CN103276314B - 一种低屈强比高韧性x80管线钢板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种低屈强比高韧性X80管线钢板，其化学成分及重量百分比为：C：0.036～0.060%、Si：0.15～0.40%、Mn：1.65～1.90%、P：≤0.012%、S≤0.0015%、Ni：0.15～0.40%、Mo：0.10～0.30%、Cr：0.30～0.50%、Cu：0～0.30%、Nb：0.035～0.055%、Ti：0.005～0.030%、Al：0.020～0.050%、N：≤0.008%；生产步骤：冶炼并连铸成坯；对铸坯加热；采用TMCP工艺；调质处理。本发明可在实现高钢级X80管线钢的高强度、高韧性和低屈强比的同时，显著提高厚规格管线钢板厚度方向和纵、横向的温度、组织均匀性。其屈服强度（R_t0.5）≥555MPa，抗拉强度（R_m）≥625MPa，屈强比（R_t0.5/R_m）≤0.82，延伸率（A_50mm）≥30％，-40℃KV₂≥240J，-30℃DWTTSA≥85％，钢板同板强度差≤30MPa。

Description

一种低屈强比高韧性X80管线钢板及其制造方法

技术领域

本发明涉及微合金化钢制造领域，具体而言是为满足国内外重大长输管道工程主干线在二、三类地区建设用钢需求，提供一种低屈强比、高韧性、高均质度的X80管线钢板及其制造方法。

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，并逐步向地震、滑坡地带、极地、海底等环境恶劣的地区延伸，为保障高压长输管道运行的安全性，要求所使用的管线钢具有高强度、优异的低温韧性和良好的焊接性能外，还需要有较好的变形能力和产品质量稳定性。而目前长输管道所采用的X80级管线钢屈强比较高，低温韧性、变形能力不足，导致在高寒地区或发生地震、滑坡等地面移动时管道爆裂；或变形能力优异，但产品质量不稳定，同批次钢板甚至同一张钢板的性能波动较大，导致焊材匹配困难，管道运行安全性降低。为此，本发明提供一种低屈强比、高低温韧性、高均质度的X80管线钢板及其制造方法。

在本发明专利之前，专利申请号为200910048140.5的中国发明专利“一种X80管线钢用宽厚板及其制造方法”阐述了一种采用低C、高Mn、高Nb、高Cr、低/无Mo、少量添加Ni、Cu、Cr等合金元素的成分设计，结合TMCP工艺制造高钢级X80宽厚钢板的方法，该方法成分通过适当的工艺调整，可以获得全针状铁素体组织，但屈强比偏高，且通常采用单倍尺或双倍尺轧制，钢板长度需达到13m（单倍尺）甚至25m以上（双倍尺），钢板头、尾入水温差较大，通常达到20℃以上，导致钢板纵向组织、性能差异较大，不利于后续制管过程的焊材匹配和产品质量稳定性。

专利申请号为200910076066.8的中国发明专利“一种生产X80级抗大变形管线钢中厚板的方法”、专利申请号为201010530202.9的中国发明专利“一种低成本、高韧性X80抗大变形管线钢及生产方法”和专利号为201010101105.8的中国发明专利“一种低屈强比X80级管线钢及其制造方法”阐述了采用低C、高Mn、Nb微合金化、适量添加Cu、Cr、Ni等合金元素的成分设计，结合控制轧制+空冷弛豫+加速冷却或控制轧制+超快速冷却+空冷弛豫+快速冷却的TMCP工艺生产低屈强比X80管线钢板的方法，成品主控组织为铁素体+贝氏体或针状铁素体+贝氏体。该类生产方法由于需要空冷弛豫，实际生产节奏衔接困难，生产效率较低，成品组织、性能的稳定性较差，且由于钢板头、尾入水温差和钢板厚度方向（尤其对厚规格管线钢）的温差较大，易导致成品钢板纵向和厚度方向的组织、性能不均匀，引起钢板低温断裂韧性不足，不利于实现大批量稳定生产、后续制管过程的焊材匹配和钢管产品质量的稳定性。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述文献中描述的高钢级X80管线钢屈强比（R_t0.5/R_m）较高、生产效率低、板厚和纵/横向组织、性能不均匀、产品质量不稳定等不足，提供一种低屈强比高韧性X80管线钢板及其制造方法，通过化学成分和生产工艺的适当调整，使高钢级X80管线钢具有高强度、低屈强比、优异的焊接性能和组织、性能均匀性的良好匹配。

