CN103225047A - 厚度≥26.5mm的X80管线用钢及其生产方法 - Google Patents

Abstract

厚度≥26.5mm的X80管线用钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.020～0.034%、Si：0.21～0.40%、Mn：1.76～1.95%、P≤0.0120%、S≤0.0015%、Ni：0.10～0.30%、Mo：0.15～0.45%、Cr：0.25～0.45%、Cu：0～0.30%、Nb：0.025～0.055%、Ti：0.005～0.030%、Al：0.020～0.050%、N≤0.008%、Ca：0.0010～0.0050%；生产步骤：冶炼并连铸成坯；对铸坯加热；分两段粗轧；精轧；快速冷却；进行矫直。本发明不仅可以生产厚度大于26.4mm的钢板，还能显著提高厚度方向的组织、性能的均匀性，解决高钢级特厚规格管线钢板断裂韧性难以达到技术条件要求的难题；能够沿板厚方向获得细小、均匀的贝氏体/针状铁素体的单相组织，实现R_t0.5≥555MPa，R_m≥625MPa，R_t0.5/R_m≤0.85，延伸率≥40％，-20℃KV₂≥240J，-15℃DWTTSA≥85％。

Description

厚度≥26.5mm的X80管线用钢及其生产方法

技术领域

本发明涉及管线用钢及其生产方法，具体的属于一种适用于长输管道主干线在人口及建筑群密集的二、三类地区建设所需的具有高强度、高韧性和良好焊接性能、管径达到1219mm甚至1422mm的厚度≥26.5mm的X80管线钢及其生产方法。

背景技术

随着世界经济的高速发展，对石油、天然气等能源资源的需求与日俱增，石油、天然气长输管道的建设得到蓬勃发展。为提高长输管道的输送效率和运营经济性，近年来，管道的输送压力和管径不断增加，目前正在施工的俄罗斯Bovanenkovo – Uhta 管道、我国西气东输三线、中亚管道和已完成规划的美国阿拉斯加管线、我国新粤浙线等国内外重大长输管道工程主干线均采用12MPa的高压，管径达到1219mm甚至1422mm。为保障这类高压长输管道运行的安全性，二、三类地区的管线钢板的厚度将达到26.4mm甚至30mm以上，部分地区的钢板厚度甚至达到近40mm。随着钢板厚度的增加，保证其具有良好的低温断裂韧性和组织性能的均匀性成为严峻的挑战，而如何改善高钢级厚规格管线钢的低温断裂韧性一直是世界范围内管线钢开发的技术难题。

在本发明专利之前，专利申请号为200910081482.7的中国专利文献“一种无Mo低Nb X80管线钢热轧钢板的制造方法”公开了一种采用低C、高Mn、无Mo、低Nb、少量添加Ni、Cr等合金元素的成分设计，结合TMCP工艺制造高钢级X80热轧钢板的方法。其存在的不足是淬透性能较差，仅适用于生产厚度在20mm及以下规格管线钢板，无法满足厚度在26mm以上保证在钢板厚度方向上金相组织及性能均匀性的要求。

中国专利申请号为200910048140.5的专利文献公开了“一种X80管线钢用宽厚板及其制造方法”，其采用低C、高Mn、低Mo、高Nb、高Cr，少量添加Cu、Ni等合金元素的成分设计，结合TMCP工艺生产X80管线钢宽厚板的方法。该文献为低Mo的成分设计，且轧后冷却速度较低（15℃/s），而终冷温度较高（即在400～600℃），其存在的不足仍为同样难以实现特厚规格管线钢板厚度方向上的组织、性能均匀性和高断裂韧性的性能要求。

中国专利申请号为CN201080029455.6的专利文献，其公开了一种“低温韧性优异的高强度管线管用焊接钢管及其制造方法”，其采用超低C（0.01~0.05%）、超低Al(≤0.02%）、无Mo、加B（0.0003～0.0030%），适量添加Mn、Ti等合金元素的成分设计，结合TMCP工艺生产铁素体＋贝氏体双相组织的厚规格X80管线钢板。该文献存在的不足仍然是难以实现特厚规格管线钢板厚度方向上的组织、性能均匀性，且超低Al的成分设计在生产中难以控制，极易导致钢水严重过氧化，不利于大规模批量生产。

