CN102747300A

CN102747300A - 一种高强高韧性结构用无缝钢管及其制造方法

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Publication number: CN102747300A
Application number: CN2012102145970A
Authority: CN
Inventors: 边华川; 易良刚; 吴红; 王西江; 林发驹; 滕建明
Original assignee: Pangang Group Chengdu Steel and Vanadium Co Ltd
Current assignee: Pangang Group Chengdu Steel and Vanadium Co Ltd
Priority date: 2012-06-27
Filing date: 2012-06-27
Publication date: 2012-10-24
Anticipated expiration: 2032-06-27
Also published as: CN102747300B

Abstract

本发明提供了一种高强高韧性结构用无缝钢管及其制造方法。所述制造方法包括钢水冶炼、连铸、轧管机组轧制步骤，钢水冶炼步骤得到目标钢水，且目标钢水的成分按重量百分比计由C：0.14～0.18%、Si：0.20～0.50%、Mn：0.90～1.30%、P≤0.020%、S≤0.010%、Cr：0.20～1.00%、Mo：0.20～0.80%、Ni：0.90～1.50%、V：0.02～0.10%、Nb≤0.05%、Al：0.015～0.050%、Cu≤0.35%、N≤0.020%、Ti≤0.05%以及余量的铁和不可避免的杂质组成；所述制造方法还包括调质热处理步骤，即在所述轧管机组轧制步骤后对钢管顺序进行淬火和回火处理，其中，淬火温度为920～960℃，回火温度为610～660℃。本发明的无缝钢管能够作为液压履带式起重机的组合臂架用管、液压油缸用管、桥梁结构用管、海洋平台结构用管。

Description

一种高强高韧性结构用无缝钢管及其制造方法

技术领域

本发明涉及无缝钢管生产技术领域，更具体地讲，涉及一种能够作为液压履带式起重机的组合臂架用管、液压油缸用管、桥梁结构用管、海洋平台结构用管的具有高强度、高韧性和良好的焊接性能的结构用无缝钢管及制造方法。

背景技术

随着我国经济的高速发展，国家基本建设的规模越来越大，对高强高韧性结构用无缝钢管的性能要求也越来越高。

履带起重机臂架、液压油缸、桥梁和海洋平台等行业用无缝钢管不但需要高强度（屈服强度高于890MPa）、高低温韧性（－20℃冲击功高于55J）、同时还必须有良好的焊接性能。例如，具体来讲，目前国内外液压履带式起重机的组合臂架用管要求－20℃AKV冲击功高于55J，在低于－20℃的低温环境下作业时用户对其低温冲击提出更高的要求；现桥梁用结构钢（GB/T714-2008）最高钢级屈服要求大于650MPa，且低温冲击要求－40℃AKV大于47J；对于屈服大于890MPa的高强度桥梁用结构钢，采用通常材料和热处理工艺生产的钢管其低温冲击韧性难以满足－20℃AKV大于55J的要求。

此外，对于通常的调质钢如30CrMo而言，尽管其强度和韧性可以基本满足上述要求，但是其焊接性能差，难以满足材料对于焊接性能较好的要求。

高强高韧性结构用无缝钢管在恶劣的低温环境作业时其低温冲击韧性要求很高，并承载着巨大压力。因此，为了保证结构管在使用过程中的安全，必须要求高强高韧性结构用无缝钢管的钢质纯净度高、强度高、韧性优异、几何尺寸精度高，表面质量好，且具有良好的焊接性能，因而生产难度大。

目前液压履带式起重机的组合臂架用管、液压油缸用管、桥梁结构用管、海洋平台结构用管对低温冲击功绝大部分要求－20℃AKV冲击功高于55J，在低于－20℃的低温恶劣环境下作业一般钢管的低温冲击性能难以满足安全性的要求。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题之一，本发明的目的之一在于提供一种能够作为液压履带式起重机的组合臂架用管、液压油缸用管、桥梁结构用管或海洋平台结构用管的具有高强度、高韧性和良好的焊接性能的结构用无缝钢管及制造方法。

本发明的一方面提供了一种高强高韧性结构用无缝钢管的制造方法。所述制造方法包括钢水冶炼、连铸、轧管机组轧制的步骤，其中，所述钢水冶炼步骤得到目标钢水，且所述目标钢水的成分按重量百分比计由C：0.14～0.18%、Si：0.20～0.50%、Mn：0.90～1.30%、P≤0.020%、S≤0.010%、Cr：0.20～1.00%、Mo：0.20～0.80%、Ni：0.90～1.50%、V：0.02～0.10%、Nb≤0.05%、Al：0.015～0.050%、Cu≤0.35%、N≤0.020%、Ti≤0.05%以及余量的铁和不可避免的杂质组成；所述制造方法还包括调质热处理步骤，所述调质热处理步骤在所述轧管机组轧制步骤后对钢管顺序进行淬火和回火处理，其中，淬火温度为920～960℃，回火温度为610～660℃。

