CN101413090A - 一种高强韧性螺旋埋弧焊管用x80热轧卷板及其生产方法 - Google Patents

Abstract

一种高强韧性螺旋埋弧焊管用X80热轧卷板及其生产方法，属于轧钢技术领域。X80热轧卷板成分重量百分比为：碳：0.03－0.08wt％；硅：0.10－0.25％；锰：1.60wt％－1.95wt％；铌：0.09－0.11wt％；钒：0.020－0.030wt％；钛：0.010－0.020wt％；钼：0.10－0.30wt％；铜：0.10－0.30wt％；镍：0.10－0.30wt％；Cr：0－0.30wt％；磷：≤0.018wt％；硫：≤0.003wt％；氮：≤0.006wt％；硼：0－0.0005wt％；氢：≤0.0003wt％；余量为铁和不可避免的微量杂质。其生产方法：加热温度：1150－1220℃；粗轧终止温度：1020－1080℃；精轧终止温度：820±20℃；卷取温度：400－480℃；精轧压缩比：中间坯厚度/精轧出口厚度≥3。特别适用于高压、长距离、大口径输气管道应用。

Description

一种高强韧性螺旋埋弧焊管用X80热轧卷板及其生产方法

技术领域

本发明属于轧钢技术领域，特别是提供了一种高强韧性螺旋埋弧焊管用X80热轧卷板的生产方法，用于高压、大口径和长距离输送天然气、石油管道工程。

背景技术

高压、大口径和长距离管道输送天然气和石油是目前管道运输的发展趋势，根据国家“十一五”能源发展规划中，西气东输二线工程管道敷设长度7000多公里、年输气量300亿立方米、管径为1219mm、额定输送压力为12MPa。为了满足“西气东输二线”管道设计指标，降低管线采购、施工建设成本，规划一类地区干线全部采用18.4mmX80热轧板卷，与“西气东输一线”X70钢级相比，强韧性能要求都有显著增加。查阅管线钢专利和文献发现，产品厚度、性能要求和生产工艺与“西气东输二线”管道用18.4mm X80热轧卷板相比，皆存在不足之处。如申请号200410025584.4，名称为“高强度高韧性X80管线钢及其热轧板制造方法”，不足之处：1)明确提出生产规格≤15mm，使用范围受到限制(如“西气东输二线”采用18.4mm规格X80热轧卷板)；2)未采用高Nb成分设计，即使瀑规格X80仍需要添加大量昂贵Mo合金，生产成本压力大；3)另外宝钢添加V(0.045％)微合金含量较高，生产成本压力大。武钢专利高强度高韧性输送管线钢及其制备方法，专利申请号为200410013265.1，不足之处为：1)生产规格为15mm和17.5mm，仍达不到“西气东输二线”用18.4mm规格X80管线钢厚度要求；2)未采用高的Nb添加量的成分设计方法，精轧过程采用降低终轧温度达到低温控轧效果，导致轧制负荷提高，增加了轧制风险；3)另外武钢添加昂贵合金Ni含量高，生产成本高成为市场竞争的缺点。鞍钢专利“超高强度X100管线钢热轧板方法”和“一种含Cr热轧平板管线钢”全部为宽厚板轧机生产平板，其制造方法和使用条件与热连轧卷板制造方法工艺和使用条件不具有可比性。金属所专利名称“一种高洁净高强韧输气管线钢的制备方法”，专利申请号为00123128.6，不但强度级别为X70，而且仍然没有采用高的Nb含量的设计方法。

另外欧洲钢管曾生产X80平板，由于C含量为0.07-0.11％，存在低温冲击韧性低的缺陷。韩国蒲项曾试制X80热轧卷板，但产品厚度和性能要求明显达不到应用条件。美国夏延管道采用X80卷板，产品厚度为11.9mm，生产装备为炉卷轧机，与热连轧机组存在显著区别。

因此，发明一种高强度、高韧性和厚规格，低合金成本的螺旋埋弧焊管用X80热轧板卷不但具有显著的经济意义，而且具有重大的政治和社会意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强韧性螺旋埋弧焊管用X80热轧卷板及其生产方法，需要解决的问题是，开发一种高强度、高韧性和厚规格X80热轧板卷，在满足强度的前提下，尽可能提高低温冲击韧性和焊接性能，满足高强度输气管线钢的止裂性能。该发明的思路是：通过合理、经济的成分设计，和与之匹配的轧钢工艺，采用230mm连铸坯，通过R1和R2粗轧机的再结晶区轧制和6架连轧精轧机的未在结晶区轧制，以及随后的层流冷却控制，生产规格厚度为12-19mm规格X80热轧卷板。

技术内容1：

高强度、高韧性和厚规格X80热轧卷板的化学成分范围如表1所示：

表1.化学成分，wt％

X80热轧卷板基本化学成分设计理由如下：

C：钢中最经济、最基本的强化元素，通过固溶强化和析出强化提高强度，特别是提高抗拉强度明显，但是提高C含量对延性、韧性和焊接性能不利，因此目前高强度、高韧性管线钢的C含量控制比较低。本发明C含量控制为0.03-0.06％。