发明内容

本发明的目的是在于克服在生产厚度≥26.5mm的X80管线钢板厚方向金相组织、性能不均匀、断裂韧性难以达到要求的不足，提供一种具有高强度低温韧性-20℃ KV₂≥240J，-15℃ DWTT SA≥85％，R_t0.5/R_m≤0.88，A_50mm≥40％，适用长输管道在二、三类地区铺设的特厚规格X80管线钢板及其生产方法。

实现上述目的的措施：

厚度≥26.5mm的X80管线用钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.020～0.034%、Si：0.21～0.40%、Mn：1.76～1.95%、P≤0.0120%、S≤0.0015%、Ni：0.10～0.30%、Mo：0.15～0.45%、Cr：0.25～0.45%、Cu：0～0.30%、Nb：0.025～0.055%、Ti：0.005～0.030%、Al：0.020～0.050%、N≤0.008%、Ca：0.0010～0.0050%，余量为Fe及不可避免的夹杂；同时满足：Ca/S=1.5~3.0， Pcm= C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Mo/15+Ni/60+V/10+5B≤0.23%；-20℃ KV₂≥240J，-15℃ DWTT SA≥85％，R_t0.5/R_m≤0.88，延伸率A_50mm≥40％。

生产厚度≥26.5mm的X80管线用钢的方法，其步骤为：

1）冶炼并连铸成坯；

2）对铸坯加热，控制加热温度在1070～1130℃；

3）分两段进行粗轧：控制第一粗轧阶段的轧制温度在1050～1110℃，每道次压下率不低于10%；控制第二粗轧阶段的轧制温度在980～1030℃，每道次压下率不低于15%；并控制累计压下率不低于60%；

4）进行精轧，控制精轧温度在780～860℃，累计压下率不低于65%；

5）进行快速冷却，控制冷却速度在20～45℃/S，终冷温度小于200℃；

6）进行矫直，在矫直前停留55～65S。

本发明中各元素的作用机理如下：

碳（C）含量为0.020～0.034％，加入一定量的碳，可以大幅提高钢的强度，但对特厚规格管线钢板，为尽可能减少铸坯凝固过程中产生的中心碳偏析，改善钢坯洁净度，提高板坯厚度方向的组织均匀性和成品板材的断裂韧性，采用超低碳的成分设计，将碳含量限定为0.020～0.034％。

硅（Si）含量为0.21～0.40％，主要起固溶强化作用，同时避免因添加过量硅导致钢的塑、韧性显著恶化。

锰（Mn）含量为1.76～1.95％，加入较高的经济合金化元素锰，可以显著提高钢的强度，此外，锰还可以在一定程度上细化晶粒，改善钢的冲击韧性，但是过量的锰易形成偏聚，导致钢的成分和组织不均。

铌（Nb）含量为0.025～0.055％，铌可以显著提高钢的奥氏体再结晶温度，扩大未再结晶区范围，便于实现高温控轧，降低轧机负荷，同时铌还可以抑制奥氏体晶粒长大，具有显著的细晶强化和析出强化作用。但是在高强度贝氏体钢中，添加过量的铌会促进M-A岛的生成，降低焊接热影响区的韧性，因此，将铌的含量限定为0.025～0.055％。

钛（Ti）含量为0.005～0.030％，钛与铌在钢中的作用类似，有较强的细晶强化和析出强化作用，微量的钛还可以在高温下与碳、氧结合，形成高温难熔的析出物，有利于抑制焊接热影响区的奥氏体晶粒长大，显著改善焊接热影响区的韧性。

钼（Mo）含量为0.15～0.45％，钼显著推迟γ→α转变，抑制铁素体和珠光体形核，促进具有高密度位错亚结构的贝氏体/针状铁素体的形成，使得钢在轧后一个较宽的冷速范围内得到贝氏体/针状铁素体组织。对于特厚规格高钢级管线钢，将Mo含量控制在较高水平，这样在轧后控冷的过程中，即便特厚规格管线钢板的表层和心部冷却速率差异较大，仍然能够获得较为一致的贝氏体/针状铁素体组织，显著改善特厚规格管线钢板板厚方向的组织、性能均匀性。

镍（Ni）含量为0.10～0.30％，镍能够有效提高钢的淬透性，具有一定的固溶强化作用，还能显著改善钢的低温韧性。此外，镍还能有效阻止Cu的热脆性引起的网裂，并显著提高钢的耐腐蚀性能。但镍与钼类似，属于贵重金属，易导致钢的制造成本大幅提高，此外，过高的镍含量易造成钢板氧化铁皮难以去除，导致钢板表面质量问题。

