CN103695807A - 止裂性优良的超高强x100管线钢板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种止裂性优良的超高强X100管线钢板。该钢板由如下化学成分组成：C：0.03～0.06%、Si：0.20～0.50%、Mn：1.80～2.10%、S≤0.005%、P≤0.010%、Ni：0.20～0.50%、Mo：0.20～0.40%、Cr：0.20～0.50%、Cu：0.20～0.50%、Nb：0.050～0.080%、Ti：0.015～0.035%、N≤0.004%、O≤0.004%、H≤0.002%、Als≥0.015%，其余为Fe和微量杂质，且Pcm≤0.25%。本发明还公开了其制造方法。该钢板V型缺口冲击裂纹形成能超过55J，冲击裂纹扩展能超过160J，止裂性优良。

Description

止裂性优良的超高强X100管线钢板及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种管线钢及其制造方法，特别涉及一种止裂性优良的超高强X100管线钢板及其制备方法，属于微合金钢领域。

背景技术

为降低油气管道建设成本、提高输送压力、提高油气输送效率，具有良好止裂性能、高强度、具备抗大变形能力和良好现场焊接性能的高钢级管线钢的研究和使用成为管线钢的发展趋势。传统的X70和X80级管线钢成分设计和强度级别区别不大,成本降低幅度有限,而采用X100或更高钢级管线钢会显著降低管线建设和运行成本。当前随着X80级管线钢被逐渐应用在石油天然气输送管道工程中,为进一步降低管线建设和运行成本,人们又将开发目标集中在X100及以上高钢级管线钢上。

公开号为CN102162072A、发明名称为“超高强度X100管线钢及其生产方法”舍弃了现有技术中采用Mg、Al氧化物或氮化物冶金等难度大的复杂技术，采用了比较适中的奥氏体再结晶终止轧制温度和奥氏体非再结晶开始轧制温度，提高了生产效率。但是其化学成分设计以中低C为主，Mn含量为1.95～2.50%，Nb含量为0.065～0.1%，Mo含量为0.45～0.60%，Ni含量为0.35～1.0%，Cr含量为0.35～1.0%，合金添加量偏高，制造成本高，同时提高了碳当量，不利于焊接工艺性能。其制造方法中奥氏体非再结晶区开轧温度为850～880℃，终止轧制温度为750～830℃。较低的轧制温度使得成材制造过程中轧制力大大提高，增加了轧机负荷。同时较低的轧制温度对高强度管线钢板型控制非常不利，并增加了热矫直的道次数，降低生产效率，增加了矫直机负荷。公开号为CN102304667A、发明名称为“一种低温韧性优良的X100管线钢板及制备方法”通过RH真空处理+强化控轧控冷制备了具有良好低温韧性X100管线钢。但是开冷温度为770～800℃，终冷温度为90～190℃，二者间温差较大，终冷温度控制较低，对冷却设备的控制水平较高，不利于控冷参数的精准实现，从而增大了钢板性能的不稳定性。另外，较低的终冷温度不利于板型控制。

另外，目前国内现有X100管线钢专利如公开号为CN101619416A的“一种高强度X100管线钢热轧平板及其生产方法”、公开号为CN1986861A的“超高强度X100管线钢及其轧制板制造方法”等专利偏于注重经济型生产工艺、超/高强度等性能指标的控制，而对超/高强度X100管线钢的止裂性能关注较少。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明目的是提供一种止裂性优良的超高强X100管线钢板及制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明所述钢板按重量百分比由如下化学成分组成：C：0.03%～0.06%、Si：0.20%～0.50%、Mn：1.80%～2.10%、S≤0.005%、P≤0.010%、Ni：0.20%～0.50%、Mo：0.20%～0.40%、Cr：0.20%～0.50%、Cu：0.20%～0.50%、Nb：0.050%～0.080%、Ti：0.015%～0.035%、N≤0.004%、O≤0.004%、H≤0.002%、Als：0.015%～0.10%，其余为Fe和微量杂质，其中：Als为酸溶铝；

