CN104404387B - 一种超低温高压力服役输送管用钢板及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种超低温高压力服役输送管用钢板及其制造方法，该钢板其化学成分按照重量百分比包括：C 0.03～0.07％，Si≤0.30％且大于0；Mn 1.5～1.9％，Al 0.015～0.06％，Nb 0.05～0.11％，Ti 0.010～0.018％，Cr 0.10～0.30％，Cu 0.10～0.30％，Ni 0.10～0.30，Mo≤0.30％且大于0，P≤0.015％且大于0，S≤0.004％且大于0，N≤0.005％且大于0，Ca/S≥2，Ti/N≥4，余量为铁及杂质元素，所述钢板的碳当量Ceq≤0.43，所述钢板的裂纹敏感指数Pcm≤0.21。本发明的制得的钢板屈服强度≥500MPa，抗拉强度(Rm)≥600MPa，具有良好低温韧性、裂纹止裂性能、焊接性能，成本低廉，制备方法简单，易于操控，也适用于大型船舶、海洋工程、桥梁和高层建筑等重要结构件制造。

Description

一种超低温高压力服役输送管用钢板及其制造方法
技术领域
本申请涉及一种超低温高压力服役大口径输送管用热轧厚壁钢板及其制造方法，该钢板可用于天然气长距离输送用大壁厚大口径高强度直缝埋弧焊钢管的加工，以及大型船舶、海洋工程、铁路桥梁和高层建筑等建设工程。
背景技术
能源是国民经济实现可持续发展的重要基础，天然气是一种低碳矿物能源，扩大其在我国能源结构中的比例，对于保障我国能源、保护生态环境具有重要的现实意义。管道输送是经济、高效和环保的能源介质输送方法，未来十年随着天然气消费在我国一次性能源消费中比例的快速提升，天然气管网建设必将高速增长。为了满足我国经济发展的需要，大量的天然气须从西部向经济发展较快的东部地区输送，如正在施工的“西气东输三线”，以及规划中的“西气东输四线”和“西气东输五线”等，且大量的天然气还将通过“中亚D线”、“西伯利亚东线”和“西伯利亚西线”等进口。而大口径、高压力输气管道建设是现代高效、低成本长距离输送的基本特点，为了保证管道安全，还要求较高的低温韧性。如“西气东输三线”的管径Φ1219mm，钢级X80，设计输气压力12MPa，设计年输气量300亿立方米，要求钢板宽度大于3750mm，对于裸露在外部环境使用的管道，使用的钢板－40℃夏比V型冲击功≥210J、－30℃落锤剪切面积≥85％；“西伯利亚东线”的管径Φ1422mm，钢级K60(X70)，设计输气压力10MPa，设计年输气量380亿立方米，要求钢板宽度大于4350mm，钢板－60℃的夏比V型冲击功≥120J、－30℃落锤剪切面积≥85％。由于这些管道将穿越一些特殊地质条件地区，要求钢板的厚度≥30mm。
目前，世界上的钢铁企业还没有开发出满足这些管道项目建设的需要的钢板。如专利CN102277530B公布了一种“深海用≥25mm厚的及其生产方法”，其强度控制在X65水平，－40℃的夏比V型冲击功≥200J，－20℃落锤剪切面积≥85％，力学性能不能满足上述工程项目设计要求；且鉴于其为海底管线，其宽度也必将低于3200mm。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钢板及其制造方法，以克服现有技术中的不足。