CN102586690A - 一种耐磨损的浆体输送管线用钢及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有耐冲蚀磨损性能的煤浆、矿浆等浆体输送管线用钢及生产方法。其化学成分按重量百分比为：C0.04～0.16%，Si0.15～0.25%，Mn0.80～1.60%，Nb0.020～0.065%，Ti0.010～0.025%，Cu0.05～0.25%，Cr0.10～0.30%，P≤0.022%，S≤0.004%，CEIIW≤0.43，CEPcm≤0.21；生产步骤：铁水预处理；炉外精炼与夹杂物变性处理，并连铸成坯；控轧控冷工艺。本发明不仅屈服强度在450MPa级，且其抗冲蚀磨损性能优良，强韧性好，比同级别的API5LX65(L450)钢高出10%以上，管道的使用寿命可提高10%以上，且焊接和成型性能良好，钢的组织均匀性好，轧制过程变形抗力小，对轧机损耗小。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有耐冲蚀磨损性能的煤浆、矿浆等浆体输送管线用钢及其制造方法。
背景技术
煤炭、矿石等资源的长距离运输一直以来以火车、汽车、轮船等交通运输工具为主，这些运输方式存在中间损耗大、成本偏高、污染环境及运输效率低等缺点，同时这些运输方式还受制于气候、运力等诸多限制条件。
浆体管道输送是将颗粒状的固体物料与液体输送介质混合，采用泵动力在管道内进行输送，并在目的地按用户要求提供浆体或者脱水产品的一种输送方式。国外早在十九世纪就开始尝试通过管道输送水煤浆和矿浆等，美国黑梅萨输煤管道工程是国际上运行时间最长的一条浆体输送管道。该工程1970年建成投产，全长440km，输送规模为5.0Mt/a，至2005年停运止共运行了35年之久。
我国也在上世纪逐渐建成多条矿浆输送管道。如国内首条昆钢大红山铁矿矿浆管道，全长115km，采用HFW高频电阻焊，管径φ244.5mm，钢级API X65；太钢两条矿浆管道长410km，管径φ229.7mm，钢级API X60和X65。X60和X65采用低碳微合金化钢成分设计，钢中C 0.04～0.12％，Si 0.10～0.40％，Mn 1.00～1.70％，Nb 0.010～0.05％，V 0～0.08％，Ti 0.005～0.030％，P≤0.022％，S≤0.005％，采用TMCP工艺生产。
国内外虽已建成数条浆体管道，但浆体管线用钢及钢管大部分直接套用API 5L标准的X系列钢级如X52，X60，X65等，这些钢的特点是为了满足油气工业特别是天然气输送安全对延性断裂止裂的要求，均采用较低的碳含量，以提高钢的韧性，因此在耐磨损性能特别是浆体对钢管的冲蚀磨损性能上不具备优势。据报道，美国于1984～1991年使用X52管线钢输送磷矿，经使用发现管壁磨损率为230μm/年，后来在某些地段改为X56钢，但其管壁磨损率仍然超过设计标准，管道的实际使用寿命大大降低。
已有研究表明，冲蚀是冲击磨损和冲击腐蚀两种作用的综合结果，是疲劳磨损的派生形式，就本质上来说，是由于机械力造成的表面疲劳破坏，且液体的化学和电化学作用加速了它的破坏速度。钢的抗冲蚀磨损性能主要决定于其金相组织和强化机制。在浆体冲蚀条件下，应用经过特殊设计的浆体管道用钢可以比API 5L同级别的油气管道延长使用寿命20～45％。
鉴于此，研制开发一种具有良好抗冲蚀磨损性能的浆体长距离输送管线用钢，以提高我国浆体管线的设计和使用寿命，保证管道的安全、可靠运行，促进我国煤浆和矿浆管道运输事业的发展，保障能源安全具有显著的经济和社会效益。
发明内容
本发明针对目前浆体输送管线用钢普遍采用的API 5L X系列存在的耐冲蚀磨损性能不能满足浆体输送管道用钢要求等不足，提供一种耐冲蚀磨损性能好，且强韧性和焊接性良好，性价比较高的浆体输送管线用钢及生产方法。
