CN103233185B - 一种x100管线用钢及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
一种X100管线用钢，其组分及重量百分比含量：C：0.035～0.065％、Si：0.15～0.40％、Mn：1.90～2.30％、P：≤0.012％、S：≤0.0015％、Nb：0.030～0.060％、V：0.030~0.055%、Ti：0.010～0.025％、Cu：0.15～0.35％、Cr：0.30～0.60％、Ni：0.15～0.30％、Al：0.020％～0.050％、B：0.0008～0.0025％、N：≤0.0080％，Ni/Cu≥0.5；步骤：冶炼并连铸成坯；对铸坯加热；粗轧；精轧；快速冷却；进行矫直。本发明采用了无Mo、低Nb、低Ni成分设计和较简便的工艺，不仅可以显著降低生产成本，也能避免采用空冷驰豫、三阶段轧制等复杂的工序，还能够获得贝氏体+少量弥散分布的M-A组织，实现钢板的RP0.2≥690MPa，Rm≥760MPa，RP0.2/Rm≤0.90，延伸率≥24％，-20℃KV2≥230J，-15℃DWTT SA≥85％。
Description
技术领域
本发明涉及管线用钢及其生产方法，具体地属于一种适用于长输管道主干线具有高强度、高韧性和良好焊接性能，且生产成本低廉的X100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行的经济性，近年来，管道的输送压力和管径不断增加，为保障高压长输管道运行的安全性，对所使用的管线钢材料的强度和断裂韧性的要求也不断提高，超高强度高韧性管线钢在未来长输管道中的大规模工程应用已成为必然。同时，为降低超高强度管线钢的成分设计和生产成本，本发明提供一种经济型超高强度高韧性X100管线钢板及其制造方法。
在本发明专利之前，专利申请号为200510111857.1的中国发明专利“超高强度X100管线钢及其热轧板制造方法”阐述了一种采用低碳、高锰、高Mo、Ni、Nb，并根据需要适量添加V、Cu、Cr、B等合金元素的成分设计，采用传统TMCP工艺生产超高强度X100管线钢板的方法，该专利成分范围太过宽泛（Ni≤1.5%、Cr≤1.0%、Ca≤0.01％、V≤0.120%等），无法确定该成分体系是否能够满足超高强度X100管线钢的性能要求，对实际生产亦无任何参考价值，不适用于超高强度X100管线钢的生产，且添加较高含量的Nb、Mo等贵重合金元素，经济性较差。
专利申请号为201110062241.5的中国发明专利“超高强度X100管线钢及其生产方法”阐述了一种采用低C、高Mn、高Nb、高Mo、Ni、cr，适量添加Cu、V等合金元素的成分设计，结合常规TMCP工艺生产X100级管线钢板的方法。该生产方法能够达到X100级管线钢的高强度、高韧性和良好的焊接性能，但添加较高含量的Nb、Mo、Ni等贵重金属，合金设计成本较高，不利于实现规模化生产。
专利申请号为201010541219.4的中国发明专利“一种X100抗大变形管线钢及其制造工艺”阐述了一种采用低C、高Mn、Nb、Mo，并适量添加Cu、Ni的合金设计，结合控制轧制＋空冷驰豫＋层流加速冷却的TMCP工艺生产X100级管线钢板的方法。该种成分设计和制造工艺生产的X100级管线钢具有良好的抗变形能力，但由于轧后需要空冷驰豫，精确控制困难、生产效率较低，且添加较高含量的Nb、Mo等贵重合金，生产成本较高，不利于实现规模化生产。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述文献中描述的X100级管线钢生产成本高、生产效率低、精确控制困难等不足，提供一种在各项主要力学性能指标达到：RP0.2≥690MPa，Rm≥760MPa，RP0.2/Rm≤0.90，延伸率（A50mm）≥24％，-20℃ KV2≥230J，-15℃ DWTT SA≥85％的前提下，制造成本较低,适用于高压长输管道主干线建设的X100管线用钢及其生产方法。