该钢板化学成分的Pcm≤0.25%，其中：Pcm为冷裂纹敏感指数，Pcm计算公式如下：

Pcm=C+Si/30+（Mn+Cu+Cr）/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B，其中：公式中各元素符号代表各元素在钢板中的重量百分比。

优选地，本发明所述钢板按重量百分比由如下化学成分组成：C：0.04%、Si：0.25%、Mn：2.0%、S：0.002%、P：0.007%、Ni：0.25%、Mo：0.25%、Cr：0.25%、Cu：0.25%、Nb：0.06%、Ti：0.02%、N≤0.004%、O≤0.004%、H≤0.002%、Als:0.015%～0.040%、其余为Fe和微量杂质。按上述公式计算该钢化学成分的Pcm为0.19%。

本发明制备的钢板屈服强度达到700～750MPa，抗拉强度达到785～860MPa，0℃V型缺口夏比冲击功≥200J，0℃DWTT全尺寸落锤韧性剪切面积≥85%。钢板的-60～20℃V型缺口冲击裂纹形成能超过55J，冲击裂纹扩展能超过160J，止裂性优良。

上述钢板的化学成分设计原理如下：

碳（C）：碳作为钢中最廉价的合金元素是提高材料强度最有效的元素之一，但对材料的韧塑性和焊接性能都有明显的影响。随着控轧控冷工艺和微合金化技术的日趋成熟，同时为改善焊接热影响区的性能，钢中的碳含量逐渐降低，高钢级管线钢中碳含量应在0.10%以下为宜。低碳还可以提高抗氢致裂纹（HIC）能力和热塑性，有益于管线钢成型性。

锰（Mn）：锰在钢中起到固溶强化的作用，而且可以提高贝氏体的淬透性能，弥补碳含量降低所造成的强度下降。但锰含量过高对管线钢的焊接性能造成不利影响；同时锰含量的过多也会产生控轧钢板的中心偏析，从而引起管线钢的力学性能的各向异性。另外，锰还可以扩大γ相区，有助于获得细小的相变产物，可以提高钢的韧性，降低韧脆转变温度。

镍（Ni）、铜（Cu）：镍和铜可以通过固溶强化提高钢的强度，改善钢的耐腐蚀性能。两者复合添加还可以避免由于铜引起的脆性，改善钢的韧性，提高钢的止裂性能。

铌（Nb）、钒（V）、钛（Ti）：铌、钒、钛在钢中的作用相似，主要起到细晶强化和沉淀强化的作用，推迟奥氏体再结晶、阻止奥氏体晶粒长大。

钼（Mo）：钼可使碳在奥氏体中的扩散激活能增加，从而使碳的扩散系数降低，抑制先共析铁素体的形成。

上述钢板的制备方法，依次包括铁水预处理步骤、双联炼钢工艺深脱磷步骤、LF精炼步骤、RH真空脱气步骤、板坯连铸步骤、板坯加热步骤、控制轧制步骤以及控制冷却步骤，其中：

所述板坯加热步骤中，所述板坯加热温度为1180～1220℃，示例性的可以为1180～1190℃、1195～1200℃、1210～1220℃、1185℃、1198℃、1215℃；

所述控制轧制步骤中，再结晶区控制轧制的开轧温度为1150～1200℃，示例性的可以为1150～1160℃、1165～1178℃、1180～1190℃、1190～1200℃、1155℃、1170℃、1195℃，终轧温度≥1050℃，示例性的可以为1050～1060℃、1065～1070℃、1071～1080℃、1090～1100℃、1110～1120℃、1055℃、1095℃、1130℃，再结晶区控制轧制过程中（即粗轧）后3个道次的道次压下率不低于15%，得到的中间坯厚度（即精轧开轧厚度）为成品厚度的3-5倍；未再结晶区控制轧制的开轧温度为880～980℃，示例性的可以为880～885℃、890～900℃、900～920℃、930～950℃、960～980℃、895℃、905℃、955℃、975℃，终轧温度为800～860℃，示例性的可以为800～810℃、815～820℃、830～840℃、840～850℃、851～860℃、805℃、815℃、835℃、855℃；