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本申请实施例公开了一种超低温高压力服役输送管用钢板，其化学成分按照重量百分比包括：C0.03～0.07％，Si≤0.30％且大于0；Mn1.5～1.9％，Al0.015～0.06％，Nb0.05～0.11％，Ti0.010～0.018％，Cr0.10～0.30％，Cu0.10～0.30％，Ni0.10～0.30，Mo≤0.30％且大于0，P≤0.015％且大于0，S≤0.004％且大于0，N≤0.005％且大于0，Ca/S≥2，Ti/N≥4，余量为铁及杂质元素，所述钢板的碳当量Ceq[＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15]≤0.43，所述钢板的裂纹敏感指数Pcm[＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B]≤0.21。
优选的，在上述的超低温高压力服役输送管用钢板中，所述钢板的厚度≥30mm，宽度≥3730mm。
相应地，本申请还公开了一种超低温高压力服役输送管用钢板的制造方法，包括步骤：
1)、冶炼：将铁水脱硫后送入转炉冶炼，再送入LF炉精炼，精炼完成后送入RH炉真空处理，获得钢水；
2)、板坯连铸：将步骤1)获得的钢水送入连铸机，进行无氧化保护浇注，中间包过热度控制在25±5℃，拉速控制在0.65±0.05m/min，连铸动态轻压下量5～10mm；
3)、板坯再加热：温度控制在1100～1250℃，保持时间≥320min；
4)、粗轧：温度控制在950～1100℃，粗轧后中间坯厚度≥2.5倍最终所获得钢板厚度；
5)、中间坯层流快速冷却；
6)、精轧：温度控制在800～900℃，精轧结束温度730～830℃，精轧阶段总压缩比≥60％；
7)、钢板预热矫直；
8)、钢板快速冷却：终冷温度≤550℃，冷却速率控制≥15℃/s；
9)、钢板热矫直；
10)、冷却。
优选的，在上述的超低温高压力服役输送管用钢板的制造方法中，所述步骤1)中，所述LF炉处理后，钢液中S含量≤0.005％，O含量≤0.0025％。
优选的，在上述的超低温高压力服役输送管用钢板的制造方法中，所述步骤1)中，所述RH真空处理后，钢液中N含量≤0.0035％。
优选的，在上述的超低温高压力服役输送管用钢板的制造方法中，所述步骤2)中，获得的板坯的厚度为320mm，宽度大于2200mm。
优选的，在上述的超低温高压力服役输送管用钢板的制造方法中，所述步骤1)中，RH炉真空处理后，在钢液中N含量小于0.0035％的条件下添加Ti。
优选的，在上述的超低温高压力服役输送管用钢板的制造方法中，所述步骤1)中，RH炉真空处理后，在钢液中S含量≤0.005％条件下喂入硅钙线或纯钙线，并进行钢包底吹氩软搅拌8-15min。
优选的，在上述的超低温高压力服役输送管用钢板的制造方法中，所述步骤5)中，采用喷淋方式冷却中间坯。
优选的，在上述的超低温高压力服役输送管用钢板的制造方法中，所述步骤8)中，钢板快速冷却过程中，采用头尾遮挡技术，保证控冷过程中钢板冷却温度均匀。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)钢种采用了低碳高铌及Cu、Ni、Cr多组元合金成分设计，具有高强度、高低温韧性和良好的焊接性能；
(2)在受控条件下精确的加钛处理，通过控制TiN的析出，获得钢中均匀的细晶组织，并显著降低了焊接热影响区的晶粒长大，提高了钢板低温落锤性能和焊接性能；
(3)钢液的钙处理在S含量≤0.005％条件下进行，喂入硅钙线或纯钙线，且成品钢中Ca/S≥2，并进行钢包底吹氩同时进行软搅拌8-15min，钙处理后原串状三氧化铝夹杂被改性为球状铝钙复合夹杂，且软搅拌后钢液纯净度改善；
(4)在中间坯待温过程采用喷淋冷却，缩短待温时间提高效率，避免待温过程奥氏体晶粒长大，使精轧过程的晶粒进一步细化；
