CN104726792B - 低焊接裂纹敏感性高强度无缝钢管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及低焊接裂纹敏感性高强度无缝钢管及其制造方法，属于低合金钢制造领域。本发明要解决的技术问题是提供一种低焊接裂纹敏感性高强度无缝钢管。本发明低焊接裂纹敏感性高强度无缝钢管，由以下重量百分比组分组成：C0.08～0.11％，Si0.15～0.40％，Mn1.20～1.60％，P≤0.013％，S≤0.008％，Nb0.030～0.080％，V0.03～0.08％，Ti 0.025～0.040％，Cr0.10～0.30％，Ni≤0.10％，Cu≤0.30％，B0.0008～0.0020％，Mo≤0.10％，Al0.015～0.050％，余量为Fe和不可避免的杂质；PCM≤0.21。本发明无缝钢管具有良好的低焊接裂纹敏感性。
Description
技术领域
本发明涉及低焊接裂纹敏感性高强度无缝钢管及其制造方法，属于低合金钢制造领域。
背景技术
为满足钢结构对低焊接裂纹敏感性钢的需求，自20世纪70年代，国际上开始研制CF钢——低焊接裂纹敏感性钢。该钢种大量应用于钢板的生产，并通过采用淬火+回火或采用TMCP\TPCP+回火工艺保证产品性能满足高强度及低焊接裂纹敏感性的要求。
申请号为200510047196.0的中国专利申请公开了一种高强度低焊接裂纹敏感性钢厚板及其生产方式。该发明中的成分是在C、Mn、Nb、V元素基础上考虑加入了一定量Cu、Ni、Mo元素来保证性能。然而该生产采用的是控轧方式加离线回火，进一步的，加入B元素会引起钢冲击韧性的波动，使钢的韧性变差，因此其未加入B元素。
申请号为200610018010.3的中国专利申请公开了一种低焊接裂纹敏感性钢板及其生产方式。该发明成分中的C合理设计是考虑C≤0.07％，然后通过加入Ni、Mo、B元素来保证性能。生产工艺采用的是控轧+在线水冷淬火+离线回火工艺。
申请号为200810224730.4的中国专利申请公开了一种低焊接裂纹敏感性调质高强度钢板及其制造方法。该发明成分中的C要求控制在0.07～0.09％，并通过加入Ni、Mo等元素进行调质处理来保证性能，其成分中不含有Nb和Cr。
然而上述专利申请都公开的是钢板的生产方法，对于无缝钢管这种中空件的生产，其淬火处理时冷却的效果与板材不同，因此不能简单的采用钢板的生产方法。
申请号为201210422745.8的中国专利申请公开了一种低焊接裂纹敏感性高强钢，并具体公开其由以重量百分数计的下列组分组成：C 0.18～0.23％，Ni 1.4～1.7％,Mn1.5～1.8％；Si≤0.5％，P≤0.040％，S≤0.015％，V 0.03～0.05％，Ti 0.04～0.06％，Cr0.6～0.8％，余量为Fe及不可避免杂质。由于其中C含量较高，因此其也具有较高的PCM。
申请号为201010523107.6的中国专利申请公开了一种生产42CrMo钢无缝钢管的方法，并具体公开了所述热处理步骤中淬火加热至800～900℃，然后用水冷却，其中，钢管的外表面以喷淋的方式冷却，钢管的内表面以内轴流的方式冷却，冷却时先开始内轴流，然后进行钢管外表面喷淋，冷却结束时先停止内轴流，然后停止钢管外表面喷淋；钢管冷却至室温后进行回火，回火加热温度为520～620℃。然而上述工艺是由于42CrMo钢的特殊性决定的，为避免出现淬火裂纹，淬火时选择先开始内轴流，然后进行钢管外表面喷淋，冷却结束时先停止内轴流，然后停止钢管外表面喷淋的方式。
申请号为201310239179.1的中国专利申请公开了一种X90Q中厚壁无缝钢管及其制造方法，并具体公开了所述钢水的成分按重量百分比计为：C 0.11～0.15％，Si 0.17～0.37％，Mn1.4～1.6％，P 0～0.018％，S 0～0.008％，Al 0.02～0.05％，Nb 0.03～0.05％，N 0～0.01％，B0.0008～0.0018％，Cu≤0.2％，V≤0.1％，Ti≤0.06％，余量为Fe及不可避免杂质；其成分中不含有Cr。所述制造方法中包括淬火和回火处理步骤，淬火加热温度为890～950℃，采用外喷淋加内轴流的方式水淬冷却至室温，并且先进行外喷淋然后进行内轴流，停止时同时结束外喷淋和内轴流，然后进行回火处理，回火加热温度为500～560℃，回火后空冷。然而其成分中不含有Cr，且淬火时未明确提出内轴流水量的要求。
