CN103243278B - 一种x90管线用钢及其生产方法 - Google Patents

Abstract

一种X90管线用钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.045～0.070％、Si：0.15～0.40％、Mn：1.85～2.20％、P：≤0.012％、S≤0.0015％、Nb：0.035～0.055％、Ti：0.008～0.020％、Cu：0.10～0.35％、Cr：0.25～0.50％、Ni：0.10～0.30％、Al：0.02％～0.05％、B：0.0006～0.0023％、N：≤0.008％；工艺步骤：冶炼并连铸成坯；对铸坯加热；粗轧；精轧；快速冷却；矫直。本发明成分设计经济，再采用既匹配又较简便的生产工艺，尤其通过加大冷却速度，不仅能够获得理想的下贝氏体＋少量MA组织的双相或复相组织，在满足力学性能的前提下，其生产成本还可以降低至少10%。

Description

一种X90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X90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低屈强比X90管线钢板及其制造方法。

在本发明申请之前，中国专利申请号为200710045314.3和申请号为CN201080029455.6的专利文献，分别公开了“一种高强度X90管线钢及其生产方法”及“低温韧性优良的高强度管线管用钢板级高强度管线管用钢管”，两者均采用TMCP工艺生产高强度X90管线钢板。该两项专利文献存在的不足是：成分范围太过宽泛，如Cu<1.2%或<1.0%、Ni<1.5%或<2.0%、Cr<1.2%或<1.0%、Mo<0.6％、Nb：0.015~0.120%或0.01~0.05%等。经本申请人实验发现，当Cu含量超过0.5％、Cr含量超过0.6％时，低温断裂韧性急剧下降； Mo、Ni为极贵重合金，当添加含量超过0.5％，则单项合金成本将达到1000元/吨以上。

中国专利申请号为201210050624.5的专利文献，其公开了一种“高强度低屈强比X90热轧钢板及其生产方法”，其采用低C、低Mn、高Nb、高Cr、高Mo的成分设计理念，结合TMCP工艺生产X90级管线钢板的方法。该文献虽然能够达到市场对X90级管线钢的高强度、高韧性和良好的焊接性能的要求，但由于添加较高含量的Nb、Mo等贵重金属，导致生产成本较高，在实现相同性能的前提下，降低生产成本则是符合国家及企业的产业政策，以降低资源的浪费。

发明内容

本发明的目的是在于克服现有技术存在的不足，提供一种在满足市场对X90级管线钢性能，即具有高强度低温韧性-20℃ KV₂≥240J，-15℃ DWTT SA≥85％，R_P0.2/R_m≤0.85的前提下，使其生产成本至少能降低10%的X90管线钢及其生产方法。

实现上述目的的技术措施：

一种X90管线用钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.045～0.070％、Si：0.15～0.40％、Mn：1.85～2.20％、P：≤0.012％、S≤0.0015％、Nb：0.035～0.055％、Ti：0.008～0.020％、Cu：0.10～0.35％、Cr：0.25～0.50％、Ni：0.10～0.30％、Al：0.02％～0.05％、B：0.0006～0.0023％、N：≤0.008％，其余为Fe和不可避免的杂质；同时满足：Ni/Cu≥0.35，Cr+Cu+Ni≤1.1％。

生产一种X90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1000～1090℃，每道次压下率不低于8%；

4）进行精轧，控制精轧温度在760～900℃，累计压下率不低于70%；

5）进行快速冷却，控制冷却速度在42～70℃/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0.045～0.070％，加入一定量的碳，可以大幅提高钢的强度和降低钢的屈强比，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0.045～0.070％。

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硅导致钢的塑、韧性显著恶化。

锰（Mn）含量为1.85～2.20％，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0.035～0.055％，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0.035～0.055％。

钛（Ti）含量为0.008～0.020％，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0.10～0.30％，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0.25～0.50％，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。此外，加入一定的铬还能改善钢的耐候、耐腐蚀性能。

铜（Cu）的含量为0.10~0.35%，，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。

硼（B）的含量为0.0006～0.0023%，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0.0006～0.0023％。

