CN102851600A - 一种低温韧性优异的x65管线钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低温韧性优异的X65管线钢及其制造方法，其化学成分为：C 0.020％-0.055％、Si 0.10％-0.25％、Mn 1.50％-1.70％、Nb 0.060％-0.080％、Cr 0.20％-0.35％、V 0.020％-0.040％、Ti0.010％-0.020％、Als 0.015％-0.040％、P≤0.018％、S≤0.005％、N≤0.0060％，余量为铁和不可避免的杂质，且冷裂纹敏感系数Pcm≤0.17％。连铸板坯在500-850℃温度直接进行热装炉加热，连铸板坯经步进式加热炉加热至1140-1200℃，随后经粗轧及精轧机组两阶段控制轧制，粗轧温度为980-1100℃，精轧温度为750-960℃，终轧温度为750-850℃，随后板卷采用层流冷却方式以10-25℃/s的速度进行冷却，在450-550℃温度进行低温卷取。

Description

一种低温韧性优异的X65管线钢及其制造方法

技术领域

本发明属于金属材料高强度低合金钢领域，具体涉及一种低温韧性优异的X65钢级油气输送管道用管线钢及其热轧板卷的制造方法。

背景技术

随着近几年来输送石油天然气管道工程的飞速发展，X65级别管线钢作为管道工程特别是支线工程的常用钢种，市场前景十分广阔。但世界上原油、天然气等能源多集中在靠近极地的寒冷地带或者沙漠、深海等自然环境严酷的地域，从考虑输送管道的运营稳定性和安全性出发，特别是在长距离输送条件下，除对强度和韧性提出了更高的要求外，还要求管线管具有优异的低温韧性、焊接性以及耐腐蚀性。

目前世界绝大多数国家的石油、天然气输送管道工程用管线钢钢管均遵循美国石油协会API SPEC 5L规范，或以此为基础并根据具体的管线工程需要提出补充要求。此规范中焊管的低温韧性要求为O℃试验温度时，每个试验(一组二个试样)平均剪切面积应≥85％。这样的要求对于在自然条件严酷的区域下保证管线输送的安全是远远不够的。

本发明即在符合API SPEC 5L规范的基础上，低成本开发一种具有优异低温韧性的X65级管线钢热轧卷板，以适应国家能源发展战略，满足国家工程需求。在本发明之前，已有多个相关X65管线钢的专利及文献，以下简单介绍与本发明最为接近的几个。

专利1：中国专利CN200880007645.0，低温韧性优良的螺旋管用高强度热轧钢板及其制造方法。此专利在成分上含贵重元素Mo，且添加一定量的Cu，与本发明不同。

专利2：中国专利CN200710028175.3，一种低成本生产X65管线钢的方法。此专利中涉及一种薄规格低成本X65管线钢生产，由于过分强调低成本，Mn及Nb合金元素含量太低，冲击韧性低且没有低温韧性检测。

专利3：中国专利CN200910061568.3，低碳高铌铬系高强度高韧性管线钢卷及其制造方法。此专利中Nb含量高，且含Mo、Cu等元素，合金元素多，成本高，另外板坯厚，达200-300mm。

专利4：韩国专利KR20020027013(A)，Steel product for stressrelief heat treatment guaranteed API-X65 grade line pipes and method formanufacturing the same.(一种时效性能良好的API-X65管线管及其制造方法)此专利在Mn、Nb、V等合金元素选择范围上均与本发明不同，且添加一定量的贵重元素Mo，另外在轧制工艺温度参数选择范围上也多与本发明明显不同。

专利5：日本专利JP2005194607，High-strength steel sheet for linepipe superior in high-speed ductile fracture resistance，and manufacturingmethod therefor.(一种止裂韧性优异的高强度钢板及其制造方法)此专利涉及一种高强度高断裂韧性的API X65管线钢，但成分中添加Mo和少量的Mg，不添加Nb、V、Cr等元素，与本发明在合金系选择上明显不同。

专利6：俄罗斯专利：RU2353670(C1)，Method of candiesmanufacturing.(一种热轧钢板制造方法)此专利采用高C低Mn低Nb设计，同时添加Cr、Ni、Cu等多种合金元素，与本发明成分选择明显不同。

专利7：美国专利US2006201592(A1)，High-strength steel pipe ofAPI X65 grade or higher and manufacturing method therefor.(API X65及以上级别高强度钢管及其制造方法)这是日本JFE在美国公开的一项专利，具体涉及一种高强度且具有良好抗HIC性能的X65管线钢，成分中低Nb含Mo且无Cr，与本发明不同。