所述控制冷却步骤中，开冷温度为730～800℃，示例性的可以为730～740℃、741～750℃、751～769℃、770～790℃、745℃、760℃、795℃、800℃，终冷温度为400～520℃，示例性的可以为400～410℃、415～420℃、425～435℃、455～465℃、480～490℃、500～510℃、405℃、470℃、505℃、520℃，冷却速度为20～30℃/s，示例性的可以为20～30℃/s、28～30℃/s、25～27℃/s、22℃/s、26℃/s、29℃/s。

作为本发明制备方法的一种优选实施方式，在所述铁水预处理步骤中，经预处理后铁水中S≤0.002（重量）％，温度不低于1200℃，示例性的可以为1210℃、1220℃、1230℃。较低的S含量可为后续脱S提供更好的条件。

作为本发明制备方法的另一种优选实施方式，在所述双联炼钢工艺深脱磷步骤中，首先进行脱磷操作，具体如下：铁水温度控制在1400～1450℃，示例性的可以为1400～1410℃、1415～1430℃、1435～1445℃、1420℃、1449℃，碱度为3.0～4.0，示例性的可以为3.2、3.6、3.9；吹炼过程中氧压为0.75～0.85MPa，示例性的可以为0.78MPa、0.80MPa、0.83MPa、0.85MPa，吹炼时间大于7min，优选为7～15min，示例性的可以为7～8min、9～12min、13～15min、15～17min、7min、15min、10min；脱磷操作的终点温度为1350-1450℃，示例性的可以为1350℃、1370℃、1380℃、1400℃、1410-1420℃、1440℃，终点成分P≤0.025（重量）%（比如：0.021%、0.020%、0.010%），C≥2.5（重量）%（比如2.6%、2.8%、3.0%）。然后进行脱碳深脱磷操作，具体如下：开吹氧压0.2～0.4MPa，示例性的可以为0.3MPa，过程氧压0.75～0.85MPa，示例性的可以为0.8MPa，拉碳温度1640～1660℃，示例性的可以为1640℃、1650℃、1660℃。终点成分P≤0.010（重量）%（比如：0.01%、0.005%、0.007%），C≤0.06（重量）%（比如：0.06%、0.04%、0.01%）。

作为本发明制备方法的另一种优选实施方式，在所述LF精炼步骤中，采用精炼前期快速升温，并伴随吹氩搅拌以提高脱硫效果，LF精炼出站前顶渣必须为黄白渣或白渣，黄白渣或白渣保持时间不低于10分钟，优选为10-15min，示例性可以为10min、12min、15min，终渣碱度优选控制在2.2以上，示例性的可以为2.2、2.5。LF精炼炉的主要作用是加热钢水温度脱氧脱硫、均匀钢水成分和温度。由于转炉出钢后钢水温度相对较低，为了增强脱硫脱氧效率，在LF钢包进站后对钢水进行快速加热升温（即精炼前期快速升温），比如快速升温的速度控制为4-5℃/min。同时，LF钢包进站后就开始吹氩进行搅拌，在快速脱氧脱硫过程中，在不形成环流的前提下尽可能采用大压氩气流量吹氩，以促进渣钢接触面积，改善反应动力学条件，促进脱硫。

作为本发明制备方法的另一种优选实施方式，在所述RH真空脱气步骤中，纯脱气时间不低于10min，优选为10-20min，示例性的可以为12min、15min、18min，软吹时间不低于10min，优选为10-20min，示例性的可以为12min、15min、18min。