在本发明的制造方法的一个示例性实施例中，所述淬火的冷却速度能够保证在从850℃至500℃的淬火过程中的平均冷却速度是10℃/秒以上。

本发明的另一方面提供了一种高强高韧性结构用无缝钢管。所述无缝钢管采用如上所述的制造方法得到。本发明的高强高韧性结构用无缝钢管的屈服强度不低于890MPa、抗张强度不低于960MPa、延伸率不低于14%、－20℃纵向冲击功不低于120J、－40℃纵向冲击功不低于75J，并且所述无缝钢管的焊接区域的－20℃纵向冲击功不低于55J、－40℃纵向冲击功不低于47J。

本发明的高强高韧性结构用无缝钢管具有均匀、单一的回火索氏体组织。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：提供了一种能够作为液压履带式起重机的组合臂架用管、液压油缸用管、桥梁结构用管或海洋平台结构用管的具有高强度、高韧性和良好的焊接性能的结构用无缝钢管及制造方法；得到的结构用无缝钢管的屈服强度不低于890MPa、抗张强度不低于960MPa、延伸率不低于14%、-20℃纵向冲击功不低于约120J、-40℃纵向冲击功不低于约75J，并且所述无缝钢管的焊接区域的-20℃纵向冲击功不低于约55J、-40℃纵向冲击功不低于约47J。

附图说明

图1示出了本发明示例性实施例的高强高韧性结构用无缝钢管的金相组织图。

图2示出了本发明一个示例的样管拉绳断裂后的试样照片。

图3A示出了本发明一个示例的样管在侧弯试验后的试样照片。

图3B示出了本发明一个示例的样管在面弯、背弯试验后的试样照片。

图4A示出了本发明一个示例的样管在-20℃冲击试验结果的照片。

图4B示出了本发明一个示例的样管在-40℃冲击试验结果的照片。

具体实施方式

在下文中，将结合具体的示例来详细说明本发明的示例性实施例。

在本发明的一个示例性实施例中，高强高韧性结构用无缝钢管的制造方法包括钢水冶炼、连铸和轧管机组轧制的步骤，其中，所述钢水冶炼步骤得到目标钢水，且所述目标钢水的成分按重量百分比计由C：0.14～0.18%、Si：0.20～0.50%、Mn：0.90～1.30%、P≤0.020%、S≤0.010%、Cr：0.20～1.00%、Mo：0.20～0.80%、Ni：0.90～1.50%、V：0.02～0.10%、Nb≤0.05%、Al：0.015～0.050%、Cu≤0.35%、N≤0.020%、Ti≤0.05%以及余量的铁和不可避免的杂质组成；并且，所述制造方法还包括调质热处理步骤，所述调质热处理步骤在所述轧管机组轧制步骤后对钢管顺序进行淬火和回火处理，其中，淬火温度为920～960℃，回火温度为610～660℃。

1、钢管的化学成分组成

以下叙述在本发明中如上述地限定钢管化学成分组成的理由。

C：0.14～0.18%

C是确保钢强度的重要元素。为提高淬透性，以达到屈服强度大于890MPa的强度，C必须在0.14%以上。如C大于0.18%，则钢的塑性、韧性会下降，同时C含量较高会导致钢的焊接性能变差。因此，C的优选范围为0.14～0.17%，更加优选含量范围为0.14～0.16%。

Mn：0.90～1.30%

Mn对调质处理钢力学性能的影响主要通过提高钢的淬透性来达到。Mn含量低于0.90%，得不到预期强化效果，Mn含量大于1.30%，钢的塑性、韧性会下降，同时Mn含量较高会导致钢的焊接性能变差。

Cr：0.20～1.00%

Cr是能够提高淬透性，增加钢强度的元素，但其也有增加钢回火脆性的倾向，所以应与Mo等元素配合使用。其含量在0.20%以上时其效果能够明显体现，但是若添加过量会导致钢的塑性、韧性会下降，同时Cr含量较高会导致钢的焊接性能变差，所以其上限为1.0%。

Mo：0.20～0.80%

Mo可以起到提高钢的淬透性、提高热强性、防止回火脆性等作用。Mo含量在0.20%以上时其效果明显，但Mo含量较高会导致钢的焊接性能变差，且Mo属于贵重金属，因此上限设定为0.80%以下。

Ni：0.90～1.50%

Ni是形成和稳定奥氏体的主要合金元素，可以提高淬透性，改善钢的低温韧性，可以实现钢的高强韧性匹配。Ni在0.90%以上时其效果明显，但Ni价格昂贵，因此上限设定为1.50%以下。

