CN104694823A - 一种超低碳高强韧性抗hic管线钢板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于钢铁技术领域，具体地，本发明公开了一种超低碳高强韧性抗HIC管线钢板及其制备方法。所述钢板的化学成分及重量百分比含量包括：C：0.03％-0.05％、Si：0.15％-0.30％、Mn：≤1.20％、S：≤0.002％、P：≤0.010％、Nb：0.02％-0.08％、Ti：≤0.05％，其余为Fe和不可避免微量杂质。本发明通过低碳、高Nb含量微合金化、Ni合金化或Cr、Ni复合合金化成分设计，通过控制轧制与控制冷却工艺技术的实施，获得细小均匀的铁素体+少量退化珠光体组织类型的高强韧性抗HIC管线钢板。钢板不但具有高强度和高韧性，同时具有优良的抗HIC性能，十分适合用于制造含有酸性介质的石油、天然气输送管道。

Description

一种超低碳高强韧性抗HIC管线钢板及其制备方法

技术领域

本发明属于钢铁技术领域，具体地，本发明涉及本发明涉及一种超低碳高强韧性抗HIC管线钢板及其制备方法。

背景技术

目前，管道输送依然是长距离输送石油、天然气最经济、合理的运输方式。鉴于管线铺设长度大、横跨地理区域差异大，导致管线所在的地理环境复杂，相当部分的管线多处于潮湿的环境。另外，输送的石油与天然气中，含有大量的酸性物质，比如H₂S等酸性气体，因此，在输送含硫化氢(H₂S)酸性介质天然气时，为防止酸性气体对管道的腐蚀破坏，要求管线钢具有抗氢致开裂(Hydrogen Induced Crack，HIC)性能。管道的抗HIC性能好坏是影响管道系统可靠性及安全使用寿命的关键因素。

申请号为200910033695.2，发明名称“抗硫化氢腐蚀管线用钢及其生产方法”的专利，提供了一种高强度抗硫化氢腐蚀管线用钢的生产方法，其化学成分重量百分比为：C：0.05％-0.10％，Si 0-0.35％，Mn：1.15％-1.35％，P：0-0.015％，S：0-0.006％，Nb：0.04％-0.06％，Ti：0.015％-0.03％，V：0.035％-0.065％，Cu：0.2％-0.3％，Ni：0.2％-0.3％，Al：0.015％-0.02％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。该发明碳含量较高，设计碳含量为0.05％-0.10％，实施中的碳含量为0.06％、0.08％、0.09％。大量现有研究表明，较高的碳含量特别不利于管线钢抗HIC性能。另外钢中的硫元素含量较高，设计硫含量为0％-0.006％，实施例中的硫含量分别为0.003％、0.0025％、0.003％。较高的硫含量会导致钢中硫化物含量和级别的不可控，导致氢致裂纹(HIC)优先在硫化物处产生，恶化抗HIC性能。另外，美国石油学会发布的《管线钢管规范API 5L-2012》、国家质检总局发布的《石油天然气工业管线输送系统用钢管GB/T9711-2011》等标准中明确规定钢中的硫含量要求低于0.002％。上述专利实施例涉及的强度虽然较高，但韧性偏低。

发明内容

本发明目的是提供了一种超低碳高强韧性抗HIC管线钢板，所述钢板的化学成分及重量百分比含量包括：C：0.03％-0.05％、Si：0.15％-0.30％、Mn：≤1.20％、S：≤0.002％、P：≤0.01％、Nb：0.02％-0.08％、Ti：≤0.05％，其余为Fe和不可避免微量杂质。

根据本发明的超低碳高强韧性抗HIC管线钢板，还包括：单独添加Ni：≤0.50％，或者Ni：≤0.50％和Cr：≤0.50％两者的混合添加。

优选地，所述钢板单独添加Ni元素，其化学成分及重量百分比含量为：C：0.03％～0.05％、Si：0.15％～0.30％、Mn≤1.20％、S：≤0.002％、P：≤0.010％、Nb：0.02％～0.10％、Ti≤0.05％、Ni≤0.50％，其余为Fe和微量杂质。

优选地，所述钢板复合添加Cr、Ni元素，其化学成分及重量百分比含量为：C：0.03％～0.05％、Si：0.15％～0.30％、Mn≤1.20％、S：≤0.002％、P：≤0.010％、Nb：0.02％～0.10％、Ti≤0.05％、Cr≤0.50％、Ni≤0.50％。其余为Fe和微量杂质。