铬（Cr）的含量为0.25～0.45％，铬能有效提高钢的淬透性，并具有较强的固溶强化作用，且价格低廉，能够有效替代Mo、Ni等贵重合金元素，降低生产成本，此外，加入一定量的铬还能改善钢的耐候性能，显著提高管线钢的抗硫化氢应力腐蚀性能。但Cr含量超过一定量时，钢的低温断裂韧性显著下降，因此，通过多次试验研究，将Cr含量严格限定在0.25～0.45％的范围。

铜（Cu）的含量为0～0.30%，适量添加铜元素，提高钢的强度和淬透性，并能改善钢的耐候、耐腐蚀性能。但铜为低熔点金属，易引起热脆，添加过量对钢的低温韧性不利。

铝（Al）的含量为0.020～0.050％，铝是钢中主要的脱氧元素，能够显著降低钢中的氧含量，同时铝与氮的结合形成AlN，能够有效地细化晶粒。但是钢中铝含量超过一定量时，易导致铝的氧化物夹杂明显增加，降低钢的洁净度，对钢的低温韧性不利。

钙（Ca）的含量为0.0010～0.0050％，在二次精炼过程中对钢进行钙处理，可以改善钢中的夹杂物形态，显著提高钢的横向冲击韧性。

磷（P）、硫（S）、氮（N）含量分别为：[%P] ≤0.012，[%S] ≤0.0015，[%N] ≤0.008。磷易导致钢的冷脆，硫易引起热脆，而氮易引起钢的淬火失效和形变失效，导致钢的性能不稳定，因此应尽量降低钢中的磷、硫、氮的含量。

Ca/S=1.5~3.0，严格控制钢中的钙硫比，有利于对钢中夹杂物进行变性处理，改善钢的各项异性，同时防止Ca含量加入过高导致夹杂物含量升高。

焊接冷裂纹敏感性系数Pcm≤0.23％，以保证钢具有良好的焊接性能。

本发明中主要工艺作用如下：

本发明之所以将铸坯加热温度在1070～1130℃，是因为是因为通过理论计算和多次实验室试验研究，在1070℃以上，钢种的微合金碳/氮化合物能够充分固熔，且加热温度超过1130℃时，原奥氏体晶粒急剧长大，因此严格限定铸坯加热温度区间。

之所以将终冷温度控制在不超过200℃，终冷温度控制小于200℃时，能够有效提高本发明钢的强度，充分细化和韧化成本组织，获得理想的强、塑、韧性匹配。

本发明与现有技术相比，采用较经济的成分设计和较简便的生产工艺，可以显著提高特厚规格管线钢板厚度方向的组织、性能均匀性，解决高钢级特厚规格管线钢板断裂韧性难以达到技术条件要求的难题。试验和生产检验结果表明，通过组分及含量和生产工艺的控制，能够沿板厚方向获得理想的细小、均匀的贝氏体/针状铁素体的单相组织，可以实现特厚规格X80管线钢板所要求的优异的强、塑、韧性匹配，钢板的屈服强度（R_t0.5）≥555MPa，抗拉强度（R_m）≥625MPa，屈强比（R_t0.5/R_m）≤0.85，延伸率（A_50mm）≥40％，-20℃ KV₂≥240J，-15℃ DWTT SA≥85％。

附图说明

图1为本发明钢板板厚方向表层的金相组织图；

图2为本发明钢板板厚方向1/4处的金相组织图；

图3为本发明钢板板厚方向心部的金相组织图。

具体实施方式

下面对本发明予以详细描述：

实施例1

一种厚度规格为26.4mm的X80管线钢板，其化学成分及重量百分比为：C：0.034%、Si：0.31%、Mn：1.95%、P：0.012%、S：0.0014%、Ni：0.20%、Mo：0.15%、Cr：0.34%、Cu：0.20%、Nb：0.026%、Ti：0.015％、Al：0.021%、N：0.0070%、Ca：0.0034%，余量为Fe及不可避免的夹杂；Ca/S=2.43，焊接冷裂纹敏感性系数Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Mo/15+Ni/60+V/10+5B＝0.183%。