作为本发明制备方法的另一种优选实施方式，在所述板坯连铸步骤中，板坯拉速控制在1.1～1.2m/min。

作为本发明制备方法的另一种优选实施方式，在所述控制轧制步骤中，采用双机架可逆式宽厚板轧机进行轧制，比如双机架可逆式4300mm宽厚板轧机。

上述制备方法中的优选实施方式可自由组合。

本发明的X100管线钢板力学性能满足API5L标准要求，而且钢板的-60～20℃V型缺口冲击裂纹形成能超过55J，冲击裂纹扩展能超过160J，止裂性优良。采用本发明涉及的化学成分及生产工艺制备的止裂性优良的超高强X100管线钢的显微组织是板条贝氏体、粒状贝氏体和针状铁素体的复相组织，其中80%～90%的板条贝氏体和粒状贝氏体组织使产品综合力学性满足API5L标准要求，剩余10%～20%的针状铁素体提高钢的止裂性能。钢板的-60～20℃V型缺口冲击裂纹形成能超过55J，冲击裂纹扩展能超过160J，止裂性优良。

与现有制备方法相比，本发明的优点在于：（1）合金添加量小，碳当量低，焊接裂纹敏感性指数低；（2）通过双联法炼钢操作将钢中磷控制在0.010%以下，提高了钢水洁净度；（3）采用了合理的奥氏体再结晶和未再结晶轧制温度，有效细化了奥氏体组织；（4）采用了合理冷却工艺提高了冷却效果，确保了钢板获得理想组织，同时得到良好的板型；（5）综合以上关键工艺，有效提高了X100管线钢成品钢板的止裂性能。

附图说明

图1为本发明实施例1得到的钢板的金相组织；

图2为本发明实施例2得到的钢板的金相组织；

图3为本发明实施例3得到的钢板的金相组织；

图4为本发明实施例3得到的钢板的-60～0℃示波冲击曲线，其中，（a）为0℃冲击曲线，（b）为-20℃冲击曲线，（c）为-40℃冲击曲线，（d）为-60℃冲击曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明，但本发明并不限于此。以下百分比均为重量百分比。

实施例1

本实施例钢板的化学成分如下：

产品的化学成分及重量百分比含量（%）为：C：0.04、Si：0.25、Mn：2.0、S：0.002、P：0.005、Ni：0.25、Mo：0.25、Cr：0.25、Cu：0.25、Nb：0.06、Ti：0.02、N≤0.004、O≤0.004、H≤0.002、Als：0.016、Pcm：0.19%。

上述钢板的制备方法如下：包括铁水预处理、双联炼钢工艺深脱磷、LF精炼、RH真空脱气、板坯连铸、板坯加热、控轧控冷，连铸坯尺寸为：250mm×1800mm×3610mm，钢板尺寸为：20mm×2000mm×38000mm，其中：

（1）铁水预处理：经预处理后铁水中S含量为0.001（重量）％，温度为1220℃；

（2）双联炼钢工艺深脱磷：铁水温度为1420℃，碱度为3.1～3.3，吹炼过程氧压为0.80～0.83MPa，吹炼时间大于7min。终点温度1400℃，终点P为0.015%，C为3.0%；脱碳脱磷：开吹氧压为0.2～0.4MPa，过程氧压为0.80～0.83MPa，拉碳温度为1650℃，终点P为0.007%，C为0.04%；

（3）LF精炼：采用精炼前期快速升温，并伴随大氩气流量操作以提高搅拌脱硫效果，LF精炼出站前顶渣为黄白渣，黄白渣保持时间为10-15分钟，终渣碱度为2.5；

（4）RH循环真空脱气：真空脱气时间为10min，软吹时间为10min，RH冶炼周期为52min；

（5）板坯连铸：板坯拉速控制在1.1m/min；

（6）板坯加热：板坯加热温度1210℃，加热时间为450min；

（7）控制轧制：奥氏体再结晶开轧温度1190℃，奥氏体再结晶终轧温度1130℃。奥氏体再结晶区轧制后3个道次的各道次压下率不低于15%，而且中间坯厚度为成品厚度4倍，奥氏体未再结晶开轧温度960℃，奥氏体未再结晶终轧温度830℃；