实现上述目的的措施：
一种X100管线用钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.035～0.065％、Si：0.15～0.40％、Mn：1.90～2.30％、P：≤0.012％、S：≤0.0015％、Nb：0.030～0.060％、V：0.030~0.055%、Ti：0.010～0.025％、Cu：0.15～0.35％、Cr：0.30～0.60％、Ni：0.15～0.30％、Al：0.020％～0.050％、B：0.0008～0.0025％、N：≤0.0080％，Ni/Cu≥0.5，Cr+Cu+Ni≤1.1％，其余为Fe和不可避免的杂质。
生产一种X100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1080～1150℃；
3）进行粗轧：控制粗轧温度在980～1110℃，每道次压下率不低于8%；
4）进行精轧，控制精轧温度在780～920℃，累计压下率不低于75%；
5）进行快速冷却，控制冷却速度在42～70℃/S，终冷温度350～500℃；
6）进行矫直，在矫直前停留40～60S。
本发明中各元素的作用机理如下：
碳（C）含量为0.035～0.065％，加入一定量的碳，可以大幅提高钢的强度，但是碳含量超过一定程度时，钢的低温韧性显著恶化，因而将碳含量限定为0.035～0.065％。
硅（Si）含量为0.15～0.40％，主要起固溶强化作用，同时避免因添加过量导致钢的塑、韧性显著恶化。
锰（Mn）含量为1.90～2.30％，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0.030～0.060％，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，且Nb属于贵重金属，增加含量会显著提高合金设计成本，因此，将铌的含量控制在较低水平。
钒（V）含量为0.030～0.055％，钒可以补充铌析出强化的不足，还可以在一定程度上改善钢的焊后韧性。但由于钒具有较强的沉淀强化和较弱的细晶强化作用，加入过量的钒易导致钢的韧脆转变温度提高，因此将钒的含量控制在较低的含量水平。
钛（Ti）含量为0.010～0.025％，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。
镍（Ni）含量为0.15～0.30％，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0.30～0.60％，铬能显著提高钢的淬透性，并具有一定的固溶强化作用，可以在很大程度上替代贵重合金元素Mo、Ni。此外，加入一定的铬还能改善钢的耐候、耐腐蚀性能，但加入过量，易导致钢的韧脆转变温度温度显著上升。
铜（Cu）的含量为0.15~0.35%，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0.05％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。
硼（B）的含量为0.0008～0.0025%，加入微量的B可以显著抑制铁素体在奥氏体晶界上的形核，同时还使贝氏体转变曲线变得扁平，从而即使在低碳的情况下在一个较大的冷速范围内也能得到贝氏体组织，使管线钢达到很高的强度级别。但加入量达到一定程度后，B的作用达到饱和，且容易导致钢质脆化，因此将硼的含量控制在0.0008～0.0025％。
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。
此外，保证Ni/Cu≥0.5，让低熔点的Cu与Ni形成熔点较高的完全固溶体，防止低熔点Cu引起的热脆。