实现上述目的的措施：

一种低屈强比高韧性X80管线钢板，其化学成分及重量百分比为：C：0.036～0.060%、Si：0.15～0.40%、Mn：1.65～1.90%、P：≤0.012%、S≤0.0015%、Ni：0.15～0.40%、Mo：0.10～0.30%、Cr：0.30～0.50%、Cu：0～0.30%、Nb：0.035～0.055%、Ti：0.005～0.030%、Al：0.020～0.050%、N：≤0.008%，余量为Fe及不可避免的夹杂;钢板的主要力学性能满足：R_t0.5≥555MPa，R_m≥625MPa，R_t0.5/R_m≤0.82，A_50mm≥30％，-40℃ KV₂≥240J，-30℃ DWTT SA≥85％，钢板同板强度差≤30MPa。

生产一种低屈强比高韧性X80管线钢板的生产方法，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1100～1160℃；

3）采用TMCP工艺：

a、进行粗轧：控制粗轧温度在1030～1110℃，每道次压下率不低于10%，累积压下率不低于60％；

b、进行精轧，控制精轧温度在810～930℃，累计压下率不低于70%；

c、进行快速冷却，控制冷却速度在25～50℃/S，终冷温度为400～500℃；

d、快冷后在矫直机前停留40～60S进行矫直；

4）调质处理：对钢板进行淬火＋回火处理，淬火温度为880～930℃，保温时间为：以mm为单位的钢板厚度t＋20 ，时间单位为分钟；

回火温度为350～550℃，回火时间为：以mm为单位的钢板厚度t×1.5，时间单位为分钟。

本发明中各元素的作用机理如下：

碳（C）含量为0.036～0.060％，加入一定量的碳，可以大幅提高钢的强度，但碳含量的增加易导致铸坯凝固过程中的中心碳偏析，降低钢坯洁净度，因此将碳含量控制在较低水平：0.035～0.060％。

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1.65～1.90％，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0.005～0.030％，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0.10～0.30％，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。为保证厚规格管线钢板板厚方向的组织、性能均匀性，将Mo含量控制在较高水平。

镍（Ni）含量为0.15～0.40％，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0.30～0.50％，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，加入一定的铬还能改善钢的耐候、耐腐蚀性能。

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。

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。

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℃，终冷温度控制在200℃以下时，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。

调质处理：将完成轧制的钢板进行淬火＋回火处理，淬火温度880～930℃，保温时间t＋20 min（t为钢板厚度，单位mm），回火温度为350～550℃，回火时间（min）为1.5×t（t为钢板厚度，单位mm）。通过淬火处理进一步细化钢板成品组织，提高钢板沿板厚方向的组织均匀性，形成贝氏体＋少量细小弥散分布的M－A组元的成品组织。通过回火处理消除钢板内部残余应力，保证钢板板形和成型后的钢管管形，同时进一步提高钢板温度和内部组织均匀性。

本发明与现有技术相比，通过采用合理的成分设计和TMCP＋调质处理的生产工艺，可以实现高钢级X80管线钢的高强度、高韧性和低屈强比的同时，显著提高厚规格管线钢板厚度方向和纵、横向的温度、组织均匀性，提高高钢级低屈强比X80管线钢的生产效率和产品质量稳定性。试验检验结果表明，通过组分及含量和生产工艺的合理控制，能够获得理想的细小、均匀的贝氏体＋少量细小弥散分布的M-A组元的成品组织，可以实现高钢级X80管线钢板优异的强、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）≤0.82，延伸率（A_50mm）≥30％，-40℃ KV₂≥240J，-30℃ DWTT SA≥85％，钢板同板强度差≤30MPa。

附图说明

图1为本发明钢板板厚方向的表层金相组织图;

图2为本发明钢板板厚方向的板厚1/4处金相组织图;

图3为本发明钢板板厚方向的心部金相组织图。

具体实施方式

下面对本发明予以详细描述：

实施例1：

一种低屈强比高韧性X80管线钢板，其化学成分及重量百分比为：C：0.036％、Si：0.28％、Mn：1.89％、P：0.010％、S：0.0011％、Ni：0.20％、Mo：0.18％、Cr：0.34％、Cu：0.16％、Nb：0.048％、Ti：0.016％、Al：0.048％、N：0.0066％，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）对铸坯加热，控制加热温度在1100～1105℃；并高压水除鳞；