V:0.02～0.10%

V在低合金钢中主要起到细化晶粒、提高韧性，增加钢的强度并抑制其时效作用等，V含量在0.02%以上作用明显，但是V含量超过0.10%，钢的韧性会降低，所以上限设定为0.10%以下。

Al:0.015～0.05%

Al是钢中主要脱氧元素和细化晶粒元素，为脱氧充分并晶粒细小，Al含量应大于0.015%，如Al含量超过0.05%，会导致钢中非金属夹杂物增加，或使韧性变差，因此其上限设定为0.05%以下。

P:≤0.020%

P是使韧性下降的杂质元素，优选尽可能地减少。如含量大于0.020%，钢韧性会明显下降，所以将上限设定为0.020%，优选0.015%以下，更优选0.010%以下。

S:≤0.010%

S是使韧性下降的杂质元素，优选尽可能地减少。如含量大于0.010%，钢韧性会明显下降，所以将上限设定为0.010%，优选0.008%以下，更优选0.005%以下。

2、淬火及回火热处理参数

淬火温度为920～960℃

淬火的主要目的是把奥氏体化的钢管全部淬为马氏体和贝氏体，以便在适当温度回火后能够获得钢管良好的力学性能。我们选定920℃为淬火温度下限主要基于材料本身特点和连续淬火炉、连续回火炉等设备条件决定的，如低于920℃，则会出现残余奥氏体较多或者碳化物溶解不充分等问题，影响淬火效果；而淬火温度高于960℃则会带来晶粒变粗和钢管表面质量差等问题，影响钢管的性能和质量。因此，淬火温度（即，开始进行淬火操作时的温度）范围为920～960℃，优选范围为920～950℃，更优选范围为920～940℃。

淬火冷却速度越大钢管越能够实现高强度、高韧性的匹配。必须的冷却强度，从850～500℃的平均冷却速度是10℃/秒以上，优选的是15℃/秒以上，更优选的是20℃/秒以上。

回火温度为610～660℃

调质钢回火主要目的是消除钢管淬火后的残余应力，并增加钢的塑性和韧性。回火温度低于610℃会导致抗张强度可能超过1110MPa或者延伸率小于14%；而回火温度大于660℃，则屈服强度可能低于890MPa。因此，将回火温度范围设定为610～660℃，优选范围为620～650℃，更优选范围为620～640℃。

3、金属组织

通过调整钢的化学成分和经过上述淬火、回火后，本发明的钢管具有均匀、单一的回火索氏体组织。图1示出了本发明的高强高韧性结构用无缝钢管的典型金相组织，由图1可知，该金相组织具有均匀、单一的回火索氏体组织。

4、制造方法

在一个示例性实施例中，高强高韧性结构用无缝钢管的制造方法可通过以下方式实现。

具体而言，示例性的工艺流程可以为：转炉冶炼→二次精炼→连铸→轧管机组轧制（例如，连轧159机组轧制）→调质热处理→探伤→精整→包装；或者转炉冶炼→二次精炼→连铸→轧管机组轧制（例如，连轧159机组轧制）→冷拔→调质热处理→探伤→精整→包装。此外，该示例性的工艺流程还可以包括：设置在连铸坯与轧管机组轧制之间的连铸坯加热工序（例如，环形炉加热），和/或设置在调质热处理与探伤之间的矫直工序。此外，轧管机组轧制包括穿孔工序，调质热处理包括淬火和回火工序。

其中，所述二次精炼可以为LF精炼炉加VD真空处理，或者可以为LF精炼炉加RH处理，并且连铸坯可以是规格为∮200mm或∮220mm圆连铸坯。

经过转炉冶炼和二次精炼后，得到的钢水的成分按重量百分比计由C：0.14～0.18%、Si：0.20～0.50%、Mn：0.90～1.30%、P≤0.020%、S≤0.010%、Cr：0.20～1.00%、Mo：0.20～0.80%、Ni：0.90～1.50%、V：0.02～0.10%、Nb≤0.05%、Al：0.015～0.050%、Cu≤0.35%、N≤0.020%、Ti≤0.05%以及余量的铁和不可避免的杂质组成。

轧制时，连铸坯加热工序可以将连铸坯的温度控制为1230～1240℃。

在调质热处理工艺中，淬火温度920～960℃（淬火时的冷却速度为15℃/秒以上，水温范围为10～35℃），回火温度为610～660℃。

表1示出了根据本发明示例性实施例的高强高韧性结构用无缝钢管的化学成分。

表1高强高韧性结构用无缝钢管的化学成分（重量百分比，即wt%）

示例	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	Ni	V	Nb	Al	Cu	N	Ti
															1	0.14	0.21	0.92	0.018	0.009	0.50	0.25	1.00	0.03	0.02	0.020	0.08	0.0065	0.02
2	0.16	0.35	1.15	0.012	0.004	0.75	0.55	1.25	0.05	0.03	0.032	0.09	0.0060	0.03
															3	0.18	0.46	1.25	0.013	0.005	0.95	0.76	1.43	0.08	0.04	0.040	0.08	0.0064	0.03