另外，本发明提供了一种上述超低碳高强韧性抗HIC管线钢板的制备方法，包括以下步骤：

1)钢坯制造：将原料依照常规方法制成钢坯，例如，将钢坯原料通过转炉、LF钢包精炼炉、RH真空脱气及板坯连工艺过程，制得钢坯；

2)钢坯加热工艺：将钢坯装炉加热，加热温度控制在1180-1250℃；所述钢坯装炉温度不高于150℃，加热时间8-10min/cm，均热时间不少于40min；

3)轧制工艺：对步骤2)制得的加热钢坯采用两阶段轧制工艺成型，制得钢板。粗轧机进行≥1100℃的再结晶轧制；精轧开轧温度为830-980℃，精轧开轧制厚度为成品厚度3.0-6.0倍。粗轧过程中，钢坯在粗轧机前顺时针旋转90°，优先进行横轧至目标宽度，然后逆时针旋转90°进行纵轧至精轧开轧厚度。纵轧过程中后三道的道次压下率控制在15％-20％以上；

4)冷却工艺：对步骤3)轧制后的钢板冷却，钢板开冷温度控制在750-810℃，终冷温度控制在580-650℃，冷却速度控制在5-30℃/s。为保证钢板厚度方向的相变协调性，上下水流量比控制在0.4-1.0之间。

优选地，当成品钢板厚度为12-16mm时，钢坯精轧开轧厚度为成品钢板厚度的4.0～6.0倍，钢坯粗轧终轧温度≥1100℃，钢坯精轧开轧温度为970～1000℃，开冷温度为780-810℃，终冷温度为600-650℃，冷速为18-30℃/s，上下水流量比为0.4-0.7。

优选地，当成品钢板厚度为＞16-20mm时，钢坯精轧开轧厚度为成品钢板厚度的3.0～4.0倍，钢坯粗轧终轧温度≥1100℃，精轧开轧温度为960～970℃，开冷温度为780-810℃，终冷温度为550-600℃，冷速为12-18℃/s，上下水流量比为0.4-0.7。

优选地，精轧轧制模式采用仅控制开轧温度的轧制模式，轧制过程禁止钢坯待温。所述精轧轧制道次为5-9道次

本发明的化学成分设计原理如下：

碳(C)：碳作是钢中提高强度最有效的元素之一，但对于有抗HIC性能的材料而言，其含量过高将会严重降低抗HIC性能。美国石油学会发布的《管线钢管规范API 5L-2012》、国家质检总局发布的《石油天然气工业管线输送系统用钢管GB/T9711-2011》等标准中明确规定钢中碳含量≤0.10％。因此，为确保抗HIC性能，抗HIC管线钢中碳含量应在0.03％～0.10％。

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。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。但锰含量过高，会产生控轧钢板的中心偏析，不利于抗HIC性能。

镍(Ni)、铬(Cr)：镍和铬可以通过固溶强化提高钢的强度，以弥补因钢中碳含量的降低导致的强度损失。另外，钢中添加镍和铬也可以改善钢的耐腐蚀性能。

铌(Nb)、钛(Ti)：鉴于钢中碳、锰等合金元素含量的降低，钢的强度损失较大，添加铌、钛微合金元素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。

磷(P)：磷是钢中的易偏析元素，将导致材料抗HIC性能的降低。因此，应当尽量降低钢中磷含量。

硫(S)：硫在钢中形成硫化物，是氢致裂纹(HIC)诱发的主要原因。因此，应当尽量降低钢中硫含量，减少硫化物数量和级别。

本发明的轧制技术设计原理如下：

粗轧时首先进行横轧，即将钢坯顺时针旋转90°，横轧至目标宽度，然后逆时针旋转90°，进行大压下率轧制至目标精轧开轧厚度。这种轧制方式可以确保粗轧过程中，减小展宽对有效压缩比的不利影响，使轧制变形量更充分的渗入钢板心部，对最终成形后的钢板厚度方向的组织均匀性起到有益的作用。

精轧过程中的待温会使具有高应变能的形变奥氏体晶粒回复和长大，不利于钢板的显微组织的细化。另外，由于钢板添加含量较高的Nb等合金元素，待温导致的温降将会是钢坯的变形抗力大幅提高，不利于钢板的板形控制。因此，精轧过程中禁止待温。

本发明涉及的超低碳高强韧性抗HIC管线钢板及制备方法，为了降低氢致开裂敏感性，采用低碳、低磷、低锰的成分设计体系以降低锰、磷等元素在连铸坯内部产生偏析，钢中的极低硫含量控制降低硫化物数量和级别，以减小氢致裂纹的风险。

