CN103436790A - 一种矿浆输送焊管管线用耐磨钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种矿浆输送焊管管线用耐磨钢及其制造方法，其成分重量百分比为C：0.04-0.10%；Mn：1.00-1.70%；Cr：0.20-0.60%；Ti≤0.025%；Nb≤0.06%；V：0.02-0.06%；Si：0.10-0.40%；Al≤0.05%；N≤0.008%；P≤0.015%；S≤0.008%；余Fe和不可避免杂质；Pcm≤0.18%，钢板组织为针状铁素体+贝氏体+MA的多相复合组织，且组织中弥散析出微小的VC第二相高硬度质点，钢板横向屈服强度Rt0.5为490～705MPa，横向抗拉强度Rm为570～825MPa，屈强比Rt0.5/Rm<0.85，硬化指数n>1.10。本发明钢板化学成分简单，生产成本低，碳当量低利于焊接性能；且具有低屈强比，易于制管成型、高硬化指数、高耐磨性等特点，较普通管线管耐磨性提高近一倍。

Description

一种矿浆输送焊管管线用耐磨钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及耐磨钢，特别涉及一种矿浆输送焊管管线用耐磨钢及其制造方法，适用于煤矿、石化矿石等矿浆或泥沙浆体的输送。

背景技术

传统煤矿等石化矿原料都是通过车辆等进行道路运输，需要占用土地破坏生态来修建道路，并消耗大量石油能源，并且粉矿尘还会给沿途造成污染。目前，有新的产业技术将矿石原料粉碎后与水混合成浆体通过管道运输，就如同石油运输一样，可以避免矿石运输带来的土地占用、环境污染、生态破坏等问题。但矿石浆体不同于石油，浆体中的矿石颗粒具有很高的硬度，在输送过程中会对管壁造成冲刷磨损，而且耐磨性能将决定管线的服役寿命。因此煤矿浆体输送管线不担要具备石油管线的高压输送能力，还要有更好的耐磨性能，以增加服役周期。同时，由于在使用过程中管壁磨损不可避免，管线在相对石油输送管更短的时间内要进行更换，因次，低的生产成本也是这类管线管的重要特性要求。

当前，针对煤矿等矿浆的输送管线管用钢板仍然处于开发起步阶段，还少有专门的具有耐磨损特性的管线管供该类工程应用，而是常采用普通的天然气或石油管线管，达不到理想的使用寿命，因此造成矿浆输送的投入成本较高。另有少量具有耐磨特性的输送管道用钢管，其制造方法通常是采用材料复合的方法或特殊的钢管内壁表面涂覆处理的方法，使钢管形成很硬的内壁来抵御磨损。

如中国专利CN201210418358.7是用65#高锰钢作为内壁材料与16#锰钢外壁材料通过特殊工艺进行复合，形成复合材料来制作钢管；而中国专利CN92112113.X则涉及一种复合耐磨钢管，是在内壁通过涂覆固化的方式形成一层树脂、石砂等组成的耐磨内衬材料。显然这些通过双层材料复合的方式制成的耐磨钢管不但生产成本很高，工艺特殊复杂，其应用上也只适用于如水泥泵管等小用量而高耐磨的特殊环境，与本发明涉及矿浆长距离输送的大型工程应用区别很大。

中国专利CN201210224112.6则涉及一种经济型耐磨钢管用钢板，是通过提高钢板材料耐磨性达到钢管耐磨要求的，其钢板是一种很高的碳含量的热轧卷板，C含量0.42～0.60%。如此高的碳含量，不但使得钢板强度很高，难以制管成型和焊接，也显然无法满足输送管线工程现场施工的焊接要求，无法用于矿浆输送管道的建设。