(5)精轧结束后，钢板经预热矫直后，显著改善了钢板平整度，确保了钢板冷却的均匀性和钢板冷却后的平整度；
(6)钢板快速冷却过程中，采用头尾遮挡技术，进一步改善钢板平整度，并动态调控组织，确保钢板组织的均匀性。
(7)本发明实现了高性能大壁厚钢板厚度方向组织的一致性，保证了厚度不小于30mm、宽度不小于3730mm钢板具有高强度、高低温韧性，强度覆盖X70和X80(K60和K65)，低温韧性满足：－40℃夏比冲击功≥250J、－60℃夏比冲击功≥180J、－30℃落锤剪切面积≥85％、-40℃的CTOD值≥0.80mm。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1a-图1c所示为本发明具体实施例4中所制得钢板的金相图(依次为近表面×500；厚度1/4,×500；厚度1/2,×500)；
图2a-图2c所示为本发明具体实施例1中所制得的34mm厚的钢板的金相图(分别为近表面×500；厚度1/4,×500；厚度1/2,×500)；
图3所示为本发明具体实施例4中钢板的夏比V型冲击试验的韧脆转变曲线；
图4所示为本发明具体实施例1中钢板的夏比V型冲击试验的韧脆转变曲线；
图5所示为本发明具体实施例4中钢板的－40℃下CTOD载荷P与引伸计测出的缺口张开位移V的P－V曲线；
图6所示为本发明具体实施例1中钢板的－40℃下CTOD载荷P与引伸计测出的缺口张开位移V的P－V曲线。
具体实施方式
本发明旨在开发一种超低温环境服役的大口径输送管用高性能大壁厚热轧板，其壁厚不小于30mm，宽度不小于3700mm，强度覆盖X70和X80(K60和K65)，低温韧性满足：－40℃夏比V型冲击功≥250J、－60℃夏比V型冲击功≥180J、－30℃落锤剪切面积≥85％、-40℃的CTOD值≥0.80mm。
为此，本发明实施例公开了一种钢板，其化学成分按照重量百分比包括：C0.03～0.07％，Si≤0.30％且大于0；Mn1.5～1.9％，Al0.015～0.06％，Nb0.05～0.11％，Ti0.010～0.018％，Cr0.10～0.30％，Cu0.10～0.30％，Ni0.10～0.30，Mo≤0.30％且大于0，P≤0.015％且大于0，S≤0.004％且大于0，N≤0.005％且大于0，Ca/S≥2，Ti/N≥4，余量为铁及杂质元素，所述钢板的碳当量Ceq≤0.43，所述钢板的裂纹敏感指数Pcm≤0.21。
本发明的钢板通过元素种类及含量的科学设计，在添加微量合金元素基础上，实现了焊接性能优良、超高屈服强度、高抗拉强度和良好的低温韧性、裂纹止裂性能的匹配。在本发明中，除非另有指明，所提到的含量均指重量百分比含量。
本发明的钢板的化学成分及含量的主要作用说明如下：
碳(C)：碳是影响强度、韧性、硬度及焊接性能的主要元素，可以与Nb、Ti、Cr、Mo、Fe形成碳化物，起到析出强化和晶粒细化韧化材料的作用。碳含量的增加，对提高钢的强度和硬度有明显作用，但碳含量的增加会对钢的延性、韧性及焊接性能有负面影响。所以，本发明选择的碳含量为0.03～0.07％，一方面主要是考虑过低的碳会使得钢板的屈强比增高，另一方面主要是考虑钢板的韧性及优良的焊接性能。
锰(Mn)：锰是固溶强化元素，既可以提高钢的强度和硬度，也能够改善钢的韧性。适度提高钢的淬透性，扩大γ相区，降低钢的γ→α相变温度，有助于获得细小的相变产物。此外，锰还能提高微合金元素铌(Nb)在钢中的溶解度，抑制碳氮化铌的析出。但过多的Mn会导致铸坯中心Mn偏析，对厚板的强韧性有较大伤害。因此，本发明钢采用的锰含量为1.5～1.9％。