表2高强高韧性结构用无缝钢管的力学性能

注：表2中，普通区域表示钢管的未焊接区域的低温纵向冲击功，焊接区域表示钢管的焊缝或焊接热影响区等的低温纵向冲击功。

从表1及表2可以看出，本发明的无缝钢管的屈服强度不低于890MPa、抗张强度不低于960MPa、延伸率不低于14%、-20℃纵向冲击功不低于约55J、－40℃纵向冲击功不低于约47J，并且所述无缝钢管的焊接区域的－20℃纵向冲击功不低于约55J、－40℃纵向冲击功不低于约47J。

当高强高韧性结构用无缝钢管的化学成分在相应范围时，其对应的力学性能均满足材料要求。但可以看出，当材料化学成分加入偏下限时，其钢管强度也偏下限，其延伸率和冲击情况较好；当材料化学成分加入偏上限时，其钢管强度也偏上限，其延伸率和冲击情况相对较差。当材料化学成分加入控制在中限时，其钢管强度和延伸、冲击性能均良好，钢管综合性能良好。

将示例2的钢管样品（简称样管）委托中国石油天然气管道研究院材料测试中心进行焊接性评价，结果表明该钢管样品经焊接后，其室温拉伸检验合格，侧弯、面弯、背弯等弯曲试验合格，-20℃及-40℃低温冲击合格。

具体测试结果如下所示：

表3示出了示例2的样管室温拉伸试验结果。图2示出了示例2的样管拉绳断裂后的试样照片。

表3示例2的样管室温拉伸试验结果

表4示示例2的样管弯曲试验结果

表4示出了示例2的样管弯曲试验结果。

表5示出了示例2的样管冲击试验结果。图4A示出了示例2的样管在-20℃冲击试验结果的照片；图4B示出了示例2的样管在-40℃冲击试验结果的照片。

表5示例2的样管冲击试验结果

其结论为：经检验，该样品室温拉伸试验、弯曲试验、冲击试验的检验结果符合JB4708-2000《钢制压力容器焊接工艺评定》及委托方相应技术要求。

可见，本发明的无缝钢管具有良好的力学性能和焊接性能。

综上所述，本发明的高强高韧性结构用无缝钢管及其制造方法通过对钢管成分和加工工艺的改进，得到了具有高强度、高韧性（包括低温韧性）、焊接性能优良的结构用无缝钢管。

尽管上面已经结合示例性实施例描述了本发明高强高韧性结构用无缝钢管及其制造方法，但是本领域普通技术人员应该清楚，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。

Claims

1.一种高强高韧性结构用无缝钢管的制造方法，所述制造方法包括钢水冶炼、连铸、轧管机组轧制的步骤，其特征在于，

所述钢水冶炼步骤得到目标钢水，且所述目标钢水的成分按重量百分比计由C：0.14～0.18%、Si：0.20～0.50%、Mn：0.90～1.30%、P≤0.020%、S≤0.010%、Cr：0.20～1.00%、Mo：0.20～0.80%、Ni：0.90～1.50%、V：0.02～0.10%、Nb≤0.05%、Al：0.015～0.050%、Cu≤0.35%、N≤0.020%、Ti≤0.05%以及余量的铁和不可避免的杂质组成；

所述制造方法还包括调质热处理步骤，所述调质热处理步骤在所述轧管机组轧制步骤后对钢管顺序进行淬火和回火处理，其中，淬火温度为920～960℃，回火温度为610～660℃。

2.根据权利要求1所述的高强高韧性结构用无缝钢管的制造方法，其特征在于，所述淬火的冷却速度能够保证在从850℃至500℃的淬火过程中的平均冷却速度是10℃/秒以上。

3.一种高强高韧性结构用无缝钢管，其特征在于，所述无缝钢管采用如权利要求1或2所述的制造方法得到。

4.根据权利要求3所述的高强高韧性结构用无缝钢管，其特征在于，所述无缝钢管具有均匀、单一的回火索氏体组织。

5.根据权利要求3所述的高强高韧性结构用无缝钢管，其特征在于，所述无缝钢管的屈服强度不低于890MPa、抗张强度不低于960MPa、延伸率不低于14%、－20℃纵向冲击功不低于120J、－40℃纵向冲击功不低于75J，并且所述无缝钢管的焊接区域的－20℃纵向冲击功不低于55J、－40℃纵向冲击功不低于47J。