中国专利CN99107807.1也公开了一种具有耐磨蚀性的浆体管线用钢，与本专利有所区别的是设计材料为了提高耐腐蚀性能而添加较多的Cr、Cu、Ni等耐蚀元素，同时为了降低碳当量达到钢管焊接要求而降低C（0.02%～0.05%）、Mn（0.5%～0.8%）含量，为了提高强度又不得不采用较多的Mo（0.15%～0.30%）。该发明侧重于提高钢板的耐蚀性能，Cr、Cu、Ni、Mo元素含量的增加大大增加钢的制造成本。而对于普通矿浆来说，浆体输送对钢管管壁的破坏主导因素是磨擦损失，而并非腐蚀损失。增加钢管材料的耐蚀性能并不能有效增加钢管管壁的耐磨损特性，其效用产出和成本投入比不如降低钢板生产成本、提高耐磨性更具优势。

发明内容

本发明的目的在于设计一种矿浆输送焊管管线用耐磨钢及其制造方法，具有成型性和焊接性，同时具有优良的耐磨损性能，可以延长钢管对浆体输送的服役寿命。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

本发明采用无Mo、Ni的C-Mn-Cr-V系成分设计。传统焊管管线用钢板通常都是C-Mo-Ni-Cu系的成分设计，Mo、Ni、Cu等合金元素往往是传统的常规添加元素，几乎所有管线钢均添加Mo、Ni贵合金元素来达到钢管的强度韧性等力学指标。本发明基于磨损损失的使用特性要求，摒弃Mo、Ni、Cu等贵金属元素，采用C-Mn-Cr-V系成分设计。通过增加C含量上限到0.10%，并通过轧钢时双阶段大冷速低温终冷的工艺保证钢的强度等性能。相比于传统管线用钢，本发明提高Cr元素含量，减少管线磨损过程中的电极腐蚀。比较显著的是，本发明相对传统管线钢添加更高含量的V元素，不但可以提高强度，更重要的是可以在钢中形成高硬质点，大大增加钢板的耐磨损性能。

具体地，本发明的一种矿浆输送焊管管线用耐磨钢，其成分重量百分比为C：0.04-0.10%；Mn：1.00-1.70%；Cr：0.20-0.60%；Ti≤0.025%；Nb≤0.06%；V：0.02-0.06%；Si：0.10-0.40%；Al≤0.05%；N≤0.008%；P≤0.015%；S≤0.008%；其余为Fe和不可避免的杂质；Pcm≤0.18%；钢板组织为针状铁素体+贝氏体+MA的多相复合组织，并且组织中弥散析出微小的VC第二相高硬度质点粒子；钢板横向屈服强度Rt0.5为490～705MPa，横向抗拉强度Rm为570～825MPa，屈强比Rt0.5/Rm<0.85，硬化指数n>1.10。

本发明耐磨钢在成分设计上，采用无Mo、Ni、Cu等贵合金元素设计，C含量相对石油、天然气管线等普通管线将上限范围提高到0.1%。这是基于矿浆输送管道技术要求进行的设计，矿浆管线管侧重提高钢管耐磨损性能，并且作为损耗件要求更换成本低，而对低温韧性的要求低于天然气输送类管道。C是钢中最有效最廉价的强化元素，虽然增加C含量对钢板韧性有一定不利影响，但针对矿浆管线在降低Mo、Ni、Cu等贵合金元素情况下，提高C含量可有效保证钢的强度，因此可以大大降低钢的合金成本。C含量增加，可以有效增加钢板在轧制过程中第二冷却阶段时贝氏体的硬度及MA（马奥组元）在组织中的体积分数，从而提高抗拉强度。

本发明采用0.20-0.60%的Cr，比常规石油、天然气管线钢中的Cr含量高，又比具有耐蚀性钢的含量低。因为Cr是提高钢的耐蚀性的有效元素，但同时Cr含量提高，又会增加钢的碳当量，不利于焊接性能。在浆体冲蚀的磨损中，同时存在磨蚀两种效应，但以磨损为主。本发明0.20-0.60%的Cr元素含量，可以适当弱化钢管内壁在浆体酸碱环境下磨损破坏区域凹凸表面的电极腐蚀情况，从而辅助提高钢管的耐磨蚀性能，同时也不影响钢的焊接性能，保证钢管的综合性能。