实现上述目的的措施：
一种耐磨损的浆体输送管线用钢，其化学成分按重量百分比为：C 0.04～0.16％，Si0.15～0.25％，Mn 0.80～1.60％，Nb 0.020～0.065％，Ti 0.010～0.025％，Cu 0.05～0.25％，Cr 0.10～0.30％，P≤0.022％，S≤0.004％，CEIIW≤0.43，CEPcm≤0.21，其余为铁及不可避免的夹杂元素。
一种耐磨损的浆体输送管线用钢，其化学成分按重量百分比为：C 0.04～0.16％，Si 0.15～0.25％，Mn 0.80～1.60％，Nb 0.020～0.065％，V 0.01～0.07％，Ti 0.010～0.025％，Cu 0.05～0.25％，Cr 0.10～0.30％，P≤0.022％，S≤0.004％，CEIIW≤0.43，CEPcm≤0.21，其余为铁及不可避免的夹杂元素。
一种耐磨损的浆体输送管线用钢，其化学成分按重量百分比为：C 0.04～0.16％，Si 0.15～0.25％，Mn 0.80～1.60％，Nb 0.020～0.065％，Mo 0.05～0.25％，Ti 0.010～0.025％，Cu 0.05～0.25％，Cr 0.10～0.30％，P≤0.022％，S≤0.004％，CEIIW≤0.43，CEPcm m≤0.21，其余为铁及不可避免的夹杂元素。
一种耐磨损的浆体输送管线用钢，其化学成分按重量百分比为：：C 0.04～0.16％，Si0.15～0.25％，Mn 0.80～1.60％，Nb 0.020～0.065％，V 0.01～0.065％，Mo 0.05～0.20％，Ti0.010～0.025％，Cu 0.05～0.25％，Cr 0.10～0.30％，P≤0.022％，S≤0.004％，CEIIW≤0.43，CEPcm≤0.21，其余为铁及不可避免的夹杂元素。
生产一种耐磨损的浆体输送管线用钢的方法，其步骤：
(1)进行铁水预处理：保证入炉铁水S重量百分比含量≤0.005％；
(2)进行炉外精炼与夹杂物变性处理，并连铸成坯：首先在LHF进行处理，处理时间为25～45分钟，并按设计的目标成分进行合金微调；进行RH真空处理，按照700～800克/吨钢喂入CaSi线，控制喂线速度为250～300米/分钟，控制真空处理时间至少为15分钟；
3)进行控轧控冷工艺，并按照以下参数予以控制：
(1)铸坯再加热温度控制在1180～1250℃；
(2)终轧温度控制在730～860℃；
(3)卷取温度控制在400～610℃；
(4)冷却速度控制在10～30℃/秒。
各化学元素在本发明中的机理及作用
C：C元素是钢的主要固溶强化元素。但含量过高，则恶化焊接和冲击韧性。含量过低，钢的硬度不足，耐磨损性能不佳。本发明合理选择了钢中的含碳量，既保证了它的固溶强化效果，使钢通过控轧后获得一定比例的硬相组织，同时又不恶化钢的焊接和冲击韧性。
Si：Si主要以固溶强化形式提高钢的强度，对提高钢的抗疲劳性能有一定作用。
Mn：Mn在该钢中是作为主要固溶强化元素，提高钢的强度。随着Mn/C比的提高，钢的韧性提高。但由于Mn在连铸过程中，易于在铸坯中心产生偏析，造成热轧成品珠光体带的产生，恶化钢的韧性，因此Mn的含量不宜超过1.70％。
P、S：低P、超低S含量是为了保证高的钢质纯净度，获得该钢良好的冲击韧性。
Cr：在钢中起固溶强化作用，显著提高钢的强度。Cr通过固溶于铁素体基体中，提高基体的强度，同时提高钢的耐冲蚀磨损性能。
Cu及Mo：在钢中主要起固溶及沉淀强化作用，提高钢的强度。当该两元素含量低于0.30％时，沉淀强化作用不明显。Cu及Mo在钢中主要是弥补钢材厚度提高时，强度的不足。
Nb：Nb在钢中主要通过提高再结晶温度来细化晶粒，提高钢的强度。