论文1：侯庆平，王旭生。本钢薄板坯连铸生产API X65管线钢。本钢技术，2007(4)：21-23。文中成分设计高C、低Mn、含Ni，工艺终轧及卷取工艺温度明显偏高，另外其性能检测均取45°方向(此方向性能优于30°方向)，以上均与本发明明显不同。

以上文献中公开的X65管线钢虽多数达到了高强度高韧性，但涉及低温韧性的不多，即使有，也多在-20℃以上温度检测，且基本依靠成分中添加贵重金属Mo，同时添加Ni、Cu等多种合金元素来实现，成本较高。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种低成本、具有优异低温韧性的API X65钢级管线钢热轧卷板及其制造方法。

本发明的技术方案之一是提出一种具有优异低温韧性的X65管线钢，其化学成分重量百分比为：C 0.020％-0.055％、Si 0.10％-0.25％、Mn  1.50％-1.70％、Nb 0.060％-0.080％、Cr 0.20％-0.35％、V0.020％-0.040％、Ti 0.010％-0.020％、Als 0.015％-0.040％、P≤0.018％、S≤0.005％、N≤0.0060％，余量为铁和不可避免的杂质，且冷裂纹敏感系数Pcm≤0.17％。

X65管线钢的成分设计思想是采用低碳C-Mn-Nb-Cr系合金设计，并适量加入V、Ti等微合金元素，结合热机械控制轧制生产工艺获得细小的针状铁素体组织，以保证管线钢具有高强度高韧性以及优良的低温韧性，其主要的基本元素和作用如下：

C：是钢中最经济、最基本的强化元素，通过固溶强化和析出强化对提高钢的强度有明显作用，但是提高C含量对钢的延性、韧性和焊接性有负面影响。本发明的碳含量为0.020％-0.055％，低碳保证管线钢具有良好低温韧性、良好焊接性能和抗氢致裂纹(HIC)性能。

Mn：通过固溶强化提高钢的强度，是管线钢中补偿因C含量降低而引起强度损失的最主要且最经济的强化元素。Mn还是扩大γ相区的元素，可降低钢的γ-α相变温度，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。本发明的锰含量为1.50％-1.70％，高锰促进针状铁素体形核，高Mn/C可提高钢材屈服强度和冲击韧性，降低韧脆转变温度。

Nb：是现代微合金化管线钢中最主要的元素之一，对晶粒细化的作用十分明显。通过热轧过程中NbC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的形变奥氏体组织在相变时转变为细小的相变产物，以使钢具有更高强度和高韧性。Nb还通过析出强化提高钢的强度，降低碳含量可以提高板坯再加热时Nb在高温奥氏体中的固溶度，可充分发挥随后控制轧制过程中Nb对晶粒细化和析出强化的作用，故本发明在低碳含量下，Nb控制在0.060％-0.080％。

Cr：能够有效提高淬透性，抑制多边形铁素体和珠光体的产生，促进在中温和低温区内形成晶内有大量位错分布的铁素体或贝氏体，与Nb组合使用，效果更显著，故本发明Cr控制在0.20％-0.35％。

V：在作为热卷制造工序的特征的卷取工序中，生成微细的碳氮化物，通过其析出强化有助于提高强度。但是如果添加量低于0.020％则效果不明显，添加量超过0.040％，不仅效果饱和，还有可能使现场焊接性降低。

Ti：是强的固N元素，Ti/N的化学计量比为3.42，利用0.02％左右的Ti就可固定钢中60ppm以下的N，在板坯连铸时可形成细小的高温稳定的TiN析出相。这种细小的TiN粒子可有效地阻碍板坯再加热时的奥氏体晶粒长大，有助于提高Nb在奥氏体中的固溶度，同时对改善焊接热影响区的冲击韧性有明显作用。

Pcm：控制冷裂纹敏感系数有利于保障产品的焊接性能，本发明的Pcm控制在≤0.17％。

本发明的技术方案之二是提出一种采用薄板坯连铸连轧工艺制造具有良好低温韧性X65管线钢热轧卷板的方法。其生产工艺流程：铁水预处理-转炉冶炼-炉外精炼(RH+LF+钙处理)-连铸-板坯加热-轧制-层流冷却-卷取。其特征是：

