CN102367540A - 一种基于炉卷轧机生产的深海管线钢及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种管线钢及其制备方法，是一种基于炉卷轧机生产的深海管线钢及其制备方法，按重量百分比由以下组分组成：C：0.02～0.06%，Si：0.10～0.30%，Mn：1.3～1.65%，P<0.010%，S<0.002%，N<0.006%，Nb：0.03～0.06%，Ni：0.1～0.3%，Cr≤0.3%，Cu≤0.3%，Mo≤0.25%，余量为Fe和微量杂质。钢坯经1120℃～1210℃加热，加热时间为2.5～4小时；第一阶段轧制开轧温度在1030～1130℃，终轧温度保证在950～1100℃之间，变形量>60%；第二阶段轧制开轧温度在800～940℃，终轧温度保证在780～880℃之间，变形量>60%；冷却速度在15～25℃/s，终冷温度在200～500℃的范围内。成本低、工艺简单，可生产出具有低屈强比和高韧性的深海管线钢，并适用于炉卷轧机进行大规模生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种管线钢及其制备方法，具体的说是一种基于炉卷轧机生产的深海管线钢及其制备方法。
背景技术
目前国内外陆地油气资源开采已经不能完全满足经济发展的需求，全球海底油气资源非常丰富，开采海底油气资源变得越来越迫切。国外，海底油气资源开采发展较快，国内相对略慢些。而采用管线输送石油天然气具有高效、经济、安全、无污染等特点，被认为是长距离输送油气的有效方式，海底管线钢的开发因此而很有必要。目前基于炉卷轧机生产深海管线钢的技术还不成熟。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对以上现有技术存在的缺点，提出一种基于炉卷轧机生产的深海管线钢及其制备方法，成本低、工艺简单，可生产出具有低屈强比和高韧性的深海管线钢，并适用于炉卷轧机进行大规模生产。
本发明解决以上技术问题的技术方案是：
一种基于炉卷轧机生产的深海管线钢，按重量百分比由以下组分组成：C：0.02～0.06%，Si：0.10～0.30%，Mn：1.3～1.65%，P<0.010%，S<0.002%，N<0.006%，Nb：0.03～0.06%，Ni：0.1～0.3%，Cr≤0.3%，Cu≤0.3%，Mo≤0.25%，余量为Fe和微量杂质。
基于炉卷轧机生产的深海管线钢的制备方法，按以下步骤进行：
⑴将重量百分比的以下组分：C：0.02～0.06%，Si：0.10～0.30%，Mn：1.3～1.65%，P<0.010%，S<0.002%，N<0.006%，Nb：0.03～0.06%，Ni：0.1～0.3%，Cr≤0.3%，Cu≤0.3%，Mo≤0.25%，余量为Fe和微量杂质，进行冶炼，得铁水；
⑵铁水预处理：铁水预处理按照终点硫≤0.002%处理，扒渣后可见铁水面保证≥3/4。
⑶顶底复吹转炉：保证终点温度和碳同时命中，减少拉碳次数，以降低钢水含氢、氮含量，出钢温度≥1650℃；
⑷LF炉精炼：LF处理过程中纯精炼时间（开始通电至喂线结束）≥35分钟，钛铁在LF处理中后期加入；
⑸RH真空脱气处理：RH精炼低真空度≤3mbar，保持时间≥12分钟，喂丝结束后静搅时间≥12分钟；
⑹板坯浇铸：采用全保护浇注，确保钢包自流，过热度控制在20～30℃；
⑺钢坯经1120℃～1210℃加热，加热时间为2.5～4小时；
⑻第一阶段轧制：使用炉卷轧机进行轧制，开轧温度在1030～1130℃，终轧温度保证在950～1100℃之间，变形量>60%；
⑼第二阶段轧制：使用炉卷轧机进行轧制，开轧温度在800～940℃，终轧温度保证在780～880℃之间，变形量>60%；
⑽冷却：冷却速度在15～25℃/s，终冷温度在200～500℃的范围内。
本发明的基于炉卷轧机生产的深海管线钢各合金成分的作用机理如下：