V：V与Nb复合添加，其抑制奥氏体再结晶的效果更强。V在钢中还能产生较强的析出强化效果，通过合适的热轧工艺控制，可以获得细小、均匀弥散的碳氮化物第二相粒子，显著提高钢的耐冲蚀磨损性能。但当其含量高于0.05％时会恶化冲击韧性。
Ti的加入有利于焊接时热影响区的晶粒控制，这对改善焊接热影响区的韧性是非常有利的。同时Ti是强氮化物形成元素，Ti的氮化物能有效地钉扎奥氏体晶界，因此有助于控制奥氏体晶粒的长大，细化晶粒。Ti的含量控制在0.008～0.025％范围内。
控制CEIIW≤0.43，CEPcm≤0.21是为了保证该钢获得良好的焊接性能。
控轧控冷工艺控制首先是控制钢坯的再加热过程。防止再加热温度过高，以免奥氏体晶粒粗化；过低，则合金元素未充分固溶。精轧阶段通过在奥氏体未再结晶区轧制，获得具有较高位错密度的形变奥氏体，终轧时一部分奥氏体转变成珠光体和先共析铁素体，同时未相变的奥氏体在随后的冷却和卷取过程中，转变成贝氏体。铁素体软相和珠光体、贝氏体硬相的结合使该钢获得良好的强韧性匹配及一定的抗冲蚀磨损性能。
本发明可以制成屈服强度为450MPa级的浆体输送管线用钢，并且其抗冲蚀磨损性能优良，强韧性好，比同级别的API 5L X65(L450)钢高出10％以上，可提高管道的使用寿命10％以上。而且由于采用低碳微合金化成分设计，钢材的焊接和成型性能良好，利于制管工艺。该钢采用控轧控冷工艺生产，生产简便易行，钢的组织均匀性好，轧制过程变形抗力小，对轧机损耗小，适于大规模推广应用。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明予以进一步描述：
表1为本发明各实施例及对比例的化学成分及取值列表；
表1中各实施例均按照以下步骤生产，各参数在其范围内为任意取值：
(1)进行铁水预处理：保证入炉铁水S重量百分比含量≤0.005％；
(2)进行炉外精炼与夹杂物变性处理，并连铸成坯：首先在LHF进行处理，处理时间为25～45分钟，并按设计的目标成分进行合金微调；进行RH真空处理，按照700～800克/吨钢喂入CaSi线，控制喂线速度为250～300米/分钟，控制真空处理时间至少为15分钟；
3)进行控轧控冷工艺，并按照以下参数予以控制：
(1)铸坯再加热温度控制在1180～1250℃；
(2)终轧温度控制在730～860℃；
(3)卷取温度控制在400～610℃；
(4)冷却速度控制在10～30℃/秒。
表2为本发明各实施例的试验及对比例的机械性能(取样方向：与轧向成90°)；
表3为各实施例中耐冲蚀磨损能力与及对比例的试验比照列表。
表1本发明各实施例及对比例化学成分(wt％)
表2本发明各实施例试验及对比例的机械性能(取样方向：与轧向成90°)
| 实施例 | 板厚/mm | Rt0.5/MPa | Rm/MPa | Rt0.5/Rm | A50/％ | HV10 | -20℃KV2/J |
| 1 | 9.0 | 530 | 630 | 0.85 | 31 | 202 | 148 |
| 2 | 9.0 | 520 | 620 | 0.84 | 33 | 199 | 299 |
| 3 | 11.1 | 525 | 630 | 0.85 | 36 | 208 | 312 |
| 4 | 11.1 | 515 | 595 | 0.86 | 37 | 195 | 256 |
| 5 | 11.1 | 510 | 600 | 0.85 | 39 | 194 | 247 |
| 6 | 9.0 | 520 | 630 | 0.82 | 33 | 202 | 162 |
| 7 | 11.1 | 505 | 605 | 0.83 | 38 | 196 | 273 |
| 8 | 9.0 | 515 | 605 | 0.85 | 36 | 189 | 298 |