1)冶炼连铸工艺：铁水预处理，转炉冶炼——经顶吹或顶底复合吹炼，炉外精炼——经RH真空处理、LF炉轻脱硫处理及进行钙处理以控制夹杂物形态和提高钢的延展性、韧性和冷弯性能，板坯连铸制成连铸板坯——全程保护浇注，并投入动态轻压下，以减少连铸坯中心偏析，铸坯厚度200mm以下，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)轧制工艺：连铸板坯在500-850℃温度直接进行热装炉加热，连铸板坯经步进式加热炉加热至1140-1200℃，随后经粗轧及精轧机组两阶段控制轧制，粗轧温度为980-1100℃，精轧温度为750-960℃，终轧温度为750-850℃，随后板卷采用层流冷却方式以10-25℃/s的速度进行冷却，在450-550℃温度进行低温卷取。

本发明生产上述X65热轧板卷采用螺旋埋弧焊方式制成钢管，钢管管体的屈服强度为500-570MPa，抗拉强度590-670MPa，伸长率≥33％，屈强比＜0.88，-20℃夏比冲击功(3个试样)Akv≥300J，-40℃室温平均落锤撕裂试验(简称DWTT)剪切面积(2个试样)SA≥95％，硬度HV₁₀≤210，冷弯合格。

本发明技术方案的特别之处在于：1)合金设计简单、成本低，以低碳C-Mn-Nb-Cr系设计，并添加少量的V、Ti，贵重金属加入少，不添加Mo、Ni、Cu等合金元素，尤其是以Cr代Mo，大幅度降低合金成本。2)采用连铸板坯的厚度仅为135mm，采用短流程连铸连轧生产工艺，效率高，节省能源；3)产品综合性能优异，尤其是低温韧性，在-40℃下，落锤撕裂试验平均剪切面积≥95％。4)采用上述工艺生产的X65管线钢，可广泛应用于靠近极地的寒冷地带或者沙漠、深海等自然环境严酷的地域。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进一步说明：

这些实施例仅对本发明最佳实施方式的描述，但并不对本发明的范围有任何限制。表1为实施例钢的化学成分。其工艺流程为铁水预处理-转炉冶炼-炉外精炼(RH+LF+钙处理)-连铸-板坯加热-轧制-层流冷却-卷取，铸坯厚度为135mm或170mm，实施例钢具体工艺制度见表2。表3为实施例钢的力学性能。

表1实施例钢化学成分(wt，％)

编号	C	Si	Mn	P	S	Als	Cr	Nb	V	Ti	N	Pcm
													例1	0.046	0.15	1.64	0.014	0.0026	0.028	0.24	0.074	0.028	0.014	0.0029	0.15
例2	0.041	0.19	1.68	0.015	0.0031	0.026	0.29	0.073	0.031	0.017	0.0034	0.15
													例3	0.024	0.12	1.54	0.014	0.0024	0.018	0.32	0.077	0.025	0.015	0.0028	0.12
例4	0.032	0.21	1.60	0.016	0.0023	0.033	0.22	0.066	0.033	0.018	0.0027	0.13
													例5	0.053	0.18	1.58	0.015	0.0033	0.022	0.27	0.062	0.027	0.014	0.0030	0.15
例6	0.037	0.14	1.62	0.014	0.0028	0.030	0.29	0.070	0.030	0.012	0.0029	0.14

注：Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B.

表2实施例钢工艺制度

表3实施例钢力学性能

由表3可见，本发明生产的X65管线钢热轧板卷，具有良好的综合力学性能，尤其是具有优异的低温韧性，可广泛应用于极寒地带及自然条件严酷的区域。

Claims (2)

1.一种低温韧性优异的X65管线钢，其特征在于其化学成分重量百分比为：C 0.020％-0.055％、Si 0.10％-0.25％、Mn 1.50％-1.70％、Nb 0.060％-0.080％、Cr 0.20％-0.35％、V 0.020％-0.040％、Ti0.010％-0.020％、Als 0.015％-0.040％、P≤0.018％、S≤0.005％、N≤0.0060％，余量为铁和不可避免的杂质，且冷裂纹敏感系数Pcm≤0.17％。

2.一种根据权利要求1所述低温韧性优异的X65管线钢制造方法，生产工艺流程为铁水预处理-转炉冶炼-炉外精炼-连铸-板坯加热-轧制-层流冷却-卷取，其特征在于：炉外精炼经RH真空处理、LF炉轻脱硫处理及进行钙处理；板坯连铸采用全程保护浇注，并投入动态轻压下，铸坯厚度200mm以下；连铸板坯在500-850℃温度直接进行热装炉加热，连铸板坯经步进式加热炉加热至1140-1200℃，随后经粗轧及精轧机组两阶段控制轧制，粗轧温度为980-1100℃，精轧温度为750-960℃，终轧温度为750-850℃，随后板卷采用层流冷却方式以10-25℃/s的速度进行冷却，在450-550℃温度进行低温卷取。