性、塑性，Si同时增加钢的实效敏感性，并能提高钢的抗腐蚀能力和抗高温氧化能力。本发明选取0.10～0.30％Si。

铌：是现代微合金化管线钢中最主要的元素之一，可以产生非常显著的晶粒细化及中等程度的沉淀强化作用。通过热轧过程中铌的碳、氮化物的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变形奥氏体组织在相变时转变为细小的铁素体，以提高钢的强度和韧性，并可改善低温韧性。本发明选取0.040～0.070％Nb。

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主要是通过铁素体中C、N化合物的析出起强化起作用。本发明选取0.040～0.070％V。

铝：利用Al固定N元素，铝与氮在薄板坯连铸时可形成弥散、细小的AlN粒子，这些弥散细小的粒子可阻碍奥氏体在加热和轧制变形过程中晶粒的长大，从而细化奥氏体晶粒。奥氏体晶粒越细小，最终产品的铁素体晶粒越细小。此外，Als大于0.015％还可保证钢中溶解氧小于4ppm，从而减少钢中夹杂物的含量，提高钢的纯净度。本发明选取0.020～0.040％Al。

本发明特点之二是针对连铸与轧制工艺。薄板坯连铸较厚板坯连铸不同，薄板坯连铸时有液芯压下，由离开结晶器时的90mm厚度经软压下达到坯厚80～85mm。这有利于消除中心疏松和中心偏析，提高管线钢抗H₂S腐蚀的能力。轧制工序通过2架粗轧机和5架精轧机的完全再结晶区和形变诱导铁素体轧制以及控制冷却技术，重点是保证粗轧过程中奥氏体发生两次完全动态再结晶，精轧最后一道采用低温大压下轧制技术，形变诱导超细铁素体。经过两道次大压下粗轧可以使奥氏体发生两次完全再结晶，将铸态奥氏体晶粒细化，为最终得到细小的铁素体晶粒做好组织准备。为保证粗轧过程中发生完全再结晶，粗轧终止温度应在1050℃以上，低于该温度将不能发生完全再结晶，使最终成品板产生混晶组织，造成钢的韧性降低。因此，粗轧终止温度为1050～1100℃。精轧采用低温轧制工艺，尤其是精轧最后一道采用低温大压下轧制技术，精轧终止温度760～820℃，单道次压下量20％～35％，即在临界奥氏体区(Ar₃附近)大形变量轧制，形变诱导出超细的铁素体晶粒。形变诱导铁素体相变(DIFT)是动态相变，是由形变产生储存能提高相变驱动力诱导的相变。相变主要发生在变形中，这与以往管线钢采用的TMCP相变不同，后者主要发生在轧后冷却中。本发明中形变诱导出的超细铁素体晶粒更细小、位错密度更高，这种组织结构可显著提高管线钢的强度和韧性。最后为确保部分未转变奥氏体转变成针状铁素体，本发明卷取温度控制在430～520℃，比现有X70管线钢低。