| 9 | 17.2 | 510 | 625 | 0.82 | 40 | 193 | 226 |
| 10 | 17.2 | 515 | 610 | 0.84 | 41 | 185 | 251 |
| 11 | 14.0 | 520 | 625 | 0.83 | 39 | 198 | 240 |
| 12 | 14.0 | 515 | 605 | 0.85 | 37 | 191 | 198 |
| 对比例1 | 9.0 | 505 | 600 | 0.84 | 37 | 181 | 156 |
| 对比例2 | 11.1 | 500 | 605 | 0.83 | 39 | 182 | 179 |
| 对比例3 | 14.0 | 495 | 595 | 0.83 | 33 | 177 | 168 |
表3各实施例中钢的耐冲蚀磨损能力与对比例的对比列表
表3中试验钢耐冲蚀磨损性能的评价方式采用失厚率即冲蚀磨损深度表示，而失重率采用试样磨损试验损失的重量与磨损试验前试样重量的比值表示。
Claims (5)
1.一种耐磨损的浆体输送管线用钢，其化学成分按重量百分比为：C 0.04～0.16％，Si 0.15～0.25％，Mn 0.80～1.60％，Nb 0.020～0.065％，Ti 0.010～0.025％，Cu 0.05～0.25％，Cr 0.10～0.30％，P≤0.022％，S≤0.004％，CEIIW≤0.43，CEPcm≤0.21，其余为铁及不可避免的夹杂元素。
2.一种耐磨损的浆体输送管线用钢，其化学成分按重量百分比为：C 0.04～0.16％，Si 0.15～0.25％，Mn 0.80～1.60％，Nb 0.020～0.065％，V 0.01～0.07％，Ti 0.010～0.025％，Cu 0.05～0.25％，Cr 0.10～0.30％，P≤0.022％，S≤0.004％，CEIIW≤0.43，CEPcm≤0.21，其余为铁及不可避免的夹杂元素。
3.一种耐磨损的浆体输送管线用钢，其化学成分按重量百分比为：C 0.04～0.16％，Si 0.15～0.25％，Mn 0.80～1.60％，Nb 0.020～0.065％，Mo 0.05～0.25％，Ti 0.010～0.025％，Cu0.05～0.25％，Cr 0.10～0.30％，P≤0.022％，S≤0.004％，CEIIW≤0.43，CEPcm m≤0.21，其余为铁及不可避免的夹杂元素。
4.一种耐磨损的浆体输送管线用钢，其化学成分按重量百分比为：：C 0.04～0.16％，Si 0.15～0.25％，Mn 0.80～1.60％，Nb 0.020～0.065％，V 0.01～0.065％，Mo 0.05～0.20％，Ti0.010～0.025％，Cu 0.05～0.25％，Cr 0.10～0.30％，P≤0.022％，S≤0.004％，CEIIW≤0.43，CEPcm≤0.21，其余为铁及不可避免的夹杂元素。
5.生产权利要求1～4所述的一种耐磨损的浆体输送管线用钢的方法，其步骤：
(1)进行铁水预处理：保证入炉铁水S重量百分比含量≤0.005％；
(2)进行炉外精炼与夹杂物变性处理，并连铸成坯：首先在LHF进行处理，处理时间为25～45分钟，并按设计的目标成分进行合金微调；进行RH真空处理，按照700～800克/吨钢喂入CaSi线，控制喂线速度为250～300米/分钟，控制真空处理时间至少为15分钟；
3)进行控轧控冷工艺，并按照以下参数予以控制：
(1)铸坯再加热温度控制在1180～1250℃；
(2)终轧温度控制在730～860℃；
(3)卷取温度控制在400～610℃；
(4)冷却速度控制在10～30℃/秒。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20120718 |