本发明的C含量为0.02～0.06%，碳是钢中最经济、最基本的强化元素，必要的碳含量主要起到固溶强化作用，从而提高钢的强度。同时部分碳原子与铌、钒、钛微量元素以合金碳化物析出，在高温变形阶段抑制再结晶，在较低温度区间起析出强化作用。但C对钢的延性、韧性和焊接性不利。管线钢的发展是碳含量降低的过程，降低碳含量能改善钢的焊接性能。碳含量升高，能够使焊接产生的热影响区冷却速度增加，导致热影响区的硬度变高，组织变脆。对于不同的焊接工艺而言，都存在一定的碳当量极限。当焊接钢的碳当量高于采用工艺的极限值时，必须进行预热、焊后保温等额外的弥补措施，这样会增加额外的劳动以及施工费用。碳含量的增加可能引起偏析加剧，从而导致抗HIC和SSC的能力下降，当钢中碳含量在0.06%以下时，具有较小的HIC敏感性。所以尽可能降低碳元素的含量，同时碳含量的降低对铌增加奥氏体再结晶温度的作用有利。
本发明的Mn含量为1.3～1.65%，锰在钢中主要起固溶强化的作用。锰在管线钢中是补偿碳含量降低而引起的强度损失的最主要而且最经济的强化元素。在碳含量相同的情况下，随着锰含量的增加，屈服强度和韧性增加，同时可以降低脆性转变温度。另外锰也有利于形成细晶粒组织。所以可以稍微增加钢中的Mn含量，如果不能完全弥补强度的损失，也可以增加铌元素的含量。但是注意锰含量不能过高，容易发生偏析形成带状组织，造成钢的组织和硬度不均匀性，另也容易对管线钢的焊接性能和抗H2S产生不利影响。
本发明中的P<0.010，S<0.002，尤其是S含量极低，是因为P和S在钢中都是影响性能的有害杂质元素。P会冷脆；S在钢中以硫化物的形态存在，对钢板的冲击韧性是十分不利的，并造成各向异性和增大氢致开裂敏感性。为了保证深海管线SMYS450F能具有较高的纯净度，从而得到良好的塑性和韧性，必须降低P和S的含量。
本发明中Nb的含量为0.03～0.06%，Nb是管线钢中重要的微量合金元素之一。在高温时形成碳化铌，阻止奥氏体的再结晶。因此微量的铌可以显著提高奥氏体的再结晶温度，有效延缓形变奥氏体的回复和再结晶的发生，有利于奥氏体形变量的积累。在轧制过程中，铌在高温区以固溶原子对晶界的迁移起到拖拽的作用，在低温区以形变诱导析出起到钉扎位错的作用，还能显著降低奥氏体-铁素体的转变温度，最后得到细小组织，保证钢具有较高的强度和韧性。
本发明中的Ni为0.1～0.3%。Ni通过固溶强化有助于强度的增加，更有利于提高钢的韧性。Mo是提高钢淬透性的元素，加入Mo也有利于贝氏体组织的发展，抑制多边形铁素体的形成，因而能在较低的碳含量下得到高的强度。
本发明进一步限定的技术方案是：
前述的基于炉卷轧机生产的深海管线钢，按重量百分比由以下组分组成：C：0.04%，Si：0.25%，Mn：1.52%，P：0.008%，S：0.001%，N：0.0041%，Nb：0.049%，Ni：0.16%，Cr：0.03%，Cu：0.04%，Mo：0.10%，余量为Fe和微量杂质。
前述的基于炉卷轧机生产的深海管线钢，按重量百分比由以下组分组成：C：0.04%，Si：0.24%，Mn：1.54%，P：0.007%，S：0.001%，N：0.0042%，Nb：0.052%，Ni：0.15%，Cr：0.02%，Cu：0.03%，Mo：0.09%，余量为Fe和微量杂质。
前述的基于炉卷轧机生产的深海管线钢，按重量百分比由以下组分组成：C：0.045%，Si：0.15%，Mn：1.55%，P：0.009%，S：0.001%，N：0.0047%，Nb：0.052%，Ni：0.17%，Cr：0.02%，Cu：0.03%，Mo：0.10%，余量为Fe和微量杂质。
前述的基于炉卷轧机生产的深海管线钢，按重量百分比由以下组分组成：按重量百分比由以下组分组成：C：0.05%，Si：0.24%，Mn：1.51%，P：0.008%，S：0.001%，N：0.0038%，Nb：0.053%，Ni：0.17%，Cr：0.02%，Cu：0.04%，Mo：0.09%，余量为Fe和微量杂质。
前述的基于炉卷轧机生产的深海管线钢，按重量百分比由以下组分组成：按重量百分比由以下组分组成：C：0.05%，Si：0.25%，Mn：1.55%，P：0.009%，S：0.001%，N：0.0043%，Nb：0.050%，Ni：0.18%，Cr：0.03%，Cu：0.04%，Mo：0.11%，余量为Fe和微量杂质。