本发明添加了0.02%-0.06%的V。V在常规石油、天然气管线钢中很少作为添加元素，因为V的第二相粒子析出不利于钢管的低温韧性。但在本发明中，充分考虑了矿浆管线对耐磨性的首要需求。V可以在钢中析出细小弥散的VC第二相粒子。VC硬度较高，不但通过析出强化会增加钢的强度，同时会在钢中形成硬质点，就如同铺设路面沥青中的沙砾，可以大幅提高钢管的耐磨性。同时，通过轧钢时双阶段冷却工艺控制，使析出粒子更加弥散细小，可以减少对钢管低温韧性的不利影响。

本发明要求Pcm≤0.18%。为了匹配各合金元素的含量并保证钢板的良好焊接性能，要求Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B≤0.18%。

钢板生产时采用大冷速低温终冷的两阶段冷却工艺。即钢板轧制后在ACC加速冷却阶段采用两阶段的冷却工艺，第一阶段从终轧完成后采用16～20℃/s的慢速冷却至500～560℃，在500～560℃范围慢速冷却，有利于C原子的充分扩散，从而利于形成韧塑性良好的针状铁素体；同时VC硬质第二相粒子的相变温度也在500～600℃，因此慢速冷却也能保证VC粒子的充分析出。第二阶段采用大冷速低温终冷的冷却工艺，即在500～560℃以下转入大于22℃/s的快速冷却至200～380℃的较低温度。500～560℃以下温度时，针状铁素体相变进入转变末期，大冷速+低的终冷温度，可使部分剩余的奥氏体相变转变成MA含量较高的贝氏体组织，从而与第一阶段结合形成针状铁素体+贝氏体+MA的复相组织；同时大冷速低温终冷可以抑制第一阶段析出的VC粒子长大，从而减小硬质粒子析出对钢板韧性的影响，并提高抵抗磨损的效果。

由上述工艺得到的钢板屈服与传统工艺的管线钢相近，但抗拉强度大大提高，所以钢板在低碳当量Pcm≤0.18%的条件下钢板强度能够满足要求。钢板也因此具有低屈强比特性，易于制管成型；但同时应变硬化指数高，在受到矿浆流体中大颗粒物的高速冲击时能够吸收能量变形而得到硬化，形成硬化层抵抗磨损。最终形成的钢板组织为针状铁素体+贝氏体+MA的多相复合组织，并且组织中弥散析出微小的VC第二相析出粒子。钢板横向屈服强度Rt0.5为490～705MPa，横向抗拉强度Rm为570～825MPa，屈强比Rt0.5/Rm<0.85，硬化指数n>1.10。

本发明的矿浆输送焊管管线用耐磨钢的制造方法，包括如下步骤：

1)冶炼、铸造

按下述成分冶炼并连铸成坯，成分重量百分比为C：0.04-0.10%；Mn：1.00-1.70%；Cr：0.20-0.60%；Ti≤0.025%；Nb≤0.06%；V：0.02-0.06%；Si：0.10-0.40%；Al≤0.05%；N≤0.008%；P≤0.015%；S≤0.008%；其余为Fe和不可避免的杂质；Pcm≤0.18%；

2)加热，连铸坯加热温度1100℃～1200℃；

3)轧制，采用再结晶区和未再结晶区两阶段轧制

再结晶区轧制，开轧温度1000～1150℃，累积变形量60%以上，最后在930～1000℃轧制成至少三倍成品钢板厚度的中间坯；

中间坯未再结晶区轧制成钢板，开轧温度820～950℃，终轧温度720～800℃；

4)冷却

轧制完成后的钢板进入加速冷却设备分段冷却，先以16～20℃/s冷速冷却至500～560℃，再以大于22℃/s冷速冷却至200～380℃；获得的钢板组织为针状铁素体、贝氏体、MA的多相复合组织，并且组织中弥散析出微小的VC第二相析出粒子；钢板横向屈服强度Rt0.5为490～705MPa，横向抗拉强度Rm为570～825MPa，屈强比Rt0.5/Rm<0.85，硬化指数n>1.10。

