CN104328357B - 一种Ni-Mo低温高韧性X100管件用钢板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Ni-Mo低温高韧性X100管件用钢板，该钢板的化学成分按质量百分比计为C：0.09～0.12%、Mn：1.5～1.9%，Si：0.1～0.3%，S：≤0.003%，P：≤0.015%，Nb：0.04～0.065%、Ti：0.008～0.03%、V：0.02～0.10%，Alt：≤0.06%，N:≤0.010%，O：≤0.006%，Mo：0.40～0.50%，Cu：≤0.35%，Ni：0.51～0.65%，Cr：≤0.35%，Ca：≤0.01%，其余为Fe。制造工艺包括钢水冶炼—炉外精炼—板坯再加热—TMCP工艺—调质热处理，成品具有高的强度、高的低温韧性，与X100主体管线焊接匹配，Ni、Mo成分配比放宽了热处理的工艺窗口，提高了钢材的成材率和合格率。

Description

一种Ni-Mo低温高韧性X100管件用钢板及其制造方法

技术领域

本发明属于钢板制造领域，具体涉及一种超高强度和低温高韧性的X100管件用钢板及其制造方法，该钢板的成材率高、性能稳定，所制造的管件心部具有低温高韧性，并与主体钢管具有优良的焊接匹配性能。

背景技术

目前，能源结构仍呈现以石油及天然气等化石能源结构为主，石油天然气主要是依靠管道运输，考虑到管道建设和运营的安全及经济性，近几年来，对管线用钢的强度和韧性提出更为严格的要求。在输送条件（如输送压力）相同的情况下，采用更高钢级的管线钢可将管道的壁厚减薄，从而减少用钢量，节约管道建设成本；或者在管径、壁厚相同的情况下，采用更高钢级管线钢可以提高输送压力，在相同单位时间内可输送更多的能源量。据测算，在管径及壁厚相同的情况下，X80管线管道要比X70管线管道的输送能力提高12%，而X100管道要比X80管道提高20%。因此，采用更高钢级管线钢是管道建设的发展趋势，特别是长距离高压输送石油天然气，采用X100或更高钢级的管道是能源输送的发展方向。一条完整的输送管道不仅包括主体管线钢管，还包括弯管及三通接头等管件，随着X100钢级钢管的推广应用，与至配套的X100管件用钢也应获得本领域技术人员的关注。

专利号VN201010215728.8的专利公开了一种管件用钢，涉及X80、X100两种钢级，该专利有如下特点：1）C含量在0.13～0.23%之间，含量很高；2）Nb含量较低，为0.01～0.04%，这会带来至少三个方面的不足：一是与直缝焊管的焊接匹配性较差，实际上X100钢级直线管的碳含量为≤0.10%，这样，该专利的管件与直缝焊管段的焊接不匹配，试用性不高，尤其在高寒低温地区更加加剧这种匹配的不适用性；二是韧性不高，特别是低温韧性较低，从该发明后续公布的性能数据看，低温冲击韧性均不高，且不稳定；三是从其公布的强度数据看，该专利中C含量很高，这样就造成为了确保冲击韧性值，必须将后续回火温度控制得很高，进而导致强度值下降较大，富余量很小，工艺的少许波动会造成强度或冲击韧性的不合格，钢板的成材率低。

专利号CN201110043324.X的专利公开了一种X100钢级弯管和管件的制备方法，该发明有如下特点：一是C含量在0.12～0.20%，Si含量为0.3-0.5%，含量均较高，这给管件的冲击韧性带来不稳定性；二是该发明实例中Nb含量均为0.07%以上，高Nb含量会在焊缝区加剧粒贝等组织的形成，最终导致冲击韧性过低且不稳定。

专利号CN200910196094的专利涉及一种高强度管件用钢的制造方法，该发明有如下特点：碳含量在0.02～0.12%，Mo：0.05～0.30%，Ni：0.10～0.24%，该成分在实际操作中碳量较低可与直缝焊管焊接匹配性较好，但是同时由于Mo及Ni等合金元素含量较低造成淬透性不高，最终造成钢板的强度不高，为保证钢的强度和韧性匹配，后续热处理工序窗口很窄，给实际生产带来不便，钢材的合格率较低；从实施例公布的性能数据看，虽能达到X100钢级性能要求，但是富余量不高，且冲击韧性较低，波动性较大，只适用于X80钢级或以下钢级，X100钢级实际应用性不高。