保证Cr+Cu+Ni≤1.1％，严格控制铬、铜、镍等合金含量总量，降低合金成本，保证钢板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1080～1150℃，是因为通过理论计算和多次实验室试验研究，在1080℃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1150℃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。
之所以将轧后冷却速度控制在42～70℃/s，是因为通过热力学计算和充分的试验研究表明，此冷却速度区间能够有效避开铁素体、珠光体转变，同时能够显著细化成品组织；终冷温度控制在350～500℃，一方面可以获得强韧性匹配优良的下贝氏体组织，另一方面保持较高的终冷温度，可以通过钢板的控冷后自回火降低钢板内部残余应力，增加微合金元素碳/氮化合物的析出量，显著提高钢板的强度。
本发明与现有技术相比，采用了无Mo、低Nb、低Ni成分设计和较简便的生产工艺，不仅可以显著降低超高强度X100管线钢的生产成本，也可以避免采用空冷驰豫、三阶段轧制等复杂的生产工序，提高生产效率。而且还能够获得理想的贝氏体+少量弥散分布的M-A组织，可以实现X100级管线钢板的超高强度、高断裂韧性、高塑性的良好匹配，钢板的屈服强度（RP0.2≥690MPa），抗拉强度（Rm）≥760MPa，屈强比（RP0.2/Rm）≤0.90，延伸率（A50mm）≥24％，-20℃ KV2≥230J，-15℃ DWTT SA≥85％。
具体实施方式
下面对本发明予以详细描述：
实施例1：
一种经济型超高强度高韧性X100管线钢板，其化学成分及重量百分比为：C：0.035、Si：0.21、Mn：2.18、P：0.010、S：0.0009、Nb：0.046、V：0.041、Ti：0.016、Cu：0.20、Cr：0.58、Ni：0.21、Al：0.031、N：0.0071、B：0.0015，余量为Fe及不可避免的夹杂。
生产工艺步骤：
1）冶炼并连铸成坯；
2）将钢坯加热至1082℃；
3）钢坯出炉后进行粗轧，其开轧温度为1065℃，粗轧各道次压下率≥8%，粗轧结束温度为1052℃；
4）粗轧结束后待温至918℃开始进行精轧，精轧结束温度为836℃，精轧累计压下率为83.3％；
5）钢板精轧结束后立即进行超快速冷却，终冷温度为352℃，冷却速率为:42.5℃/s；
6）进行矫直，在矫直前停留50S。
实施例2：
一种经济型超高强度高韧性X100管线钢板，其化学成分及重量百分比为：C：0.041、Si：0.39、Mn：2.29、P：0.011、S：0.0014、Nb：0.051、V：0.045、Ti：0.010、Cu：0.34、Cr：0.37、Ni：0.30、Al：0.020、N：0.0063、B：0.0021，余量为Fe及不可避免的夹杂。
生产工艺步骤：
1）冶炼并连铸成坯；
2）将钢坯加热至1099℃；
3）钢坯出炉后进行粗轧，其开轧温度为1078℃，粗轧各道次压下率≥8%，粗轧结束温度为1063℃；
4）粗轧结束后待温至912℃开始进行精轧，精轧结束温度为829℃，精轧累计压下率为80％；
5）钢板精轧结束后立即进行超快速冷却，终冷温度为387℃，冷却速率为56.2℃/s；
6）进行矫直，在矫直前停留45s。
实施例3：
一种经济型超高强度高韧性X100管线钢板，其化学成分及重量百分比为：C：0.046、Si：0.27、Mn：2.10、P：0.008、S：0.0010、Nb：0.060、V：0.032、Ti：0.019、Cu：0.15、Cr：0.43、Ni：0.16、Al：0.044、N：0.0055、B：0.0024，余量为Fe及不可避免的夹杂。
生产工艺步骤：
1）冶炼并连铸成坯；
2）将钢坯加热至1122℃；
3）钢坯出炉后进行粗轧，其开轧温度为1098℃，粗轧各道次压下率≥8%，粗轧结束温度为1075℃；
4）粗轧结束后待温至905℃开始进行精轧，精轧结束温度为818℃，精轧累计压下率为77.5％；
5）钢板精轧结束后立即进行超快速冷却，终冷温度为497℃，冷却速率为46.8℃/s；
6）进行矫直，在矫直前停留40s。
实施例4：