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：

拉伸性能：σ_0.5＝510～610MPa，σ_b≥590MPa，σ_0.5/σ_b≤0.90，δ₅₀≥23％

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≥260J。

DWTT性能：试验温度—15℃，剪切面积大于92％。

横向冷弯性能：d＝2a，180°，完好。

硬度试验：Hv10≤240。

金相组织：晶粒尺寸平均为3.5μm，组织为针状铁素体+少量的准多边形铁素体+极少量的M/A组元。

以下提供几个实施例：

实施1：产品规格为厚7.9mm，宽1550mm的管线钢热轧板卷。其化学成分按照重量百分比配比如下：C：0.02％、Si：0.2％，Mn：1.40％、V：0.05％、Nb：0.040％、Als：0.020％、B：0.0005％、Ca/Als≥0.10、N≤0.0060％、T.O???≤0.0030％，P：≤0.012％，S：≤0.006％，余量Fe。主要生产工序：铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼、薄板坯连铸、连铸坯加热、粗轧、精轧、卷取。其中，薄板坯连铸工序：钢水通过钢包底部的滑动水口注入中间包，中间包的钢水温度为：1545℃，中间包的钢水通过扁形的浸入式水口注入结晶器，结晶器为长漏斗形结晶器；铸坯的拉速为3.0m/min，出结晶器的铸坯厚度为70mm。轧制工艺控制：铸坯入炉温度为900℃，板坯加热温度为1160℃，粗轧终止温度控制在1050℃，精轧入口温度控制在850℃，精轧终止温度控制在760℃，精轧最后一道次压下量为35％。卷取温度控制在520℃。

实施2：产品规格为厚7.9mm，宽1550mm的管线钢热轧板卷。其化学成分按照重量百分比配比如下：C：0.03％、Si：0.15％，Mn：1.45％、V：0.05、Nb：0.050％、Als：0.025、B：0.001％、Ca/Als≥0.10、N≤0.0060％、T.0???≤0.0030％，P：≤0.012％，S：≤0.006％，余量Fe。主要生产工序：铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼、薄板坯连铸、连铸坯加热、粗轧、精轧、卷取。其中，薄板坯连铸工序：钢水通过钢包底部的滑动水口注入中间包，中间包的钢水温度为：1555℃，中间包的钢水通过扁形的浸入式水口注入结晶器，结晶器为长漏斗形结晶器；铸坯的拉速为3.5m/min，出结晶器的铸坯厚度为80mm。轧制工艺控制：铸坯入炉温度为1000℃，板坯加热温度为1230℃，粗轧终止温度控制在1100℃，精轧入口温度控制在900℃，精轧终止温度控制在820℃，精轧最后一道次压下量为25％。卷取温度控制在430℃。

实施3：产品规格为厚10.3mm，宽1550mm的管线钢热轧板卷。其化学成分按照重量百分比配比如下：C：0.05％、Si：0.25％，Mn：1.7％、V：0.06％、Nb：0.060％、Als：0.035％、B：0.0025％、Ca/Als≥0.10、N≤0.0060％、T.0≤0.0030％，P：≤0.012％，S：≤0.006％，余量Fe。主要生产工序：铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼、薄板坯连铸、连铸坯加热、粗轧、精轧、卷取。其中，薄板坯连铸工序：钢水通过钢包底部的滑动水口注入中间包，中间包的钢水温度为：1560℃，中间包的钢水通过扁形的浸入式水口注入结晶器，结晶器为长漏斗形结晶器；铸坯的拉速为4.0m/min，出结晶器的铸坯厚度为90mm。轧制工艺控制：铸坯入炉温度为950℃，板坯加热温度为1180℃，粗轧终止温度控制在1060℃，精轧入口温度控制在870℃，精轧终止温度控制在780℃，精轧最后一道次压下量为30％。卷取温度控制在500℃。

实施4：产品规格为厚10.3mm，宽1550mm的管线钢热轧板卷。其化学成分按照重量百分比配比如下：C：0.02％、Si：0.30％，Mn：1.4％、V：0.04％、Nb：0.070％、Als：0.040％、B：0.0035％、Ca/Als≥0.10、N≤0.0060％、T.0???≤0.0030％，P：≤0.012％，S：≤0.006％，余量Fe。主要生产工序：铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼、薄板坯连铸、连铸坯加热、粗轧、精轧、卷取。其中，薄板坯连铸工序：钢水通过钢包底部的滑动水口注入中间包，中间包的钢水温度为：1545℃，中间包的钢水通过扁形的浸入式水口注入结晶器，结晶器为长漏斗形结晶器；铸坯的拉速为4.5m/min，出结晶器的铸坯厚度为90mm。轧制工艺控制：铸坯入炉温度为960℃，板坯加热温度为1200℃，粗轧终止温度控制在1090℃，精轧入口温度控制在890℃，精轧终止温度控制在810℃，精轧最后一道次压下量为20％。卷取温度控制在480℃。