Mn：通过固溶强化提高钢的强度，补偿管线钢中因C含量降低而引起的强度损失。另外Mn稳定奥氏体，扩大γ相区的元素，显著降低γ→α相变温度，有利于获得细小的低温相变产物，提高钢的低温韧性。另外高的Mn含量阻碍NbC的形变诱导析出，从而影响含Nb钢的再结晶行为，促进Nb微合金的强化效果。本发明Mn添加量为1.70-1.95％。

Ti：采用微Ti处理成为高强度管线钢必须的条件，Ti微合金的主要强化效果如下：

1)强的固N元素，减少钢种游离态N含量，改善韧性。

2)加热过程中形成的TiN，阻碍加热过程奥氏体晶粒的粗大，改善韧性，并有助于Nb固溶，发挥强化效果。

3)焊接过程抑制晶粒粗大，改善焊接热影响区的冲击韧性。

本发明Ti含量设计为0.010-0.020％。

Mo：Mo元素扩大γ相，明显抑制γ→α相变过程中先共析铁素体的形成，促进针状铁素体和低碳贝氏体形成的主要元素。添加0.20-0.40％的Mo可以在较低的冷却速率下获得针状铁素体组织，是生产高强度、高韧性和厚规格管线钢的最重要元素之一。

Cu、Ni：具有一定的固溶强化效果，添加Cu可以提高抗硫化氢腐蚀能力；Ni的加入主要是改善Cu的热脆性和提高低温冲击性能。本发明Cu和Ni添加量为≤0.03％。

本X80热轧卷板成分创新设点：

1)高Nb成分设计原理

Nb是高强度管线钢中不可缺少的微合金元素，传统热轧管线钢Nb添加量≤0.08％，比如宝钢、武钢X80热轧板卷专利实物质量Nb含量小于0.08％。采用Nb微合金化的主要目的是利用Nb微合金延迟再结晶，提高再结晶温度使精轧变形在未再结晶阶段轧制，获得变形奥氏体(变形带)，从而细化相变后铁素体晶粒尺寸，提高强度。

添加0.10wt％的Nb含量完全再结晶温度提高为1065℃(如图1所示)，而添加0.05％的Nb的完全再结晶温度为1010℃，即添加高的Nb含量可以在较高的温度精轧，也处在未再结晶区轧制获得细晶强化效果。这对热连轧生产显著影响，具体如下：

1、由于0.10wt％未再结晶温度为1064℃，精轧温度可以显著提高，可以减少甚至省略为了保证精轧在未再结晶区轧制而在粗、精轧之间的中间辊道待温摆钢工序，从而大大节约轧制时间(轧制时间由摆钢工艺5分钟轧制一卷降低为目前不足3分钟轧制一卷X80热轧卷板)，显著了提高生产节奏。

2、由于精轧温度可以在相对较高的温度轧制，轧制负荷显著降低，降低了轧制风险。图2给出了终轧温度和末架轧制轧制压力对应关系。

另一方面添加高的Nb含量，可以保留更多的“可溶Nb”，即轧制过程中未析出的Nb含量，而轧制过程未析出的固溶于奥氏体中的Nb提高钢的淬透性，降低铁素体相变点，更容易获得细小、均匀的贝氏体组织。附表1给出了钢研院对含有0.10wt％含量X80板卷Nb(C，N)分析结果，发现只有0.048wt％的Nb析出，剩余的0.05wt％固溶Nb不但控制相变，而且提高了相变后弥散析出的百分数，提高强韧性能。

2)添加少量的V的创新应用

V具有较强的析出强化效果和较弱的细晶强化效果。在高强度管线钢成分设计中，对是否添加V微合金存在争议，武钢X80专利明确反对添加V微合金，认为添加V降低韧性；而宝钢X80专利添加了0.055-0.065％的V，主要是通过在铁素体中以V(C，N)析出强化来提高钢的强度。

本发明添加了0.025wt％的微合金V，由于本发明X80热轧板卷轧钢工艺卷取温度≤480℃，根据V(C，N)在铁素体中析出热动力学，最佳析出温度为600℃，因此添加的V在轧制过程，以及相变和相变后并没有发生沉淀析出行为，附表1给出了M(C，N)析出相分析结果，并没有发现V(C，N)析出物。生产对比试验发现添加0.025wt％含量的V的X80热轧板卷强韧性能好于未添加V的X80热轧板卷。附图3给出了添加0.025wt％含量的V和未添加V的强度对比结果。

另外添加0.025wt％含量的V的大量夏比冲击试验结果：夏比冲击功为311J，不含V夏比冲击功为286J，因此添加V不但提高强度，反而改善韧性。

高强韧性螺旋埋弧焊管用X80热轧卷板的工艺路线和轧钢控制关键点。

工艺路线： 原料准备→铁水预处理→转炉冶炼→炉外精炼→板坯连铸→板坯再加热→控制轧制→控制冷却→层流冷却→卷取→检查、入库

本发明控制轧钢工艺点如下：

(1)来料为板坯，加热温度：1150-1220℃；板坯成分重量百分比为：碳：0.03-0.08wt％；硅：0.10-0.25％；锰：1.60wt％-1.95wt％；铌：0.09-0.11wt％；钒：0.020-0.030wt％；钛：0.010-0.020wt％；钼：0.10-0.30wt％；铜：0.10-0.30wt％；镍：0.10-0.30wt％；Cr：0-0.30wt％；磷：≤0.018wt％；硫：≤0.003wt％；氮：≤0.006wt％；硼：0-0.0005wt％；氢：≤0.0003wt％；余量铁和不可避免的微量杂质。