生产工艺步骤：

1）冶炼并连铸成坯；

2）将钢坯加热至1130℃；

3）钢坯出炉后进行第一粗轧阶段，其开轧温度为1108℃，粗轧各道次压下率11%，第一粗轧阶段结束温度为1084℃；

第一粗轧阶段结束后待温度降至1028℃开始进行第二粗轧阶段，单道次压下率为16％，第二粗轧阶段终轧温度1012℃；

粗轧累计压下率为60％；

4）粗轧结束后待温度降至860℃开始精轧，精轧结束温度为826℃，精轧累计压下率为72.5％；

5）精轧结束后立即进行超快速冷却，终冷温度为187℃，冷却速率为44.5℃/s；

6）进行矫直空，在矫直前停留60s。

实施例2：

一种厚度规格为33mm的X80管线钢板，其化学成分及重量百分比为：C：0.031%、Si：0.39%、Mn：1.90%、P：0.011%、S：0.0010%、Ni：0.16%、Mo：0.24%、Cr：0.44%、Cu：0.12%、Nb：0.049%、Ti：0.009％、Al：0.035%、N：0.0060%、Ca：0.0023%，余量为Fe及不可避免的夹杂；Ca/S=2.30，焊接冷裂纹敏感性系数Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Mo/15+Ni/60+V/10+5B＝0.185%。

生产工艺步骤：

1）冶炼并连铸成坯；

2）将钢坯加热至1119℃；

3）钢坯出炉后进行第一粗轧阶段，其开轧温度为1098℃，各道次压下率为12%，第一粗轧阶段结束温度为1073℃；

第一粗轧阶段结束后待温度降至1025℃开始进行第二阶段粗轧，每道次压下率为15％，第二粗轧阶段终轧温度1008℃；

粗轧累计压下率为60％；

4）粗轧结束后待温度降至852℃开始精轧，精轧结束温度为817℃，精轧累计压下率为67％；

5）进行快速冷却，终冷温度为176℃，冷却速率为38.3℃/s；

6）进行矫直空，在矫直前停留55s。

实施例3

一种厚度规格为33mm的X80管线钢板，其化学成分及重量百分比为：C：0.028％、Si：0.25％、Mn：1.84％、P：0.009％、S：0.0008％、Ni：0.10％、Mo：0.31％、Cr：0.29％、Cu：0.03％、Nb：0.042％、Ti：0.006％、Al：0.028％、N：0.0060％、Ca：0.0018％，余量为Fe及不可避免的夹杂；Ca/S=2.25，焊接冷裂纹敏感性系数Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Mo/15+Ni/60+V/10+5B＝0.165%。

生产工艺步骤：

1）冶炼并连铸成坯；

2）将钢坯加热至1112℃；

3）钢坯出炉后进行第一粗轧阶段，其开轧温度为1092℃，粗轧各道次压下率为10.5%，第一粗轧阶段结束温度为1068℃；

第一粗轧阶段结束后待温度降至1023℃开始进行第二粗轧阶段，每道次压下率为16％，第二粗轧阶段终轧温度1005℃；

粗轧累计压下率为63.3％；

4）粗轧结束后待温至848℃开始精轧，精轧结束温度为812℃，精轧累计压下率为70％；

5）进行快速冷却，终冷温度为178℃，冷却速率为36.2℃/s；

6）进行矫直空，在矫直前停留58s。

实施例4

一种厚度规格为35mm的X80管线钢板，其化学成分及重量百分比为：C：0.025％、Si：0.21％、Mn：1.79％、P：0.010％、S：0.0013％、Ni：0.30％、Mo：0.38％、Cr：0.25％、Cu：0.29％、Nb：0.035％、Ti：0.028％、Al：0.049％、N：0.0050％、Ca：0.0038％，余量为Fe及不可避免的夹杂；Ca/S=2.92，焊接冷裂纹敏感性系数Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Mo/15+Ni/60+V/10+5B＝0.177%。