专利号CN201110043719的专利涉及一种高强度管件制造方法，该发明专利有如下特点：1）碳含量很高，C为0.11～0.25%，，且Ceq高达0.62%，管件与直管段焊接匹配较差；2）只适用于X90或以下的钢级。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种具有超高强度和低温高韧性的X100管件用钢板，且钢板的性能稳定、成材率和合格率高，无需苛刻的工艺制造条件，同时钢板的焊接敏感系数Pcm更低，与X100钢级主体管线具有良好的焊接匹配特性。

本发明所要解决的另一技术问题是针对上述现有技术现状提供一种具有超高强度和低温高韧性的X100管件用钢板的制造方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为，一种Ni-Mo低温高韧性X100管件用钢板，该钢板的化学成分按质量百分比计为C：0.09～0.12%、Mn：1.5～1.9%，Si：0.1～0.3%，S：≤0.003%，P：≤0.015%，Nb：0.04～0.065%、Ti：0.008～0.03%、V：0.02～0.10%，Alt：≤0.06%，N:≤0.010%，O：≤0.006%，Mo：0.40～0.50%，Cu：≤0.35%，Ni：0.51～0.65%，Cr：≤0.35%，Ca：≤0.01%，其余为Fe和不可避免的杂质；所述钢板的碳当量Ceq为0.49～0.55%，Ceq=C+Mn/6+(Mo+V+Cr)/5+（Ni+Cu）/15；焊接敏感系数Pcm为0.23～0.27%，Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Mo/15+V/10；厚度为36～55mm，屈服强度为725～800MPa，抗拉强度为815～865MPa，延伸率≥21%，屈强比Rt0.5/Rm≤0.93，-30°C钢板心部横向冲击吸收能在200～280J，-46°C钢板心部横向冲击吸收能在120～210J。

本发明X100管件用钢板的化学成分是这样确定的:

C：是钢中最经济、最基本的强化元素，通过固溶强化和析出强化可明显提高钢的强度，但对钢的韧性、延性以及焊接性能带来不利影响，因此管线钢的发展趋势是不断降低C含量，考虑到管件用钢的后续需要热处理，为保证钢板淬透性，因此需要限制C含量的下限在一定范围内，根据性能需要，本发明中将C含量控制在0.09～0.12%。

Si：是钢中的脱氧元素，并以固溶强化形式提高钢的强度。Si含量低于0.10%时，脱氧效果较差，Si含量较高时会造成韧性及焊接性能下降。本发明Si含量控制为0.1～0.3%。

Mn：通过固溶强化提高钢的强度，是管线钢中弥补因C含量降低而引起强度损失的最主要的元素，Mn同时还是扩大γ相区的元素，可降低钢的γ→α相变温度，有助于获得细小的相变产物，可提高钢的韧性，降低韧脆性转变温度，Mn也是提高钢的淬透性元素。本发明中Mn含量设计在1.5～1.9%范围。

：是现代微合金化钢特别是管线钢中最主要的微合金化元素之一，对晶粒细化的作用非常明显。通过Nb的固溶拖曳及热轧过程中的Nb（C,N）应变诱导析出可阻碍形变奥氏体的回复、再结晶，经TMCP使未再结晶区轧制的形变奥氏体在相变时转变为细小相变产物，以提高钢的强度和韧性，本发明主要是通过C与Nb含量的关系来确定Nb含量在0.04～0.07%范围之间。