（8）控制冷却：开冷温度730℃，终冷温度520℃，冷却速度为20℃/s。

本实施例的钢板力学性能列于表1中，金相组织见附图1，从图1中可见，该钢板的显微组织是粒状贝氏体、针状铁素体及M/A岛和少量板条贝氏体的复相组织。

实施例2

本实施例钢板的化学成分如下：

产品的化学成分及重量百分比含量（%）为：C：0.04、Si：0.25、Mn：2.0、S：0.002、P：0.005、Ni：0.25、Mo：0.25、Cr：0.25、Cu：0.25、Nb：0.06、Ti：0.02、N≤0.004、O≤0.004、H≤0.002、Als：0.016、Pcm：0.19%。

上述钢板的制备方法如下：包括铁水预处理、双联炼钢工艺深脱磷、LF精炼、RH精炼、板坯连铸、板坯加热、控轧控冷，连铸坯尺寸为：250mm×1800mm×3610mm，钢板尺寸为：20mm×2000mm×38000mm，其中：

铁水预处理、双联炼钢工艺深脱磷、LF精炼、RH真空脱气工艺、板坯连铸、板坯加热温度、奥氏体再结晶轧制工艺同实施例1。奥氏体未再结晶开轧温度930℃，中间坯厚度为成品厚度4倍，奥氏体未再结晶终轧温度860℃；控制冷却步骤中，开冷温度为780℃，终冷温度为520℃，冷却速度为25℃/s。

本实施例的钢板力学性能列于表1中，金相组织见附图2，从图2中可见，该钢板的显微组织是粒状贝氏体、M/A岛、少量针状铁素体和少量板条贝氏体的复相组织。

实施例3

本实施例钢板的化学成分如下：

产品的化学成分及重量百分比含量（%）为：C：0.04、Si：0.25、Mn：2.0、S：0.002、P：0.005、Ni：0.25、Mo：0.25、Cr：0.25、Cu：0.25、Nb：0.06、Ti：0.02、N≤0.004、O≤0.004、H≤0.002、Als：0.016、Pcm：0.19%。

上述钢板的制备方法如下：包括铁水预处理、双联炼钢工艺深脱磷、LF精炼、RH精炼、板坯连铸、板坯加热、控轧控冷，连铸坯尺寸为：250mm×1800mm×3610mm，钢板尺寸为：20mm×2000mm×38000mm，其中：

铁水预处理、双联炼钢工艺深脱磷、LF精炼、RH真空脱气工艺、板坯连铸、板坯加热温度、奥氏体再结晶轧制工艺同实施例1。奥氏体未再结晶开轧温度930℃，中间坯厚度为成品厚度4倍，奥氏体未再结晶终轧温度860℃；控制冷却步骤中，开冷温度780℃，终冷温度400℃，冷却速度25℃/s。

本实施例的钢板力学性能列于表1中，金相组织见附图3，从图3中可见，该钢板的显微组织是板条贝氏体、粒状贝氏体、针状铁素体及M/A岛的复相组织。-60～0℃温度下的示波冲击曲线见图4，钢板裂纹性能和扩展能参见表2。

表1实施例中钢板的力学性能

注：表1中拉伸试样采用板条形试样，标距为50mm；夏比冲击试样尺寸为10mm×10mm×55mm,试验温度为0℃；DWTT试样尺寸为板厚×76mm×305mm。

表2实施例3X100管线钢裂纹性能和扩展能

注：裂纹形成能表征裂纹开启的难易程度；裂纹扩展能表征了裂纹扩展过程中受阻碍的程度大小，即止裂性能。

从表1中可以看出，采用本发明方法得到的钢板性能满足API5L-2009标准要求。同时从表2可以看出，本发明制备的钢板-60～20℃V型缺口冲击裂纹形成能超过55J，冲击裂纹扩展能超过160J，止裂性优良。