前述的基于炉卷轧机生产的深海管线钢，纵横向屈服强度460～540MPa，纵横向抗拉强度570～660MPa，纵横向延伸率>40%，纵横向屈强比≤0.85，-20℃Akv>350J，-20℃DWTT均值>90%。
本发明的有益效果是：⑴本发明是基于炉卷轧机开发的深海管线钢SMYS450F，生产效率高，设备紧凑、连续、经济；⑵成分采用了低碳、低磷、低硫、含镍和含铌控制，钢板的性能均匀稳定；⑶本发明通过合理的成分设计和较优的控轧空冷工艺，基于炉卷轧机生产深海管线用SMYS450F高等级管线钢，纵横向屈服强度460～540MPa，纵横向抗拉强度570～660MPa，纵横向延伸率>40%，纵横向屈强比≤0.85，-20℃Akv>350J，-20℃DWTT均值>90%，完全符合深海管线SMYS450F的标准要求。
具体实施方式
实施例1-5的化学成分（wt%）如表1。
表1 实施例的化学成分（wt%）
| C | Si | Mn | P | S | N | Nb | Ni | Cr | Cu | Mo | |
| 实施例1 | 0.04 | 0.25 | 1.52 | 0.008 | 0.001 | 0.0041 | 0.049 | 0.16 | 0.03 | 0.04 | 0.10 |
| 实施例2 | 0.04 | 0.24 | 1.54 | 0.007 | 0.001 | 0.0042 | 0.052 | 0.15 | 0.02 | 0.03 | 0.09 |
| 实施例3 | 0.045 | 0.15 | 1.55 | 0.009 | 0.001 | 0.0047 | 0.052 | 0.17 | 0.02 | 0.03 | 0.10 |
| 实施例4 | 0.05 | 0.24 | 1.51 | 0.008 | 0.001 | 0.0038 | 0.053 | 0.17 | 0.02 | 0.04 | 0.09 |
| 实施例5 | 0.05 | 0.25 | 1.55 | 0.009 | 0.001 | 0.0043 | 0.050 | 0.18 | 0.03 | 0.04 | 0.11 |
上表1中，各实施例的化学成分余量为Fe和微量杂质。
制备工艺：
将表1的各化学组分进行冶炼，得铁水；
铁水预处理：铁水预处理按照终点硫≤0.002%模式处理，扒渣后可见铁水面保证≥3/4；
顶底复吹转炉：保证终点温度和碳同时命中，减少拉碳次数，以降低钢水含氢、氮含量；出钢温度≥1650℃；
LF炉精炼：LF处理过程中纯精炼时间（开始通电至喂线结束）≥35分钟，钛铁在LF处理中后期加入；
RH真空脱气处理：RH精炼低真空度（≤3mbar）保持时间≥12分钟，喂丝结束后静搅时间≥12分钟；
板坯浇铸：采用全保护浇注，确保钢包自流，过热度控制在20～30℃；
具体控轧控冷工艺如表2。
表2 实施例的轧制工艺
| 工艺参数 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 实施例5 |
| 板坯加热温度℃ | 1170 | 1180 | 1160 | 1185 | 1200 |
| 第一阶段开轧温度℃ | 1060 | 1070 | 1050 | 1075 | 1100 |
| 第一阶段终轧温度℃ | 1020 | 1030 | 1000 | 1025 | 1050 |
| 第二阶段开轧温度℃ | 890 | 900 | 880 | 880 | 920 |
| 第二阶段终轧温度℃ | 820 | 830 | 810 | 830 | 860 |
| 终止冷却温度℃ | 430 | 450 | 390 | 460 | 420 |
| 冷却速度℃/s | 22 | 24 | 18 | 20 | 17 |
力学性能：
实施例的力学性能如表3。
表3 实施例的力学性能