：具有较高的析出强化和较弱的晶粒细化作用，在Nb、V、Ti三种微合金化元素中复合使用时，V主要起析出强化作用。本发明中V含量设计在0.02～0.1%的较低范围。

：Al与N结合形成的AlN可以有效地细化晶粒，但含量过高会损害钢的韧性，本发明控制其含量在≤0.06%。

：是强的固N元素，Ti/N的化学计量比为3.42，利用0.02%左右的Ti就可固定钢中60ppm以下的N，在板坯连铸过程中即可形成TiN析出相，这种细小的析出相可有效阻止板坯在加热过程中奥氏体晶粒的长大，有助于提高Nb在奥氏体中的固溶度，同时可改善焊接热影响区的冲击韧性，是管线钢中不可缺少的元素。本发明将Ti含量控制在0.008～0.03%，可使钢板具有很好的焊接性能。

：可推迟γ→α相变时先析出铁素体相的形成，促进针状铁素体形成的主要元素，对控制相变起到重要作用，同时也是提高钢的淬透性元素。在一定的冷却速度和终冷温度下通过添加一定Mo即可获得明显的针状铁素体或贝氏体组织。同时，Mo的加入可提高钢板后续热处理的淬透性，并提高钢的回火稳定性，尤其是在高温回火情况下，由于形成Mo的碳化物，使得在高温回火情况下，降低钢板的回火脆性，避免管件的强度降低，同时能够减缓韧性的下降。

：是扩大奥氏体区元素，降低Ar3线，这样可保证钢板在较低温度下处于奥氏体状态，降低加热温度，有利于节约能源。同时也是后续淬火时提高淬透性的元素。另外，Ni在钢中不形成碳化物，但与Fe无限固溶，可提高强度，且不牺牲钢的韧性。

本发明考虑到X100管件强度和韧性要求，同时加入Mo和Ni，并将Mo控制在0.40～0.50%，Ni控制在0.51～0.65%。

、P：是管线钢中不可避免的杂质元素，希望越低越好，通过超低硫及Ca处理改变硫化物形态可使管线钢具有很高的冲击韧性。

：可通过固溶强化提高钢的强度，本发明控制Cu的含量在0.15～0.50%。

：可提高钢的淬透性，但是一定程度上也增加了第二项粒子的含量，对钢的韧性不利。本发明控制Cr的含量在0.15～0.50%。通过适当调整其他合金元素如Mn、Mo等，来替代因Cr含量的减少而弥补淬透性的不足。

本发明解决另一技术问题的技术方案为，一种制造上述Ni-Mo低温高韧性X100管件用钢板的方法，工艺步骤如下：首先将冶炼原料依次经KR铁水预处理、转炉冶炼、LF精炼、RH真空精炼和连铸，制造出满足化学成分要求、厚度为370mm或以上的连铸坯；然后，将连铸坯加热至1100～1280℃，进行两阶段轧制：第一阶段为再结晶区轧制，控制至少两道次的单道次压下率≥19%，终轧温度为920～1050℃；第二阶段为非再结晶区轧制，开轧温度为820～845℃，待温厚度是钢板成品厚度的3倍以上，累计变形率≥60%，终轧温度为700～800℃；轧制完成后，将钢板冷却至500～600℃，冷却速率为10～30℃/s；最后，对钢板进行淬火和回火热处理，淬火加热温度为880～950℃，淬火在炉时间为1.0～3.5min/mm；回火加热温度为500～700℃，回火在炉时间为4.5～21min/mm，出炉后空冷至室温即获得钢板成品。

本发明具有如下特点：

1）将C含量控制在0.09～0.12%，使钢板的碳当量Ceq处于0.49～0.55%的范围内，一般来说，钢的碳当量较大，最终获得的强度也较高，同时将钢的焊接裂纹敏感系数Pcm处于0.23-0.27范围内，这样既保证了钢的高强度，又保证了后续热处理后心部的低温冲击韧性和制成管件后与主体管线钢管形成良好的焊接性能匹配（X100母管焊接裂纹敏感系数为不大于0.25）。

2）为保证心部最终获得相对细小均匀的组织，在TMCP工艺中强化了再结晶轧制工艺和未再结晶轧制工艺，即在再结晶区轧制时，至少两道次中单道次压下率≥19%；未再结晶区轧制时，需要保证总累计变形率≥60%，这样可保证心部获得相对细小均匀组织，因组织具有遗传性，在热处理后，管件心部组织也具有相对细小均匀性，为最终获得良好的低温韧性提供保障。