3）采用TMCP工艺：

a、进行粗轧：开轧温度为1062℃，粗轧各道次压下率≥10%，粗轧结束温度为1030℃，粗轧累计压下率60％；

b、进行精轧，开轧温度为890℃，结束温度为823℃，精轧累计压下率为80％；精轧后的钢板厚度为20mm；

c、进行快速冷却，控制冷却速度在40.6℃/S，终冷温度为465℃；

d、快冷后在矫直机前停留50S后进行矫直；

4）调质处理：对钢板进行淬火＋回火处理，淬火温度为930℃，保温时间根据以mm为单位的钢板厚度t＋20 的公式计算，为40分钟；

回火温度为550℃，回火时间为：根据以mm为单位的钢板厚度t×1.5的公司计算，为30分钟。

实施例2：

一种低屈强比高韧性X80管线钢板，其化学成分及重量百分比为：C：0.041％、Si：0.22％、Mn：1.83％、P：0.012％、S：0.0013％、Ni：0.15％、Mo：0.13％、Cr：0.50％、Cu：0.24％、Nb：0.055％、Ti：0.022％、Al：0.021％、N：0.0073％，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）对铸坯加热，控制加热温度在1100～1105℃；并高压水除鳞；

3）采用TMCP工艺：

a、进行粗轧：开轧温度为1062℃，粗轧各道次压下率不低于10%，粗轧结束温度为1030℃，粗轧累计压下率60％；

b、进行精轧，开轧温度为890℃，结束温度为823℃，精轧累计压下率为80％；精轧后的钢板厚度为20mm；

c、进行快速冷却，控制冷却速度在40.6℃/S，终冷温度为465℃；

d、快冷后在矫直机前停留50S后进行矫直；

4）调质处理：对钢板进行淬火＋回火处理，淬火温度为930℃，保温时间根据以mm为单位的钢板厚度t＋20 的公式计算，为40分钟；

回火温度为550℃，回火时间为：根据以mm为单位的钢板厚度t×1.5的公司计算，为30分钟。

实施例3：

一种低屈强比高韧性X80管线钢板，其化学成分及重量百分比为：C：0.047％、Si：0.38％、Mn：1.74％、P：0.009％、S：0.0010％、Ni：0.40％、Mo：0.10％、Cr：0.30％、Cu：0.19％、Nb：0.042％、Ti：0.011％、Al：0.028％、N：0.0057％，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）对铸坯加热，控制加热温度在1120～1125℃；并高压水除鳞；

3）采用TMCP工艺：

a、进行粗轧：开轧温度为1088℃，粗轧各道次压下率不低于10%，粗轧结束温度为1066℃，粗轧累计压下率68％；

b、进行精轧，开轧温度为930℃，结束温度为843℃，精轧累计压下率为78.1％；精轧后的钢板厚度为20mm；

c、进行快速冷却，控制冷却速度在44.1℃/S，终冷温度为422℃；

d、快冷后在矫直机前停留55S后进行矫直；

4）调质处理：对钢板进行淬火＋回火处理，淬火温度为910℃，保温时间根据以mm为单位的钢板厚度t＋20 的公式计算，为40分钟；

回火温度为450℃，回火时间为：根据以mm为单位的钢板厚度t×1.5的公司计算，为30分钟。

实施例4：

一种低屈强比高韧性X80管线钢板，其化学成分及重量百分比为：C：0.051％、Si：0.31％、Mn：1.72％、P：0.008％、S：0.0008％、Ni：0.26％、Mo：0.23％、Cr：0.42％、Cu：0.10％、Nb：0.051％、Ti：0.028％、Al：0.034％、N：0.0050％，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）对铸坯加热，控制加热温度在1137～1143℃；并高压水除鳞；