铝（Al）的含量为0.02～0.05%，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。

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不低于0.35，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，如加热温度在1080℃以上，能够使钢种的微合金碳/氮化合物充分固熔，但当加热温度超过1150℃时，则原奥氏体晶粒会急剧长大。

之所以控制在冷却速度为42～70℃/s，将终冷温度控制在小于200℃，是因为通过材料热力学计算和多次实验室研究，当冷却速度为42～70℃/s、且控制终冷温度小于200℃时，能够有效提高本发明钢的强度，充分细化和韧化成品组织，获得理想的强、塑、韧性匹配。并通过控制终冷温度控制在小于200℃，能有效抑制微合金化中C/N化合物的析出，使屈服强度适当降低30～50MPa，而抗拉强度几乎不变，从而使降低屈强比得以降低。

本发明由于采用较经济的成分设计，即无Mo，低Nb，微Ni及Cu，再采用即匹配又较简便的生产工艺，尤其是通过加大冷却速度，不仅能够获得理想的下贝氏体＋少量MA组织（或贝氏体＋少量铁素体+少量M-A组元）的双相或复相组织，从而能在满足RP0.2≥625MPa，Rm≥695MPa，RP0.2/Rm≤0.85，-20℃ KV2≥240J，-15℃ DWTT SA≥85％的前提下，其生产成本可以降低至少10%。

具体实施方式

下面对本发明予以详细描述：

实施例1

一种经济型低屈强比X90管线钢板，其化学成分及重量百分比为：C：0.045％、Si：0.21％、Mn：2.18％、P：0.010％、S：0.0009％、Nb：0.046％、Ti：0.012％、Cu：0.35％、Cr：0.26％、Ni：0.30％、Al：0.031％、N：0.0060％、B：0.0023％，N：0.008％，余量为Fe及不可避免的夹杂；Ni/Cu=0.86，Cr+Cu+Ni=0.91％。

生产工艺步骤：

1）冶炼并连铸成坯；

2）将钢坯加热至1080～1085℃；

3）进行粗轧，其开轧温度为1064～1069℃，各道次压下率为8.5%，粗轧结束温度为1049～1053℃；

4）待温度降至895～900℃开始进行精轧，精轧结束温度为820～824℃，精轧累计压下率为80％；

5）进行快速冷却，终冷温度为187℃，冷却速率为69.7℃/s；

6）进行矫直空，在矫直前停留60s。

实施例2

一种经济型低屈强比X90管线钢板，其化学成分及重量百分比为：C：0.051％、Si：0.39％、Mn：2.10％、P：0.008％、S：0.0014％、Nb：0.039％、Ti：0.020％、Cu：0.32％、Cr：0.32％、Ni：0.26％、Al：0.050％、N：0.0070％、B：0.0022％，余量为Fe及不可避免的夹杂；Ni/Cu=0.813，Cr+Cu+Ni=0.90％。

生产工艺步骤：

1）冶炼并连铸成坯；

2）将钢坯加热至1090～1094℃；

3）进行粗轧，其开轧温度为1070～1075℃，各道次压下率为9%，粗轧结束温度为1050～1054℃；

4）待温度降至885～890℃开始进行精轧，精轧结束温度为813～817℃，精轧累计压下率为81％；

5）进行快速冷却，终冷温度为195℃，冷却速率为61.2℃/s；

6）进行矫直空，在矫直前停留58s。

实施例3：

一种经济型低屈强比X90管线钢板，其化学成分及重量百分比为：C：0.058％、Si：0.15％、Mn：2.02％、P：0.010％、S：0.0006％、Nb：0.042％、Ti：0.016％、Cu：0.25％、Cr：0.35％、Ni：0.22％、Al：0.033％、N：0.0065％、B：0.0021％，余量为Fe及不可避免的夹杂；Ni/Cu=0.88，Cr+Cu+Ni=0.82％。