一种经济型超高强度高韧性X100管线钢板，其化学成分及重量百分比为：C：0.052、Si：0.18、Mn：2.03、P：0.008、S：0.0008、Nb：0.038、V：0.039、Ti：0.013、Cu：0.28、Cr：0.30、Ni：0.19、Al：0.050、N：0.0048、B：0.0008，余量为Fe及不可避免的夹杂。
生产工艺步骤：
1）冶炼并连铸成坯；
2）将钢坯加热至1131℃；
3）钢坯出炉后进行粗轧，其开轧温度为1104℃，粗轧各道次压下率≥8%，粗轧结束温度为1081℃；
4）粗轧结束后待温至885℃开始进行精轧，精轧结束温度为792℃，精轧累计压下率为75.3％；
5）钢板精轧结束后立即进行超快速冷却，终冷温度为449℃，冷却速率为69.5℃/s；
6）进行矫直，在矫直前停留60s。
实施例5：
一种经济型超高强度高韧性X100管线钢板，其化学成分及重量百分比为：C：0.065、Si：0.34、Mn：1.91、P：0.007、S：0.0005、Nb：0.031、V：0.055：Ti：0.024、Cu：0.24、Cr：0.48、Ni：0.25、Al：0.038、N：0.0075、B：0.0023，余量为Fe及不可避免的夹杂。
生产工艺步骤：
1）冶炼并连铸成坯；
2）将钢坯加热至1148℃；
3）钢坯出炉后进行粗轧，其开轧温度为1120℃，粗轧各道次压下率≥8%，粗轧结束温度为1102℃；
4）粗轧结束后待温至910℃开始进行精轧，精轧结束温度为824℃，精轧累计压下率为75％；
5）钢板精轧结束后立即进行超快速冷却，终冷温度为413℃，冷却速率为53.3℃/s；
6）进行矫直，在矫直前停留50s。
实施例6：
一种经济型超高强度高韧性X100管线钢板，其化学成分及重量百分比为：C：0.059、Si：0.24、Mn：1.97、P：0.008、S：0.0008、Nb：0.044、V：0.050、Ti：0.021、Cu：0.25、Cr：0.41、Ni：0.27、Al：0.041、N：0.0045、B：0.0018，余量为Fe及不可避免的夹杂。
生产工艺步骤：
1）冶炼并连铸成坯；
2）将钢坯加热至1140℃；
3）钢坯出炉后进行粗轧，其开轧温度为1115℃，粗轧各道次压下率≥8%，粗轧结束温度为1091℃；
4）粗轧结束后待温至875℃开始进行精轧，精轧结束温度为780℃，精轧累计压下率为79.1％；
5）钢板精轧结束后立即进行超快速冷却，终冷温度为396℃，冷却速率为62.5℃/s；
6）进行矫直，在矫直前停留45s。
表1为各实施例的主要横向性能检测统计表。
由于本发明所设计的X100管线钢不添加贵重的Mo元素，且Ni元素的添加量不超过0.30％，较现有X100管线钢的合金设计成本降低800元/吨以上。
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 (6)
1.一种经济型超高强度高韧性X100管线钢板，其化学成分及重量百分比为：C：0.035、Si：0.21、Mn：2.18、P：0.010、S：0.0009、Nb：0.046、V：0.041、Ti：0.016、Cu：0.20、Cr：0.58、Ni：0.21、Al：0.031、N：0.0071、B：0.0015，余量为Fe及不可避免的夹杂；
生产工艺步骤：
1）冶炼并连铸成坯；
2）将钢坯加热至1082℃；
3）钢坯出炉后进行粗轧，其开轧温度为1065℃，粗轧各道次压下率≥8%，粗轧结束温度为1052℃；
4）粗轧结束后待温至918℃开始进行精轧，精轧结束温度为836℃，精轧累计压下率为83.3％；
5）钢板精轧结束后立即进行超快速冷却，终冷温度为352℃，冷却速率为:42.5℃/s；
6）进行矫直，在矫直前停留50S。
2.一种经济型超高强度高韧性X100管线钢板，其化学成分及重量百分比为：C：0.041、Si：0.39、Mn：2.29、P：0.011、S：0.0014、Nb：0.051、V：0.045、Ti：0.010、Cu：0.34、Cr：0.37、Ni：0.30、Al：0.020、N：0.0063、B：0.0021，余量为Fe及不可避免的夹杂；