3）采用TMCP工艺：

a、进行粗轧：开轧温度为1099℃，粗轧各道次压下率不低于10%，粗轧结束温度为1075℃，粗轧累计压下率60％；

b、进行精轧，开轧温度为865℃，结束温度为811℃，精轧累计压下率为72.5％；精轧后的钢板厚度为33mm；

c、进行快速冷却，控制冷却速度在25.3℃/S，终冷温度为405℃；

d、快冷后在矫直机前停留45S后进行矫直；

4）调质处理：对钢板进行淬火＋回火处理，淬火温度为890℃，保温时间根据以mm为单位的钢板厚度t＋20 的公式计算，为53分钟；

回火温度为400℃，回火时间为：根据以mm为单位的钢板厚度t×1.5的公司计算，为50分钟。

实施例5：

一种低屈强比高韧性X80管线钢板，其化学成分及重量百分比为：C：0.058％、Si：0.15％、Mn：1.66％、P：0.007％、S：0.0009％、Ni：0.23％、Mo：0.29％、Cr：0.33％、Cu：0.30％、Nb：0.036％、Ti：0.006％、Al：0.041％、N：0.0042％，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）对铸坯加热，控制加热温度在1145～1150℃；并高压水除鳞；

3）采用TMCP工艺：

a、进行粗轧：开轧温度为1103℃，粗轧各道次压下率不低于10%，粗轧结束温度为1072℃，粗轧累计压下率60％；

b、进行精轧，开轧温度为880℃，结束温度为831℃，精轧累计压下率为73.6％；精轧后的钢板厚度为26.4mm；

c、进行快速冷却，控制冷却速度在28.4℃/S，终冷温度为446℃；

d、快冷后在矫直机前停留40S后进行矫直；

4）调质处理：对钢板进行淬火＋回火处理，淬火温度为880℃，保温时间根据以mm为单位的钢板厚度t＋20 的公式计算，为47分钟；

回火温度为350℃，回火时间为：根据以mm为单位的钢板厚度t×1.5的公司计算，为40分钟。

实施例6：

一种低屈强比高韧性X80管线钢板，其化学成分及重量百分比为：C：0.044％、Si：0.25％、Mn：1.81％、P：0.010％、S：0.0008％、Ni：0.34％、Mo：0.20％、Cr：0.35％、Cu：0.03％、Nb：0.045％、Ti：0.019％、Al：0.038％、N：0.0060％，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）对铸坯加热，控制加热温度在1155～1160℃；并高压水除鳞；

3）采用TMCP工艺：

a、进行粗轧：开轧温度为1110℃，粗轧各道次压下率不低于10%，粗轧结束温度为1072℃，粗轧累计压下率60％；

b、进行精轧，开轧温度为875℃，结束温度为828℃，精轧累计压下率为72.5％；精轧后的钢板厚度为26.4mm；

c、进行快速冷却，控制冷却速度在32.8℃/S，终冷温度为435℃；

d、快冷后在矫直机前停留50S后进行矫直；

4）调质处理：对钢板进行淬火＋回火处理，淬火温度为920℃，保温时间根据以mm为单位的钢板厚度t＋20 的公式计算，为47分钟；

回火温度为395℃，回火时间为：根据以mm为单位的钢板厚度t×1.5的公司计算，为40分钟。

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 (1)

1.一种低屈强比高韧性X80管线钢板的生产方法，其步骤为：

1）冶炼并连铸成坯；其化学成分及重量百分比为：C：0.036～0.060%、Si：0.15～0.40、Mn：1.65～1.90、P：≤0.012、S≤0.0015、Ni：0.15～0.40、Mo：0.10～0.30、Cr：0.30～0.50、Cu：≤0.30、Nb：0.035～0.055、Ti：0.005～0.030、Al：0.020～0.050、N：≤0.008，余量为Fe及不可避免的夹杂;钢板的主要力学性能满足：R_t0.5≥555MPa，R_m≥625MPa，R_t0.5/R_m≤0.82，A_50mm≥30％，-40℃ KV₂≥240J，-30℃ DWTT SA≥85％，钢板同板强度差≤30MPa；

2）对铸坯加热，控制加热温度在1100～1160℃；

3）采用TMCP工艺：

a、进行粗轧：控制粗轧温度在1030～1110℃，每道次压下率不低于10%，累积压下率不低于60％；

b、进行精轧，控制精轧温度在810～930℃，累计压下率不低于70%；

c、进行快速冷却，控制冷却速度在25～50℃/S，终冷温度为400～500℃；

d、快冷后在矫直机前停留40～60S进行矫直；

4）调质处理：对钢板进行淬火＋回火处理，淬火温度为880～930℃，保温时间为：以mm为单位的钢板厚度t＋20 ，时间单位为分钟；

回火温度为350～550℃，回火时间为：以mm为单位的钢板厚度t×1.5，时间单位为分钟。