实施5：产品规格为厚厚12mm，宽1550mm的管线钢热轧板卷。其化学成分按照重量百分比配比如下：C：0.04％、Si：0.20％，Mn：1.5％、V：0.055％、Nb：0.055％、Als：0.030％、B：0.0015％、Ca/Als≥0.10、N≤0.0060％、T.0???≤0.0030％，P：≤0.012％，S：≤0.006％，余量Fe。主要生产工序：铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼、薄板坯连铸、连铸坯加热、粗轧、精轧、卷取。其中，薄板坯连铸工序：钢水通过钢包底部的滑动水口注入中间包，中间包的钢水温度为：1560℃，中间包的钢水通过扁形的浸入式水口注入结晶器，结晶器为长漏斗形结晶器；铸坯的拉速为3.0m/min，出结晶器的铸坯厚度为90mm。轧制工艺控制：铸坯入炉温度为920℃，板坯加热温度为1200℃，粗轧终止温度控制在1100℃，精轧入口温度控制在900℃，精轧终止温度控制在820℃，精轧最后一道次压下量为35％。卷取温度控制在460℃。

实施6：产品规格为厚厚12mm，宽1550mm管线钢热轧板卷。其化学成分按照重量百分比配比如下：C：0.06％、Si：0.10％，Mn：1.9％、V：0.07％、Nb：0.070％、Als：0.020％、B：0.0005％、Ca/Als≥0.10、N≤0.0060％、T.0???≤0.0030％，P：≤0.012％，S：≤0.006％，余量Fe。主要生产工序：铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼、薄板坯连铸、连铸坯加热、粗轧、精轧、卷取。其中，薄板坯连铸工序：钢水通过钢包底部的滑动水口注入中间包，中间包的钢水温度为：1555℃，中间包的钢水通过扁形的浸入式水口注入结晶器，结晶器为长漏斗形结晶器；铸坯的拉速为4.0m/min，出结晶器的铸坯厚度为90mm。轧制工艺控制：铸坯入炉温度为980℃，板坯加热温度为1180℃，粗轧终止温度控制在1050℃，精轧入口温度控制在850℃，精轧终止温度控制在760℃，精轧最后一道次压下量为20％。卷取温度控制在520℃。

Claims

1.一种低成本高性能X70管线钢的生产方法，它包括转炉冶炼、炉外精炼、连铸、轧制等工序，其特征在于，化学成分按照重量百分比配比如下：C：0.02～0.06％、Si：0.10～0.30％，Mn：1.40～1.9％、V：0.04～0.07％、Nb：0.040～0.070％、Als：0.020～0.040％、B：0.0005～0.0035％、Ca/Als≥0.10、N≤0.0060％、T.O≤0.0030％，P：≤0.012％，S：≤0.006％，余量Fe，其晶粒尺寸平均为3.5μm；所述连铸工序采用薄板坯连铸，所述轧制工序中铸坯加热温度为1160～1230℃，粗轧终止温度控制在1050～1100℃，精轧入口温度控制在850～900℃，精轧终止温度控制在760～820℃，精轧最后一道次压下量控制在20％～35％，卷取温度控制在430～520℃。

2.根据权利要求1所述的低成本高性能X70管线钢的生产方法，其特征在于：所述薄板坯连铸工序中中间包钢水温度为：1545～1560℃，铸坯的拉速为3.0～4.5m/min，出结晶器铸坯厚度为70～90mm。

3.根据权利要求1或2所述的低成本高性能X70管线钢的生产方法，其特征在于：所述化学成分配比优选如下：C：0.03～0.05％，Si：0.15～0.25％，Mn：1.45～1.7％，V：0.05～0.06％，Nb：0.050～0.060％，Als：0.025～0.035％，B：0.0010～0.0025％，Ca/Als≥0.10，N≤0.0060％，T.O≤0.0030％，P：≤0.012％，S：≤0.006％，余量Fe。