(2)粗轧终止温度：1020-1080℃；

(3)精轧入口温度：940-980℃，精轧终止温度：820±30℃，

(4)卷取温度：400-480℃；

(5)精轧压缩比：中间坯厚度/精轧出口厚度≥3。

本发明的优点在于，采用高Nb含量(0.10wt％)，和添加少量V(0.025wt％)的合金设计方法，并根据添加微合金成分优化了轧钢工艺，去掉了热连轧粗、精轧之间待温摆钢工序，降低了轧制节奏时间；另外提高了精轧或终轧轧制温度，降低了轧制负荷，放大了轧钢工艺窗口，降低了精轧由于轧制力过大引起的风险。

附图说明

图1为Nb微合金抑制再结晶，提高再结晶温度的研究结果。

图2为高的Nb含量可以提高终轧温度，降低末架轧机轧制力的生产实测曲线。

图3为添加0.025wt％的V和未添加V的拉伸性能对比结果。

图4为高强度、高韧性和厚规格X80热轧卷板的金相组织照片。

图5为高强度、高韧性和厚规格X80热轧卷板的电镜扫描照片。

图6为高强度、高韧性和厚规格X80热轧卷板的板条贝氏体照片。

具体实施方式

18.4mm X80热轧卷板

化学成分(wt％)

工艺路线

原料准备→铁水预处理→转炉冶炼→炉外精炼→板坯连铸→板坯再加热→控制轧制→控制冷却→层流冷却→卷取→检验、入库

轧钢工艺要点

性能结果

1)X80热轧卷板拉伸、冷弯和硬度性能

注：拉伸试样为圆棒试样类型

2)X80热轧卷板断裂韧性

3)金相组织

金相组织为针状铁素体组织，其中以粒状贝氏体组织为主，并含有弥散的M/A组元。具体见附图4～附图6。

本发明的经济意义和社会意义：

首钢根据本发明的化学成分设计和与之匹配的轧钢工艺，作为国内首家成功试制出“西气东输二线”管道用18.4mm X80热轧板卷，经中国石油天然气集团公司管材研究所评估、认证，采用这种成分和轧制工艺生产的18.4mm X80热轧卷板强度性能稳定，低温冲击韧性优良，完全满足“西气东输二线”管道用18.4mm X80热轧卷板的技术条件。根据“西气东输二线”设计，一类地区干线全部采用18.4mm X80热轧卷板，需要X80热轧板卷近200万吨，具有显著的经济效益。另外，该工程是国家“十一五”重点工程，是关系国计民生的能源工程，也是绿色环保的重点工程。高强度、高韧性和厚规格X80热轧板卷的成功发明意义重大。

附表说明：

附表1为钢研院给出高Nb含量X80热轧板卷的Nb(C，N)析出分析结果。

表1.高Nb含量X80热轧板卷Nb(C，N)析出分析

Claims (3)

1.一种高强韧性螺旋埋弧焊管用X80热轧卷板，其特征在于，成分设计重量百分比为：碳：0.03-0.08wt％；硅：0.10-0.25％；锰：1.60wt％-1.95wt％；铌：0.09-0.11wt％；钒：0.020-0.030wt％；钛：0.010-0.020wt％；钼：0.10-0.30wt％；铜：0.10-0.30wt％；镍：0.10-0.30wt％；Cr：0-0.30wt％；磷：≤0.018wt％；硫：≤0.003wt％；氮：≤0.006wt％；硼：0-0.0005wt％；氢：≤0.0003wt％；余量为铁和不可避免的微量杂质。

2.一种制造权利要求1所述的X80热轧卷板的方法，其特征在于，工艺为：

(1)来料为板坯，加热温度：1150-1220℃；

(2)粗轧终止温度：1020-1080℃；

(3)精轧入口温度：940-980℃，精轧终止温度：790-850℃；

(4)卷取温度：400-480℃；

(5)精轧压缩比：中间坯厚度/精轧出口厚度≥3。

3、按照权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的板坯的成分重量百分比为：碳：0.03-0.08wt％；硅：0.10-0.25％；锰：1.60wt％-1.95wt％；铌：0.09-0.11wt％；钒：0.020-0.030wt％；钛：0.010-0.020wt％；钼：0.10-0.30wt％；铜：0.10-0.30wt％；镍：0.10-0.30wt％；Cr：0-0.30wt％；磷：≤0.018wt％；硫：≤0.003wt％；氮：≤0.006wt％；硼：0-0.0005wt％；氢：≤0.0003wt％；余量为铁和不可避免的微量杂质。

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