为获得良好的抗HIC性能，综合低碳高Nb，Ti微合金化技术和控制轧制与控制冷却技术，得到细小均匀的铁素体+少量退化珠光体组织类型钢板。

为弥补因低碳、低锰导致钢板力学性能的降低，最终成型轧制后加速冷却过程中淬透性的降低，进行Ni合金化或Ni、Cr复合合金化以弥补强度损失，增加了钢板水冷过程中的淬透性，确保钢板厚度方向组织的均匀性。

为保证轧制压下量全部有效深入心部，粗轧阶段，首先将钢坯进行宽展轧制至目标宽度，然后进行纵轧。

精轧过程中的待温度使得形变奥氏体的回复和长大，对显微组织细化产生不利影响。另外，由于钢中添加和含量较多的Nb等合金元素，轧制过程中待温导致的温降使得轧制力急剧增大，不利于板型的在线控制。因此，采用尽量少的轧制道次完成最终成型轧制，采用增加精轧机前除磷水的使用等手段防止轧制过程的待温。

附图说明

图1为本发明实施例2得到的16mm厚度钢板近表面处的金相组织。

图2为本发明实施例2得到的16mm厚度钢板距离钢板1/4厚度处的金相组织。

图3为本发明实施例2得到的16mm厚度钢板距离钢板1/2厚度处的金相组织。

图4为本发明实施例2得到的16mm厚度钢板距离钢板3/4厚度处的金相组织。

图5为本发明实施例2得到的16mm厚度钢板另一近表面处的金相组织。

具体实施方式

下面以具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

本实施例中，超低碳高强韧性抗HIC管线钢板的化学成分及重量百分比含量为：C：0.04％、Si：0.25％、Mn：1.15％、S：0.001％、P：0.009％、Nb：0.055％、Ti：0.015％、Ni：0.14％，其余为Fe和微量杂质。生产工艺流程为铁水预处理、顶底复吹转炉冶炼、LF钢包炉精炼、RH真空脱气精炼及板坯连、4300mm二阶段轧制、轧后加速冷却等工艺过程，具体如下：

钢坯加热：钢坯装炉温度不高于150℃，加热参考时间按8-10min/cm，均热时间不少于40min保证钢坯烧匀烧透，各点温度差≤20℃。钢坯加热温度控制在1180-1250℃。

粗轧工艺：粗轧机进行≥1000℃的再结晶轧制。粗轧过程中，钢坯在粗轧机前顺时针旋转90°，优先进行横轧至目标宽度，然后逆时针旋转90°进行纵轧至精轧开轧厚度。纵轧过程中后三道的道次压下率控制在15％-20％。

精轧工艺：精轧控制包括采用偏控制开轧温度的轧制模式，精轧开轧制厚度为成品厚度3-6倍，精轧开轧温度控制在830-980℃。精轧过程中在5-9道次内完成最终成型轧制，禁止轧制过程待温。

冷却工艺：最终成型后的控制冷却的开冷温度控制在750-810℃，终冷温度控制在580-650℃，冷却速度控制在5-30℃/s。为保证钢板厚度方向的相变协调性，上下水流量比控制在0.4-1.0之间。

具体地，当成品钢板厚度为12-16mm时，钢坯精轧开轧厚度为成品钢板厚度的4.0～6.0倍，钢坯粗轧终轧温度≥1100℃，钢坯精轧开轧温度为970～1000℃，开冷温度为780-810℃，终冷温度为600-650℃，冷速为18-30℃/s，上下水流量比为0.4-0.7。

具体地，当成品钢板厚度为＞16-20mm时，钢坯精轧开轧厚度为成品钢板厚度的3.0～4.0倍，钢坯粗轧终轧温度≥1100℃，精轧开轧温度为960～970℃，开冷温度为780-810℃，终冷温度为550-600℃，冷速为12-18℃/s，上下水流量比为0.4-0.7。

具体地，精轧轧制模式采用仅控制开轧温度的轧制模式，轧制过程禁止钢坯待温。所述精轧轧制道次为5-9道次。

按照本发明提供的成分设计和生产工艺，除本说明书已经说明的情况外，本实施例中采用钢坯断面尺寸为200mm×2200mm，采用双机架两阶段控轧，最终钢板断面尺寸为(12-19)mm×(2000-2500)mm，实施例1的生产工艺见表1，实物的性能检验结果见表2。

实施例2

在实施例1的基础上添加Cr元素，具体地，超低碳高强韧性抗HIC管线钢板的化学成分及重量百分比含量为：C：0.04％、Si：0.22％、Mn：1.10％、S：0.0007％、P：0.009％、Nb：0.050％、Ti：0.015％、Ni：0.145％、Cr：0.25％，其余为Fe和微量杂质。