3）在降低钢板中C含量的情况下，添加了足够的Mo、Ni等元素，并限定各元素的含量在特定范围内，确保钢板的强度和韧性足够富余、稳定，保证了后续热处理具有较宽的工艺窗口，避免或减缓经热处理后钢板强度和韧性的下降，特别在高温回火等工艺条件下满足很好的强度和韧性匹配，确保产品性能稳定，提高了产品合格率，在保证最终产品的强度、韧性满足X100钢级要求的前提下，有利于放宽工艺条件，简化操作，提高生产效率和成材率。

与现有技术相比，本发明的优点在于：提供了一种超高强度和优良低温韧性的X100管件用钢板及其制造方法，该钢板的力学性能完全满足X100钢级的性能指标，与X100钢级主体管线具有很好的焊接匹配性，具体为屈服强度725～800MPa，抗拉强度为815～865MPa，延伸率≥21%，屈强比Rt0.5/Rm≤0.93，-30°C钢板心部横向冲击吸收能在200～280J，-46°C钢板心部横向冲击吸收能在120～210J。此外，通过合理的成分设置使钢板的成材率和合格率均有所提高，特别在后续热处理工艺中钢材的强度不会降低，韧性不会出现急剧下降，从而放宽了热处理工艺条件，有利于简化生产操作，提高生产效率。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

本实施例涉及的X100管件用钢板的厚度为45mm，其化学成分按质量百分比计为：C：0.12%、Mn：1.5%，Si：0.3%，S：0.0015%，P：0.01%，Nb：0.04%、Ti：0.018%、V：0.08%，Alt：0.03%，N:≤0.010%，O：≤0.006%，Mo：0.40～0.50%，Cu：≤0.35%，Ni：0.51～0.65%，Cr：≤0.35%，Ca：≤0.01%，Ceq=0.52，Pcm=0.24其余为Fe和不可避免的杂质。

该45mm厚的X100管件用钢板的制造工艺为，按上述钢板成品的化学组分配置冶炼原料并依次进行KR铁水预处理、转炉冶炼、LF精炼、RH真空脱气以获得纯净度高的钢水，之后由连铸机连铸出板厚在370mm的连铸板坯；将连铸坯加热至1180℃进行两阶段轧制：第一阶段为再结晶区轧制，控制至少两道次的单道次压下率≥19%，累计变形率为55%，终轧温度为1020℃；第二阶段为非再结晶区轧制，开轧温度为820℃，带温厚度是钢板成品厚度的3倍以上，累计变形率为66%，终轧温度为780℃；轧制完成后，将钢板冷却至500℃，冷却速率为19℃/s；最后，对钢板进行淬火和回火热调质处理，淬火加热温度为940℃，淬火在炉时间为2.4min/mm；回火加热温度为550℃，回火在炉时间为12min/mm，出炉后空冷至室温即获得钢板成品。

经由上述制造工艺制得的45mm厚的钢板具有高的强度、高的低温韧性，与X100钢级主体管线具有很好的焊接匹配性，综合性能优异，其力学性能详见表1。

实施例2

本实施例涉及的X100管件用钢板的厚度为55mm，其化学成分按质量百分比计为：C：0.09%、Mn：1.8%，Si：0.25%，S：0.0015%，P：0.01%，Nb：0.065%、Ti：0.018%、V：0.04%，Alt：0.028%，N:≤0.010%，O：≤0.006%，Mo：0.40～0.50%，Cu：≤0.35%，Ni：0.51～0.65%，Cr：≤0.35%，Ca：≤0.01%，Ceq=0.55，Pcm=0.27，其余为Fe和不可避免的杂质。