铌(Nb)：铌是有效的晶粒细化元素，能够明显的抑制奥氏体晶粒长大，延迟γ→α转变，从而获得更加细小的组织。在热轧过程中，析出的碳氮化铌可以延迟再结晶及晶粒的长大过程，碳氮化铌通过钉扎位错，使得基体中可以保留更多的位错密度，提高钢的强度和韧性。固溶状态的铌可以延迟γ→α转变，细化铁素体晶粒，提高钢的韧性，在冷却过程中固溶的铌可以继续以Nb(CN)析出，进一步提高钢的强度。本发明钢采用的铌为0.05～0.11％。
钛(Ti)：钛是强的固氮元素，可以形成弥散分布的TiN颗粒，从而可以在坯料加热过程和轧制过程中抑制奥氏体晶粒粗化，起到细化晶粒的作用，提高钢的低温韧性；同样，TiN颗粒对焊接热影响区晶粒的长大能够起到很好的抑制作用，改善焊接性能。此外，钛可以与铌复合析出，提高(TiNb)(CN)的热稳定性，对加热过程中坯料奥氏体晶粒的长大及焊接热影响区晶粒的粗化起到很好的抑制作用，改善钢板的韧性，提高钢板的焊接性能。同时，钛又是强脱氧元素，加入量过高钢中会产生氧化钛夹杂，且TiN析出粗大，影响钢的韧性。本发明钢中钛的加入量为0.010～0.018％，其Ti/N≥4。
铬(Cr)：铬是碳化物形成元素，能够提高钢板硬度，起到沉淀强化的作用；铬作为铁素体形成元素，在高Nb钢中可以得到更多的针状铁素体组织；铬还能够提高钢的抗腐蚀及耐氢致开裂性能，但过量的铬将降低钢板的延伸性能，促进晶粒的长大而影响韧性，导致焊接区域的冷裂纹的产生。本发明钢中铬的加入量为0.10～0.30％。
铜(Cu)：铜能提高钢板及焊接热影响区的强度，铜的沉淀作用还可以提高钢的抗疲劳性能；此外，铜还能提高钢板的耐腐蚀性能，近加入0.1％的铜就可以显著提高钢的耐大气腐蚀性。但过量的铜对焊接热影响区及焊接区的韧性是不利的，本发明钢中铜的加入量为0.10～0.30％。
镍(Ni)：镍通过固溶强化提高钢的强度，且并不显著提高钢的硬度，从而对低温韧性有利；同时，镍还有助于改善钢中加铜引起的热脆性。本发明钢镍的加入量为0.10～0.30％。
铝(Al)：Al为强固N元素，形成细小的AlN颗粒析出，可抑制板坯加热、轧制、淬火加热及焊接过程中的晶粒长大，达到细化晶粒、提高钢板的低温韧性及改善焊接性能。本发明选择的铝含量为0.015～0.06％。
氮(N)：氮可导致时效和脆化，对钢的性能是有害的。钢中少量氮可与Nb、Ti、Al形成化合物在钢中析出细化晶粒，提高钢的强度和韧性等。本发明氮含量不大于0.003％，且Ti/N≥4。
硫(S)：硫是有害元素，其不仅增加钢的热脆性，且易与Mn结合形成MnS，在高温轧制后形成长条形MnS夹杂，不仅影响钢板的抗层状撕裂性能，且钢板中的H易扩散到MnS与基体界面，形成氢致开裂裂纹，形成分层缺陷，严重影响钢板的内在质量。因此，本发明选择的硫含量不大于0.004％。
本发明实施例公开了一种钢板及其制造方法。本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明。本发明的应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明进行详细说明。
不同实施例中采用了不同的原料组分，但是均采用相同的制造方法，其制造步骤如下：
1)、冶炼：将铁水脱硫后送入转炉冶炼，再送入LF炉精炼，LF炉处理后，钢液中S含量≤0.005％，O含量≤0.0025％。
精炼完成后送入RH炉真空处理，获得钢水。RH真空处理后，钢液中N含量≤0.0035％。
RH完成真空处理后，在钢中N含量小于0.0035％的条件下添加Ti，在随后工艺浇注等处理过程中，钢中N会有所增加，但成品钢中的Ti/N≥4，初轧后钢中仍有一定量的溶解Ti，在精轧过程中细小弥散的TiN析出，确保钢板的晶粒度。