本实施例的生产制备方法同实施例1，区别在于：

钢板添加了Cr元素，其重量百分比含量为0.25％。

按照本发明提供的成分设计和生产工艺，除本说明书已经说明的情况外，本实施例中采用钢坯断面尺寸为200mm×2200mm，采用双机架两阶段控轧，最终钢板断面尺寸为(12-19)mm×(2000-2500)mm，实施例1的生产工艺见表1，实物的性能检验结果见表2。

表1本发明的超低碳高强韧性抗HIC管线钢板的轧制与冷却工艺参数

表2本发明的超低碳高强韧性抗HIC管线钢板的力学性能

注：上述力学性能测试采用国际通用方法。

表3本发明的超低碳高强韧性抗HIC管线钢板的抗HIC性能

注：(1)根据NACE TM 0284-2003以及GB/T 8650-2006进行抗氢致开裂性能试验，试验溶液为A溶液，即5％NaCl+0.5％CH3COOH+饱和硫化氢水溶液(其中氯化钠和冰乙酸的试剂纯度为分析纯，溶剂为去离子水，氮气纯度为99.99％，硫化氢纯度为99.9％)，反应器皿为10L玻璃反应釜，控温方式为循环水浴加热。

(2)试样浸泡96小时后取出清洗，经线切割分割后研磨、抛光，在显微镜下观察，放大倍数为100倍。测量试样截面产生的所有裂纹的长度及厚度，并计算CSR、CLR、CTR。

通过以上表2和表3以及附图1-5可以看出，根据本发明实施例制造的钢板至少存在以下优点：

(1)通过超低C和低Mn成分设计、实施合理有区别的粗轧和精轧工艺模式、轧后钢板加速冷却及钢板上下水流比的优化，可有效地保证工业批量生产钢板获得细小的铁素体和少量退化珠光体组织，保证钢板厚度方向组织均匀性，大大降低氢致开裂(HIC)产生的倾向，提高抗氢致开裂性能。

(2)通过添加Cr、Ni元素或仅添加Ni等合金元素，不添加V等贵重金属，结合热机械控轧控冷的先进技术，可以以低成本实现高强度、高韧性、良好抗HIC性能管线钢板的生产。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (8)

1.一种超低高强韧性抗HIC管线钢板，其特征在于，所述超低碳高强韧性抗HIC管线钢板的化学成分及重量百分比含量包括：C：0.03％-0.05％、Si：0.15％-0.30％、Mn：≤1.20％、S：≤0.002％、P：≤0.01％、Nb：0.02％-0.08％、Ti：≤0.05％，其余为Fe和不可避免微量杂质。

2.根据权利要求1所述的超低碳高强韧性抗HIC管线钢板，其特征在于，所述超低碳高强韧性抗HIC管线钢板中还包括：单独添加Ni：≤0.50％，或者Ni：≤0.50％和Cr：≤0.50％两者的混合添加。

3.根据权利要求1所述的超低碳高强韧性抗HIC管线钢板，其特征在于，所述钢板显微组织主要由铁素体和少量退化珠光体组成。

4.一种权利要求1-3任一所述的超低碳高强韧性抗HIC管线钢板的制备方法，包括：钢坯加热、成型轧制和加速冷却，具体包括以下步骤：

1)钢坯加热：将原料制成钢坯，将钢坯装炉加热，加热温度控制在1180-1250℃；所述钢坯加热时间8-10min/cm，均热时间不少于40min；

2)成型轧制：对步骤1)制得的加热钢坯采用两阶段轧制工艺成型，制得钢板；其中，粗轧机进行≥1100℃的再结晶轧制；精轧开轧温度为830-980℃，精轧开轧制厚度为成品厚度3.0-6.0倍；

3)加速冷却：对步骤2)轧制后的钢板冷却，钢板开冷温度为750-810℃，终冷温度为580-650℃，冷却速度为5-30℃/s。钢板冷却过程中上、下水流量比为0.4-1.0。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1)均热过程，各点温度差≤20℃。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2)采用4300mm双机架两阶段轧制工艺成型。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2)粗轧前，首先将钢顺时针旋转90°，将钢坯轧制至目标宽度，然后将钢坯逆时针旋转90°纵轧至精轧开轧厚度，纵轧道次压下率控制在15％-20％。粗轧过程总轧制道次数为5-7。

8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2)精轧轧制模式采用仅控制开轧温度的轧制模式，轧制过程禁止钢坯待温。所述精轧轧制道次为5-9道次。