该55mm厚的X100管件用钢板的制造工艺为，按上述钢板成品的化学组分配置冶炼原料并依次进行KR铁水预处理、转炉冶炼、LF精炼、RH真空脱气以获得纯净度高的钢水，之后由连铸机连铸出板厚在370mm的连铸板坯；将连铸坯加热至1175℃进行两阶段轧制：第一阶段为再结晶区轧制，控制至少两道次的单道次压下率≥19%，累计变形率为50%，终轧温度为980℃；第二阶段为非再结晶区轧制，开轧温度为840℃，带温厚度是钢板成品厚度的3倍以上，累计变形率为60%，终轧温度为750℃；轧制完成后，将钢板冷却至520℃，冷却速率为18℃/s；最后，对钢板进行淬火和回火热调质处理，淬火加热温度为935℃，淬火在炉时间为2.4min/mm；回火加热温度为580℃，回火在炉时间为11min/mm，出炉后空冷至室温即获得钢板成品。

经由上述制造工艺制得的55mm厚的钢板具有高的强度、高的低温韧性，与X100钢级主体管线具有很好的焊接匹配性，综合性能优异，其力学性能详见表1。

实施例3

本实施例涉及的X100管件用钢板的厚度为38mm，其化学成分按质量百分比计为：C：0.11%、Mn：1.6%，Si：0.2%，S：0.0015%，P：0.01%，Nb：0.055%、Ti：0.018%、V：0.07%，Alt：0.03%，N:≤0.010%，O：≤0.006%，Mo：0.40～0.50%，Cu：≤0.35%，Ni：0.51～0.65%，Cr：≤0.35%，Ca：≤0.01%，其中Ceq=0.50，Pcm=0.23，其余为Fe和不可避免的杂质。

该38mm厚的X100管件用钢板的制造工艺为，按上述钢板成品的化学组分配置冶炼原料并依次进行KR铁水预处理、转炉冶炼、LF精炼、RH真空脱气以获得纯净度高的钢水，之后由连铸机连铸出板厚在370mm的连铸板坯；将连铸坯加热至1183℃进行两阶段轧制：第一阶段为再结晶区轧制，控制至少两道次的单道次压下率≥19%，累计变形率为40%，终轧温度为1050℃；第二阶段为非再结晶区轧制，开轧温度为820℃，带温厚度是钢板成品厚度的3倍以上，累计变形率为63%，终轧温度为760℃；轧制完成后，将钢板冷却至560℃，冷却速率为24℃/s；最后，对钢板进行淬火和回火热调质处理，淬火加热温度为890℃，淬火在炉时间为3.5min/mm；回火加热温度为650℃，回火在炉时间为9min/mm，出炉后空冷至室温即获得钢板成品。

经由上述制造工艺制得的38mm厚的钢板具有高的强度、高的低温韧性，与X100钢级主体管线具有很好的焊接匹配性，综合性能优异，其力学性能详见表1。

实施例4

本实施例涉及的X100管件用钢板的厚度为46mm，其化学成分按质量百分比计为：C：0.1%、Mn：1.75%，Si：0.25%，S：0.0015%，P：0.01%，Nb：0.05%、Ti：0.018%、V：0.04%，Alt：0.035%，N:≤0.010%，O：≤0.006%，Mo：0.40～0.50%，Cu：≤0.35%，Ni：0.51～0.65%，Cr：≤0.35%，Ca：≤0.01%，其中Ceq=0.55，Pcm=0.26，其余为Fe和不可避免的杂质。

该46mm厚的X100管件用钢板的制造工艺为，按上述钢板成品的化学组分配置冶炼原料并依次进行KR铁水预处理、转炉冶炼、LF精炼、RH真空脱气以获得纯净度高的钢水，之后由连铸机连铸出板厚在370mm的连铸板坯；将连铸坯加热至1189℃进行两阶段轧制：第一阶段为再结晶区轧制，控制至少两道次的单道次压下率≥19%，累计变形率为57%，终轧温度为1020℃；第二阶段为非再结晶区轧制，开轧温度为845℃，带温厚度是钢板成品厚度的3倍以上，累计变形率为67%，终轧温度为700℃；轧制完成后，将钢板冷却至530℃，冷却速率为19℃/s；最后，对钢板进行淬火和回火热调质处理，淬火加热温度为950℃，淬火在炉时间为2.2min/mm；回火加热温度为620℃，回火在炉时间为10min/mm，出炉后空冷至室温即获得钢板成品。