RH真空处理阶段结束后,在钢中S含量≤0.005％条件下喂入硅钙线或纯钙线，且成品钢中Ca/S≥2，并进行钢包底吹氩软搅拌8-15min。
2)、板坯连铸：将步骤1)获得的钢水送入连铸机，进行无氧化保护浇注，板坯厚度320mm、宽度大于2200mm，中间包过热度控制在25±5℃，拉速0.65±0.05m/min，连铸动态轻压下量5～10mm。进行钙处理后原串状三氧化铝夹杂被改性为球状铝钙复合夹杂，且软搅拌后钢液纯净度改善，使钢的韧性提高。
3)、板坯再加热：温度控制在1100～1250℃，保持时间为≥320min。
4)、粗轧：温度控制在950～1100℃，粗轧后中间坯厚度≥2.5倍钢板厚度。
5)、中间坯层流快速冷却：粗轧后采用喷淋冷却中间坯，加快其冷却速度，缩短中间坯待温时间，抑制待温过程晶粒粗大，改善钢板的落锤性能。
6)、精轧：温度控制在800～900℃，精轧结束温度730～830℃，精轧阶段总压缩比≥60％。
7)、钢板预热矫直：钢板精轧后，采用预热矫直，保证平整的钢板进入快速冷却。
8)、钢板快速冷却：终冷温度≤550℃(最低可至室温)，冷却速率控制≥15℃/s，钢板快速冷却过程中，采用头尾遮挡技术，保证控冷过程中钢板冷却温度均匀。
9)、钢板热矫直；
10)、冷却。
在不同实施例中，钢板的化学成分(％)请参表1。
表1
实施例 C Si Mn P S Ti Nb Cr Ni Cu Mo Al N Ca
实施例1 0.04 0.2 1.75 0.012 0.001 0.018 0.09 0.22 0.22 0.23 0.01 0.033 0.0031 0.0031
实施例2 0.03 0.22 1.90 0.012 0.001 0.013 0.05 0.20 0.20 0.20 0.02 0.026 0.0030 0.0036
实施例3 0.05 0.2 1.80 0.012 0.002 0.016 0.06 0.2 0.2 0.2 0.02 0.038 0.0035 0.0045
实施例4 0.04 0.2 1.70 0.012 0.002 0.015 0.09 0.2 0.2 0.2 0.01 0.045 0.0034 0.0047
实施例5 0.07 0.21 1.51 0.015 0.001 0.015 0.1 0.15 0.2 0.2 0.15 0.040 0.0031 0.0038
不同实施例中，所制得钢板的Ceq，Pcm，Ca/S和Ti/N值见表2。
表2
不同实施例中钢板的连铸坯和钢板尺寸见表3。
表3
不同实施例中，钢板的横向拉伸性能见表4。
表4
实施例 Rt0.5，MPa Rm，MPa Rt0.5/Rm A50，％
实施例1 510 675 0.76 54
实施例2 530 700 0.76 53
实施例3 540 690 0.78 50
实施例4 535 680 0.79 52
实施例5 555 685 0.81 49
不同实施例中，钢板的－40℃/-60℃的夏比V型冲击试验结果见表6。
表6
不同实施例中，钢板的－30℃的落锤试验结果见表7。
表7
实施例 试验温度，℃ 落锤1，％ 落锤2，％ 均值，％
实施例1 -30 88 94 91
实施例2 -30 85 87 86
实施例3 -30 92 91 91.5
实施例4 -30 90 90 90
实施例5 -30 87 88 87.5
实施例1和实施例4中，钢板的－40℃的CTOD试验结果见表8。
表8
实施例 δ 1 2 3 温度，℃
实施例1 δm(mm) 2.265 1.933 2.105 -40