表1和表2中相应性能参数的测定方法参见A370和GB/T19748。

Claims (10)

1.一种止裂性优良的超高强X100管线钢板，其特征在于，按重量百分比由如下化学成分组成：C：0.03%～0.06%、Si：0.20%～0.50%、Mn：1.80%～2.10%、S≤0.005%、P≤0.010%、Ni：0.20%～0.50%、Mo：0.20%～0.40%、Cr：0.20%～0.50%、Cu：0.20%～0.50%、Nb：0.050%～0.080%、Ti：0.015%～0.035%、N≤0.004%、O≤0.004%、H≤0.002%、Als：0.015%～0.10%，其余为Fe和微量杂质，其中：Als为酸溶铝；

该钢板化学成分的Pcm≤0.25%，其中：Pcm为冷裂纹敏感指数，Pcm计算公式如下：

Pcm=C+Si/30+（Mn+Cu+Cr）/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B，其中：公式中各元素符号代表各元素在钢板中的重量百分比。

2.如权利要求1所述的止裂性优良的超高强X100管线钢板，其特征在于，按重量百分比由以下化学成分组成：

C：0.04%、Si：0.25%、Mn：2.0%、S：0.002%、P：0.007%、Ni：0.25%、Mo：0.25%、Cr：0.25%、Cu：0.25%、Nb：0.06%、Ti：0.02%、N≤0.004%、O≤0.004%、H≤0.002%、Als:0.015%～0.040%、其余为Fe和微量杂质。

3.权利要求1或2所述的止裂性优良的超高强X100管线钢板的制备方法，其特征在于，依次包括铁水预处理步骤、双联炼钢工艺深脱磷步骤、LF精炼步骤、RH真空脱气步骤、板坯连铸步骤、板坯加热步骤、控制轧制步骤以及控制冷却步骤，其中：

所述板坯加热步骤中，所述板坯加热温度为1180～1220℃；

所述控制轧制步骤中，再结晶区控制轧制的开轧温度为1150～1200℃，终轧温度≥1050℃，再结晶区控制轧制过程中后3个道次的道次压下率不低于15%，得到的中间坯厚度为成品厚度的3-5倍；未再结晶区控制轧制的开轧温度为880～980℃，终轧温度为800～860℃；

所述控制冷却步骤中，开冷温度为730～800℃，终冷温度为400～520℃，冷却速度为20～30℃/s。

4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在所述铁水预处理步骤中，经预处理后铁水中S≤0.002（重量）％，温度不低于1200℃。

5.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在所述双联炼钢工艺深脱磷步骤中，首先进行脱磷操作，具体如下：铁水温度控制在1400～1450℃，碱度为3.0～4.0；吹炼过程中氧压为0.75～0.85MPa，吹炼时间为7～15min，脱磷操作的终点温度为1350-1450℃，终点成分P≤0.025（重量）%，C≥2.5（重量）%；然后进行脱碳深脱磷操作，具体如下：开吹氧压0.2～0.4MPa，过程氧压0.75～0.85MPa，拉碳温度1640～1660℃，终点成分P≤0.010（重量）%，C≤0.06（重量）%。

6.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在所述LF精炼步骤中，采用精炼前期快速升温，并伴随吹氩搅拌以提高脱硫效果，LF精炼出站前顶渣必须为黄白渣或白渣，黄白渣或白渣保持时间不低于10分钟。

7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，在所述LF精炼步骤中，终渣碱度控制在2.2以上。

8.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在所述RH真空脱气步骤中，纯脱气时间为10-20min，软吹时间为10-20min。

9.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在所述板坯连铸步骤中，板坯拉速控制在1.1～1.2m/min。

10.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在所述控制轧制步骤中，采用双机架可逆式宽厚板轧机进行轧制。

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