本发明上述制造方法中，轧制分为两个阶段，分别是再结晶区轧制和未再结晶区轧制。再结晶区轧制可以通过奥氏体再结晶充分细化奥氏体晶粒，开轧温度1000～1150℃，累积变形量60%以上，最后在930～1000℃轧制成至少三倍成品钢板厚度的中间坯。中间坯主要在未再结晶区进行轧制，开轧温度820～950℃，终轧温度720～800℃；在该阶段变形的奥氏体积累大量形变能量，为后面冷却阶段的相变时的晶粒细化提供重要保证。

钢板轧制完成后进入ACC分段冷却，以16～20℃/s冷速冷却至500～560℃，再以大于22℃/s冷速冷却200～380℃，得到所需钢板。在开始阶段慢速冷却，有利于相变时碳原子的扩散，从而使韧塑性好的针状铁素体析出。在500～560℃之后快速冷却，是为了使部分未转变的奥氏体变成硬度更高的贝氏体+MA。这种针状铁素体+贝氏体+MA的复合组织具有高强度、高韧性、低屈强比、高硬化指数的力学特点。两阶段冷却工艺得到的VC第二相硬质粒子，更加弥散细小，不但可以在不影响钢板韧性的情况下提高钢板强度，还可以提高这些硬质颗粒抗击磨损的效果。

本发明的有益效果：

本发明通过合理的成分设计，最合理地匹配矿浆输送用管线管的性能特性要求。由于矿浆输送管线不同于天然气输送管线，对钢板的冲击韧性相对低一些，适当增加C含量保证强度，而不添加Mo、Ni、Cu等贵合金元素的合计成分设计可以大大降低钢的生产成本。适当提高Cr元素提高钢板耐蚀性，辅以增加钢管对矿浆酸碱环境下的抗磨蚀性。通过添加较高含量的V元素，在钢管材料的组织中形成十分硬的碳化物VC第二相析出粒子，就如同铺设路面沥青中的沙砾，可以大幅提高耐磨性。

本发明通过两阶段轧制和两阶段冷却得到针状铁素体+贝氏体+MA的多相复合组织，使钢板性具有良好的韧塑性，不但满足高压输送管线的技术要求，还具有低屈强比、高硬化率的优良特性。低屈强比使钢板在较高强度的同时屈服强度不高，易于制管成型。高硬化率则使钢管在受到浆体中大颗粒物冲击变形吸收能量后更快硬化，形成硬化层，抵抗磨损。而硬质粒子或者硬化层又有良好韧塑性的基体组织做基础，可以防止因为疲劳导致硬质粒子或硬化层或剥落。因此这种组织的理想配合，使钢板的综合耐磨性能表现优良。

附图说明

图1为本发明实施例的微观组织照片。

图2为对比例钢板的微观组织照片。

具体实施方式

以下用实施例对本发明作更详细的描述。这些实施例仅仅是对本发明最佳实施方式的描述，并不对本发明的范围有任何限制。

本发明成分实施例如表1所示。对比例成分上不添加V元素，以对比V的钢管耐磨性的影响；同时工艺上不采用本发明所述的两阶段冷却的特征工艺。如表1和表2。

表1实施例和对比例钢的化学成分

实施例	C	Si	Mn	P	S	Cr	Nb	V	Al	N	Ti	Pcm
													1	0.063	0.10	1.47	0.008	0.002	0.21	0.058	0.026	0.033	0.006	0.015	0.15
2	0.041	0.35	1.65	0.010	0.003	0.30	0.035	0.051	0.030	0.005	0.012	0.16
													3	0.050	0.25	1.55	0.012	0.005	0.40	0.042	0.042	0.035	0.008	0.011	0.16

4	0.098	0.25	1.05	0.005	0.002	0.22	0.030	0.020	0.046	0.004	0.009	0.17
													5	0.070	0.20	1.60	0.006	0.006	0.60	0.010	0.059	0.012	0.002	0.022	0.18
对比例	0.050	0.23	1.52	＜0.015	＜0.002	--	0.047	--	0.039	0.005	0.009	0.15

备注：对比例为现在煤浆输送用普通低碳X70管线钢，还含有0.22%Ni，0.12%Mo，0.15%Cu；Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B