实施例4 δm(mm) 2.119 2.207 1.825 -40
图1a-图1c所示为具体实施例4中所制得的30mm厚钢板的金相图(分别为近表面×500；厚度1/4,×500；厚度1/2,×500)。
图2a-图2c所示为具体实施例1中所制得的34mm厚的钢板的金相图(分别为近表面×500；厚度1/4,×500；厚度1/2,×500)。
图3所示为具体实施例4中钢板的夏比V型冲击试验的韧脆转变曲线。
图4所示为具体实施例1中钢板的夏比V型冲击试验的韧脆转变曲线。
图5所示为具体实施例4中钢板的－40℃下CTOD载荷P与引伸计测出的缺口张开位移V的P－V曲线。
图6所示为具体实施例1中钢板的－40℃下CTOD载荷P与引伸计测出的缺口张开位移V的P－V曲线。
综上所述，本发明的制得的钢板屈服强度≥500MPa，抗拉强度(Rm)≥600MPa，具有良好低温韧性、裂纹止裂性能、焊接性能，成本低廉，制备方法简单，易于操控。
本发明热轧钢板的生产工艺路线还可概括为：按成分设计方案配比备料→高炉铁水→KR铁水预脱硫→180t转炉冶炼→LF精炼→RH真空处理→大板坯连铸→板坯检验→板坯入炉再加热→初轧→中间坯待温→精轧→预热矫直→快速冷却→热矫直→冷床冷却→超声无损探伤(NDT)→剪切及成品检验。
最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

Claims (2)

1.一种超低温高压力服役输送管用钢板的制造方法，其特征在于，包括步骤：
1)、冶炼：化学成分按照重量百分比：C 0.03～0.07％，Si≤0.30％且大于0；Mn 1.5～1.9％，Al 0.015～0.06％，Nb 0.05～0.11％，Ti 0.010～0.018％，Cr 0.10～0.30％，Cu0.10～0.30％，Ni 0.10～0.30，Mo≤0.30％且大于0，P≤0.015％且大于0，S≤0.004％且大于0，N≤0.005％且大于0，Ca/S≥2，Ti/N≥4，余量为铁及杂质元素，进行冶炼，将铁水脱硫后送入转炉冶炼，再送入LF炉精炼，精炼完成后送入RH炉真空处理，获得钢水，所述RH真空处理后，钢液中N含量≤0.0035％，在钢液中N含量小于0.0035％的条件下添加Ti，在钢液中S含量≤0.005％条件下喂入硅钙线或纯钙线，且成品钢中Ca/S≥2，并进行钢包底吹氩软搅拌8-15min；
2)、板坯连铸：将步骤1)获得的钢水送入连铸机，进行无氧化保护浇注，中间包过热度控制在25±5℃，拉速控制在0.65±0.05m/min，连铸动态轻压下量5～10mm，获得的板坯的厚度为320mm，宽度大于2200mm；
3)、板坯再加热：温度控制在1100～1250℃，保持时间≥320min；
4)、粗轧：温度控制在950～1100℃，粗轧后中间坯厚度≥2.5倍最终所获得钢板厚度；
5)、中间坯层流快速冷却，采用喷淋方式冷却中间坯；
6)、精轧：温度控制在800～900℃，精轧结束温度730～830℃，精轧阶段总压缩比≥60％；
7)、钢板预热矫直；
8)、钢板快速冷却：终冷温度≤550℃，冷却速率控制≥15℃/s，钢板快速冷却过程中，采用头尾遮挡技术，保证控冷过程中钢板冷却温度均匀；
9)、钢板热矫直；
10)、冷却，所获钢板的碳当量Ceq≤0.43，裂纹敏感指数Pcm≤0.21。
2.根据权利要求1所述的超低温高压力服役输送管用钢板的制造方法，其特征在于：所述步骤1)中，所述LF炉处理后，钢液中S含量≤0.005％，O含量≤0.0025％。
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