生产工艺步骤：

1）冶炼并连铸成坯；

2）将钢坯加热至1102～1107℃；

3）进行粗轧，其开轧温度为1081～1086℃，各道次压下率为8.3%，粗轧结束温度为1060～1065℃；

4）待温度降至880～885℃开始进行精轧，精轧结束温度为810～814℃，精轧累计压下率为77.7％；

5）进行快速冷却，终冷温度为177℃，冷却速率为54.3℃/s；

6）进行矫直空，在矫直前停留62s。

实施例4：

一种经济型低屈强比X90管线钢板，其化学成分及重量百分比为：C：0.062％、Si：0.21％、Mn：1.89％、P：0.007％、S：0.0007％、Nb：0.035％、Ti：0.010％、Cu：0.23％、Cr：0.49％、Ni：0.18％、Al：0.026％、N：0.0054％、B：0.0006％，余量为Fe及不可避免的夹杂；Ni/Cu=0.783，Cr+Cu+Ni=0.90％。

生产工艺步骤：

1）冶炼并连铸成坯；

2）将钢坯加热至1145～1150℃；

3）进行粗轧，其开轧温度为1026～1030℃，各道次压下率为8.8 %，粗轧结束温度为1010～1015℃；

4）待温度降至875～880℃开始进行精轧，精轧结束温度为805～810℃，精轧累计压下率为77.2％；

5）进行快速冷却，终冷温度为192℃，冷却速率为47.5℃/s；

6）进行矫直空，在矫直前停留55s。

实施例5：

一种经济型低屈强比X90管线钢板，其化学成分及重量百分比为：C：0.069％、Si：0.32％、Mn：1.85％、P：0.010％、S：0.0005％、Nb：0.039％、Ti：0.008％、Cu：0.16％、Cr：0.43％、Ni：0.10％、Al：0.020％、N：0.0044％、B：0.00205％，余量为Fe及不可避免的夹杂；Ni/Cu=0.625，Cr+Cu+Ni=0.69％。

生产工艺步骤：

1）冶炼并连铸成坯；

2）将钢坯加热至1133～1138℃；

3）进行粗轧，其开轧温度为1020～1025℃，各道次压下率为9 %，粗轧结束温度为1002～1007℃；

4）待温度降至862～867℃开始进行精轧，精轧结束温度为784～789℃，精轧累计压下率为75％；

5）进行快速冷却，终冷温度为168℃，冷却速率为45.3℃/s；

6）进行矫直空，在矫直前停留65s。

实施例6：

一种经济型低屈强比X90管线钢板，其化学成分及重量百分比为：C：0.055％、Si：0.22％、Mn：1.94％、P：0.011％、S：0.0010％、Nb：0.050％、Ti：0.014％、Cu：0.10％、Cr：0.38％、Ni：0.23％、Al：0.027％、N：0.0063％、B：0.0012％，余量为Fe及不可避免的夹杂；Ni/Cu=2.3，Cr+Cu+Ni=0.71％。

生产工艺步骤：

1）冶炼并连铸成坯；

2）将钢坯加热至1120～1125℃；

3）进行粗轧，其开轧温度为1025～1030℃，各道次压下率为8.6 %，粗轧结束温度为1010～1015℃；

4）待温度降至840～845℃开始进行精轧，精轧结束温度为760～764℃，精轧累计压下率为75％；

5）进行快速冷却，终冷温度为183℃，冷却速率为42℃/s；

6）进行矫直空，在矫直前停留60s。

表1为各实施例的主要横向性能检测统计表。

表1  各实施例的横向主要性能检测统计表

由于本发明所设计的X90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X90管线钢的合金设计成本降低700元/吨以上。

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)

1.一种X90管线用钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.045～0.070％、Si：0.15～0.40％、Mn：2.02～2.20％、P：≤0.012％、S≤0.0015％、Nb：0.035～0.039％、Ti：0.008～0.020％、Cu：0.32～0.35％、Cr：0.38～0.50％、Ni：0.26～0.30％、Al：0.02％～0.05％、B：0.0006～0.0023％、N：≤0.008％，其余为Fe和不可避免的杂质；同时满足：Ni/Cu≥0.35，Cr+Cu+Ni≤1.1％。

2.生产权利要求1所述的一种X90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1080～1138℃；

3）进行粗轧：控制粗轧温度在1000～1090℃，每道次压下率不低于8%；

4）进行精轧，控制精轧温度在760～900℃，累计压下率不低于70%；

5）进行快速冷却，控制冷却速度在42～70℃/s，终冷温度小于200℃；

6）进行矫直，在矫直前停留55～65s。