表2实施例和对比例的轧钢工艺

表3实施例和对比例的钢管的拉伸性能

表1给出可本发明实施例及对比例的化学成分。实施例的化学成分都在本发明权利要求范围。对比例取自当前大口径煤浆管线输送用的普通X70石油天然气管线钢。显著差异是本发明例未添加Ni、Mo、Cu等贵重元素，提高Cr含量，并且有意添加V元素。

表2给出了本发明例及对比例的制造工艺参数，显著差异是本发明例采用发明内容中所述的两阶段的冷却工艺，并且降低了终冷温度。由此得到了区别于常规管线管的、具有显著特征的“针状铁素体+贝氏体+MA”的多相复合组织（如图1所示），显著区别于对比例钢板的微观金相组织（如图2所示）。两阶段的冷却工艺，给钢的性能带来显著影响是屈强比的降低和硬化指数的提高，如表3所示。本发明实施例钢屈服强度基本等于或略低于对比例的屈服强度，但抗拉强度大幅高于对比例。强度的提高和硬化速率的增加有利于提高材料的耐磨性。

本发明涉及钢板的关键特性是耐磨性，为了验证本发明实施例的耐磨性，进行了耐磨性对比试验。磨损试验条件是：

介质：自来水+石英砂各50%（重量比）、pH=7～8，初始值7.5；

粒径：40～70目；

速度：2m/s（线速度）；

流体环境静压：8MPa；

试验温度：室温；

试验周期：72h；

评价标准：计算试验材料在规定试验条件下的失厚率（mm/a）和失重率（%）来对比其耐磨性。试验结果如表4：

表4实施例和对比例的磨损性能对比

从耐磨试验结果看，添加V元素并在工艺上采用两阶段冷却的本发明实施例，其耐磨性能与现在煤矿浆输送用的普通低碳X70管线钢比较提高近一倍，72小时加速冲蚀磨损试验后的失厚率均低于0.85mm/a，失重率均低于0.70%。

Claims (2)

1.一种矿浆输送焊管管线用耐磨钢，其成分重量百分比为C：0.04-0.10%；Mn：1.00-1.70%；Cr：0.20-0.60%；Ti≤0.025%；Nb≤0.06%；V：0.02-0.06%；Si：0.10-0.40%；Al≤0.05%；N≤0.008%；P≤0.015%；S≤0.008%；其余为Fe和不可避免的杂质；Pcm≤0.18%；钢板组织为针状铁素体+贝氏体+MA的多相复合组织，并且组织中弥散析出微小的VC第二相高硬度质点粒子；钢板横向屈服强度Rt0.5为490～705MPa，横向抗拉强度Rm为570～825MPa，屈强比Rt0.5/Rm<0.85，硬化指数n>1.10。

2.一种矿浆输送焊管管线用耐磨钢的制造方法，包括如下步骤：

1)冶炼、铸造

按下述成分冶炼并连铸成坯，成分重量百分比为C：0.04-0.10%；Mn：1.00-1.70%；Cr：0.20-0.60%；Ti≤0.025%；Nb≤0.06%；V：0.02-0.06%；Si：0.10-0.40%；Al≤0.05%；N≤0.008%；P≤0.015%；S≤0.008%；其余为Fe和不可避免的杂质；Pcm≤0.18%；

2)加热，连铸坯加热温度1100℃～1200℃；

3)轧制，采用再结晶区和未再结晶区两阶段轧制

再结晶区轧制，开轧温度1000～1150℃，累积变形量60%以上，最后在930～1000℃轧制成至少三倍成品钢板厚度的中间坯；

中间坯未再结晶区轧制成钢板，开轧温度820～950℃，终轧温度720～800℃；

4)冷却

轧制完成后的钢板进入加速冷却设备分段冷却，先以16～20℃/s冷速冷却至500～560℃，再以大于22℃/s冷速冷却至200～380℃；获得的钢板组织为针状铁素体、贝氏体、MA的多相复合组织，并且组织中弥散析出微小的VC第二相析出粒子；钢板横向屈服强度Rt0.5为490～705MPa，横向抗拉强度Rm为570～825MPa，屈强比Rt0.5/Rm<0.85，硬化指数n>1.10。

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