经由上述制造工艺制得的46mm厚的钢板具有高的强度、高的低温韧性，与X100钢级主体管线具有很好的焊接匹配性，综合性能优异，其力学性能详见表1。

实施例5

本实施例涉及的X100管件用钢板的厚度为36mm，其化学成分按质量百分比计为：C：0.09%、Mn：1.55%，Si：0.25%，S：0.0015%，P：0.01%，Nb：0.055%、Ti：0.018%、V：0.05%，Alt：0.031%，N:≤0.010%，O：≤0.006%，Mo：0.40～0.50%，Cu：≤0.35%，Ni：0.51～0.65%，Cr：≤0.35%，Ca：≤0.01%，其中Ceq=0.49，Pcm=0.23，其余为Fe和不可避免的杂质。

该36mm厚的X100管件用钢板的制造工艺为，按上述钢板成品的化学组分配置冶炼原料并依次进行KR铁水预处理、转炉冶炼、LF精炼、RH真空脱气以获得纯净度高的钢水，之后由连铸机连铸出板厚在370mm的连铸板坯；将连铸坯加热至1177℃进行两阶段轧制：第一阶段为再结晶区轧制，控制至少两道次的单道次压下率≥19%，累计变形率为54%，终轧温度为1000℃；第二阶段为非再结晶区轧制，开轧温度为840℃，带温厚度是钢板成品厚度的3倍以上，累计变形率为67%，终轧温度为720℃；轧制完成后，将钢板冷却至525℃，冷却速率为30℃/s；最后，对钢板进行淬火和回火热调质处理，淬火加热温度为935℃，淬火在炉时间为2.4min/mm；回火加热温度为700℃，回火在炉时间为11min/mm，出炉后空冷至室温即获得钢板成品。

经由上述制造工艺制得的36mm厚的钢板具有高的强度、高的低温韧性，与X100钢级主体管线具有很好的焊接匹配性，综合性能优异，其力学性能详见表1。

表1各实施例所生产的X100管件用钢板的力学性能

Claims (1)

1.一种Ni-Mo低温高韧性X100管件用钢板的制造方法，其特征在于：该钢板的化学成分按质量百分比计为C：0.09～0.12％、Mn：1.5～1.9％，Si：0.1～0.3％，S：≤0.003％，P：≤0.015％，Nb：0.04～0.065％、Ti：0.008～0.03％、V：0.02～0.10％，Alt：≤0.06％，N:≤0.010％，O：≤0.006％，Mo：0.40～0.50％，Cu：≤0.35％，Ni：0.51～0.65％，Cr：≤0.35％，Ca：≤0.01％，其余为Fe和不可避免的杂质；所述钢板的碳当量Ceq为0.49～0.55％，Ceq＝C+Mn/6+(Mo+V+Cr)/5+(Ni+Cu)/15；焊接敏感系数Pcm为0.23～0.27％，Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Mo/15+V/10；厚度为36～55mm，屈服强度为725～800MPa，抗拉强度为815～865MPa，延伸率≥21％，屈强比Rt0.5/Rm≤0.93，-30℃钢板心部横向冲击吸收能在200～280J，-46℃钢板心部横向冲击吸收能在120～210J；

工艺步骤如下：首先将冶炼原料依次经KR铁水预处理、转炉冶炼、LF精炼、RH真空精炼和连铸，制造出满足化学成分要求、厚度为370mm或以上的连铸坯；然后，将连铸坯加热至1100～1280℃，进行两阶段轧制：第一阶段为再结晶区轧制，控制至少两道次的单道次压下率≥19％，终轧温度为920～1050℃；第二阶段为非再结晶区轧制，开轧温度为820～845℃，待温厚度是钢板成品厚度的3倍以上，累计变形率≥60％，终轧温度为700～800℃；轧制完成后，将钢板冷却至500～600℃，冷却速率为10～30℃/s；最后，对钢板进行淬火和回火热处理，淬火加热温度为880～950℃，淬火在炉时间为1.0～3.5min/mm；回火加热温度为500～700℃，回火在炉时间为4.5～21min/mm，出炉后空冷至室温即获得钢板成品。