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于炉卷轧机生产的深海管线钢，其特征在于：按重量百分比由以下组分组成：C：0.02～0.06%，Si：0.10～0.30%，Mn：1.3～1.65%，P<0.010%，S<0.002%，N<0.006%，Nb：0.03～0.06%，Ni：0.1～0.3%，Cr≤0.3%，Cu≤0.3%，Mo≤0.25%，余量为Fe和微量杂质。
2. 如权利要求1所述的基于炉卷轧机生产的深海管线钢，其特征在于：按重量百分比由以下组分组成：C：0.04%，Si：0.25%，Mn：1.52%，P：0.008%，S：0.001%，N：0.0041%，Nb：0.049%，Ni：0.16%，Cr：0.03%，Cu：0.04%，Mo：0.10%，余量为Fe和微量杂质。
3. 如权利要求1所述的基于炉卷轧机生产的深海管线钢，其特征在于：按重量百分比由以下组分组成：C：0.04%，Si：0.24%，Mn：1.54%，P：0.007%，S：0.001%，N：0.0042%，Nb：0.052%，Ni：0.15%，Cr：0.02%，Cu：0.03%，Mo：0.09%，余量为Fe和微量杂质。
4. 如权利要求1所述的基于炉卷轧机生产的深海管线钢，其特征在于：按重量百分比由以下组分组成：C：0.045%，Si：0.15%，Mn：1.55%，P：0.009%，S：0.001%，N：0.0047%，Nb：0.052%，Ni：0.17%，Cr：0.02%，Cu：0.03%，Mo：0.10%，余量为Fe和微量杂质。
5. 如权利要求1所述的基于炉卷轧机生产的深海管线钢，其特征在于：按重量百分比由以下组分组成：C：0.05%，Si：0.24%，Mn：1.51%，P：0.008%，S：0.001%，N：0.0038%，Nb：0.053%，Ni：0.17%，Cr：0.02%，Cu：0.04%，Mo：0.09%，余量为Fe和微量杂质。
6. 如权利要求1所述的基于炉卷轧机生产的深海管线钢，其特征在于：按重量百分比由以下组分组成：C：0.05%，Si：0.25%，Mn：1.55%，P：0.009%，S：0.001%，N：0.0043%，Nb：0.050%，Ni：0.18%，Cr：0.03%，Cu：0.04%，Mo：0.11%，余量为Fe和微量杂质。
7. 如权利要求1-6中任一权利要求所述的基于炉卷轧机生产的深海管线钢，其特征在于：所述深海管线钢纵横向屈服强度460～540MPa，纵横向抗拉强度570～660MPa，纵横向延伸率>40%，纵横向屈强比≤0.85，-20℃Akv>350J，-20℃DWTT均值>90%。
8.制备权利要求1所述基于炉卷轧机生产的深海管线钢的方法，其特征在于：按以下步骤进行：
⑴将重量百分比的以下组分：C：0.02～0.06%，Si：0.10～0.30%，Mn：1.3～1.65%，P<0.010%，S<0.002%，N<0.006%，Nb：0.03～0.06%，Ni：0.1～0.3%，Cr≤0.3%，Cu≤0.3%，Mo≤0.25%，余量为Fe和微量杂质，进行冶炼，得铁水；
⑵铁水预处理：铁水预处理按照终点硫≤0.002%处理，扒渣后可见铁水面保证≥3/4；
⑶顶底复吹转炉：保证终点温度和碳同时命中，减少拉碳次数，以降低钢水含氢、氮含量，出钢温度≥1650℃；
⑷LF炉精炼：LF处理过程中纯精炼时间≥35分钟，钛铁在LF处理中后期加入；
⑸RH真空脱气处理：RH精炼低真空度≤3mbar，保持时间≥12分钟，喂丝结束后静搅时间≥12分钟；
⑹板坯浇铸：采用全保护浇注，确保钢包自流，过热度控制在20～30℃；
⑺钢坯经1120℃～1210℃加热，加热时间为2.5～4小时；
⑻第一阶段轧制：使用炉卷轧机进行轧制，开轧温度在1030～1130℃，终轧温度保证在950～1100℃之间，变形量>60%；
⑼第二阶段轧制：使用炉卷轧机进行轧制，开轧温度在800～940℃，终轧温度保证在780～880℃之间，变形量>60%；
⑽冷却：冷却速度在15～25℃/s，终冷温度在200～500℃的范围内。
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