生产工艺步骤：
1）冶炼并连铸成坯；
2）将钢坯加热至1099℃；
3）钢坯出炉后进行粗轧，其开轧温度为1078℃，粗轧各道次压下率≥8%，粗轧结束温度为1063℃；
4）粗轧结束后待温至912℃开始进行精轧，精轧结束温度为829℃，精轧累计压下率为80％；
5）钢板精轧结束后立即进行超快速冷却，终冷温度为387℃，冷却速率为56.2℃/s；
6）进行矫直，在矫直前停留45s。
3.一种经济型超高强度高韧性X100管线钢板，其化学成分及重量百分比为：C：0.046、Si：0.27、Mn：2.10、P：0.008、S：0.0010、Nb：0.060、V：0.032、Ti：0.019、Cu：0.15、Cr：0.43、Ni：0.16、Al：0.044、N：0.0055、B：0.0024，余量为Fe及不可避免的夹杂；
生产工艺步骤：
1）冶炼并连铸成坯；
2）将钢坯加热至1122℃；
3）钢坯出炉后进行粗轧，其开轧温度为1098℃，粗轧各道次压下率≥8%，粗轧结束温度为1075℃；
4）粗轧结束后待温至905℃开始进行精轧，精轧结束温度为818℃，精轧累计压下率为77.5％；
5）钢板精轧结束后立即进行超快速冷却，终冷温度为497℃，冷却速率为46.8℃/s；
6）进行矫直，在矫直前停留40s。
4.一种经济型超高强度高韧性X100管线钢板，其化学成分及重量百分比为：C：0.052、Si：0.18、Mn：2.03、P：0.008、S：0.0008、Nb：0.038、V：0.039、Ti：0.013、Cu：0.28、Cr：0.30、Ni：0.19、Al：0.050、N：0.0048、B：0.0008，余量为Fe及不可避免的夹杂；
生产工艺步骤：
1）冶炼并连铸成坯；
2）将钢坯加热至1131℃；
3）钢坯出炉后进行粗轧，其开轧温度为1104℃，粗轧各道次压下率≥8%，粗轧结束温度为1081℃；
4）粗轧结束后待温至885℃开始进行精轧，精轧结束温度为792℃，精轧累计压下率为75.3％；
5）钢板精轧结束后立即进行超快速冷却，终冷温度为449℃，冷却速率为69.5℃/s；
6）进行矫直，在矫直前停留60s。
5.一种经济型超高强度高韧性X100管线钢板，其化学成分及重量百分比为：C：0.065、Si：0.34、Mn：1.91、P：0.007、S：0.0005、Nb：0.031、V：0.055：Ti：0.024、Cu：0.24、Cr：0.48、Ni：0.25、Al：0.038、N：0.0075、B：0.0023，余量为Fe及不可避免的夹杂；
生产工艺步骤：
1）冶炼并连铸成坯；
2）将钢坯加热至1148℃；
3）钢坯出炉后进行粗轧，其开轧温度为1120℃，粗轧各道次压下率≥8%，粗轧结束温度为1102℃；
4）粗轧结束后待温至910℃开始进行精轧，精轧结束温度为824℃，精轧累计压下率为75％；
5）钢板精轧结束后立即进行超快速冷却，终冷温度为413℃，冷却速率为53.3℃/s；
6）进行矫直，在矫直前停留50s。
6.一种经济型超高强度高韧性X100管线钢板，其化学成分及重量百分比为：C：0.059、Si：0.24、Mn：1.97、P：0.008、S：0.0008、Nb：0.044、V：0.050、Ti：0.021、Cu：0.25、Cr：0.41、Ni：0.27、Al：0.041、N：0.0045、B：0.0018，余量为Fe及不可避免的夹杂；
生产工艺步骤：
1）冶炼并连铸成坯；
2）将钢坯加热至1140℃；
3）钢坯出炉后进行粗轧，其开轧温度为1115℃，粗轧各道次压下率≥8%，粗轧结束温度为1091℃；
4）粗轧结束后待温至875℃开始进行精轧，精轧结束温度为780℃，精轧累计压下率为79.1％；
5）钢板精轧结束后立即进行超快速冷却，终冷温度为396℃，冷却速率为62.5℃/s；
6）进行矫直，在矫直前停留45s。
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