生产工艺步骤：

1）冶炼并连铸成坯；

2）将钢坯加热至1096℃；

3）钢坯出炉后进行第一粗轧阶段，其开轧温度为1081℃，粗轧各道次压下率为10%，第一粗轧阶段结束温度为1062℃；

第一粗轧阶段结束后待温度降至1015℃开始进行第二粗轧阶段，每道次压下率为17％，第二粗轧阶段终轧温度997℃；

粗轧累计压下率为60％；

4）粗轧结束后待温度降至840℃开始精轧，精轧结束温度为806℃，精轧累计压下率为70.8％；

5）进行快速冷却，终冷温度为193℃，冷却速率为28.8℃/s；

6）进行矫直空，在矫直前停留62s。

实施例5：

一种厚度规格为38.5mm的X80管线钢板，其化学成分及重量百分比为：C：0.021％、Si：0.22％、Mn：1.76％、P：0.007％、S：0.0005％、Ni：0.24％、Mo：0.45％、Cr：0.27％、Cu：0.15％、Nb：0.055％、Ti：0.020％、Al：0.037％、N：0.0050％、Ca：0.0014％，余量为Fe及不可避免的夹杂；Ca/S=2.80，焊接冷裂纹敏感性系数Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Mo/15+Ni/60+V/10+5B＝0.171%。

生产工艺步骤：

1）冶炼并连铸成坯；

2）将钢坯加热至1085℃；

3）钢坯出炉后进行第一粗轧阶段，其开轧温度为1067℃，粗轧各道次压下率为11.5%，第一粗轧阶段结束温度为1050℃；

第一粗轧阶段结束后待温度降至1010℃开始进行第二粗轧阶段，每道次压下率为15.5％，第二粗轧阶段终轧温度989℃；

粗轧累计压下率为60％；

4）粗轧结束后待温度降至835℃开始精轧，精轧结束温度为797℃，精轧累计压下率为68.3％；

5）进行快速冷却，终冷温度为184℃，冷却速率为20.3℃/s；

6）进行矫直空，在矫直前停留留65s。

实施例6：

一种厚度规格为37.9mm的X80管线钢板，其化学成分及重量百分比为：C：0.032％、Si：0.25％、Mn：1.87％、P：0.008％、S：0.0007％、Ni：0.18％、Mo：0.35％、Cr：0.32％、Cu：0.17％、Nb：0.048％、Ti：0.017％、Al：0.026％、N：0.0060％、Ca：0.0011％，余量为Fe及不可避免的夹杂；Ca/S=1.57，焊接冷裂纹敏感性系数Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Mo/15+Ni/60+V/10+5B＝0.185%。

生产工艺步骤：

1）冶炼并连铸成坯；

2）将钢坯加热至1071℃；

3）钢坯出炉后进行第一粗轧阶段，其开轧温度为1055℃，粗轧各道次压下率为13%，第一粗轧阶段结束温度为1040℃；

第一粗轧阶段结束后待温度降至1008℃开始进行第二粗轧阶段，每道次压下率为15％，第二粗轧阶段终轧温度983℃；

粗轧累计压下率为60％；

4）粗轧结束后待温度降至830℃开始精轧，精轧结束温度为782℃，精轧累计压下率为68.3％；

5）进行快速冷却，终冷温度为191℃，冷却速率为24.6℃/s；

6）进行矫直空，在矫直前停留61s。

表1为各实施例的性能检测统计表。

表1  各实施例的横向主要性能检测统计表

上述实施例仅为最佳例举，而并非是对本发明的实施方式的限定。

Claims (2)

1.厚度≥26.5mm的X80管线用钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.020～0.034%、Si：0.21～0.40%、Mn：1.76～1.95%、P≤0.0120%、S≤0.0015%、Ni：0.10～0.30%、Mo：0.15～0.45%、Cr：0.25～0.45%、Cu：0～0.30%、Nb：0.025～0.055%、Ti：0.005～0.030%、Al：0.020～0.050%、N≤0.008%、Ca：0.0010～0.0050%，余量为Fe及不可避免的夹杂；同时满足：Ca/S=1.5~3.0， Pcm= C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Mo/15+Ni/60+V/10+5B≤0.23%；-20℃ KV₂≥240J，-15℃ DWTT SA≥85％，R_t0.5/R_m≤0.88，延伸率A_50mm≥40％。

2.生产权利要求1所述的厚度≥26.5mm的X80管线用钢的方法，其步骤为：

1）冶炼并连铸成坯；

2）对铸坯加热，控制加热温度在1070～1130℃；

3）分两段进行粗轧：控制第一粗轧阶段的轧制温度在1050～1110℃，每道次压下率不低于10%；控制第二粗轧阶段的轧制温度在980～1030℃，每道次压下率不低于15%；并控制累计压下率不低于60%；

4）进行精轧，控制精轧温度在780～860℃，累计压下率不低于65%；

5）进行快速冷却，控制冷却速度在20～45℃/S，终冷温度小于200℃；

6）进行矫直，在矫直前停留55～65S。

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