申请号为201310236531.6的中国专利申请公开了一种大口径特厚壁无缝钢管及其制造方法，所述管坯的化学成分为：C≤0.2％、Si 0.1～0.55％、Mn1.1～1.7％、P≤0.02％、S≤0.015％、Nb≤0.05％、V≤0.1％、Ti0.007～0.05％、Cr 0.1～0.6％、Ni 0.2～1.4％、Cu≤0.35％、Mo 0.08～0.6％、Al 0.015～0.05％、B 0.0005～0.003％以及余量的铁和不可避免的杂质。由于其壁厚较厚，为30～70mm，因此，其为保证产品的强度指标和—40℃低温冲击指标满足要求，在成分设计时C的最佳控制范围应在0.14～0.20％，同时根据生产钢管的不同壁厚还加入了0.2～1.4％的Ni元素保证低温冲击指标满足要求。进一步的，由于所述无缝钢管不具有低焊接裂纹敏感性要求，因此焊接时必须预热、且焊后需热处理。
综上，随着我国海洋工程装备等领域的不断发展，对低焊接裂纹敏感性高强无缝钢管的需求也逐渐增加。为满足海洋工程用管的需求，急需开发出一种具有较高强度、良好低温冲击韧性的低焊接裂纹敏感性无缝钢管的制造方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种低焊接裂纹敏感性高强度无缝钢管，满足用户在焊接时不预热、不焊后热处理的需求。
本发明低焊接裂纹敏感性高强度无缝钢管，由以下重量百分比组分组成：C 0.08～0.11％，Si 0.15～0.40％，Mn 1.20～1.60％，P≤0.013％，S≤0.008％，Nb 0.030～0.080％，V 0.03～0.08％，Ti 0.025～0.040％，Cr 0.10～0.30％，Ni≤0.10％，Cu≤0.30％，B 0.0008～0.0020％，Mo≤0.10％，Al 0.015～0.050％，余量为Fe和不可避免的杂质；PCM≤0.21。
进一步的，作为优选方案，B含量为0.0010～0.0020％。
作为更优选方案，本发明低焊接裂纹敏感性高强度无缝钢管，由以下重量百分比组分组成：C 0.08～0.09％，Si 0.19～0.28％，Mn 1.24～1.35％，P≤0.013％，S≤0.008％，Nb 0.031～0.038％，V 0.036～0.046％，Ti 0.028～0.035％，Cr 0.17～0.21％，Ni≤0.10％，Cu≤0.30％，B0.00013～0.00014％，Mo≤0.10％，Al 0.023～0.043％。
优选地，本发明低焊接裂纹敏感性高强度无缝钢管的屈强比为0.85～0.90，优选为0.85～0.87。
进一步的，本发明所述低焊接裂纹敏感性高强度无缝钢管壁厚优选≤25mm，更优选为16～25mm。
进一步的，本发明还公开了上述低焊接裂纹敏感性高强度无缝钢管的制造方法，包括钢水冶炼、铸坯、热轧和调质热处理步骤，所述调质热处理步骤包括对热轧得到的无缝钢管顺序进行淬火和回火处理，淬火出炉管温为940～960℃，淬火的冷却方式为浸淬加内轴流，回火出炉管温为630～670℃。
优选地，所述淬火过程使用的专管器转速为60～70转/分钟。
进一步的，所述内轴流水量(m3/h)优选≥((D-2S)÷2)2×0.0113×L，其中，D为钢管外径，单位为mm，S为钢管壁厚，单位为mm；其中，当钢管长度≤12m时，L＝12，当钢管长度＞12m时，L＝钢管长度。
本发明有益效果：
1、通过降低C含量(C≤0.11％)和添加Ti元素来提高钢管的焊接性能。使其具有良好的低焊接裂纹敏感性。
2、只考虑加入适量的Cr、Nb、V、B、Ti元素细化晶粒、提高钢管淬透性，而不考虑加入Mo、Ni等较贵重合金元素，通过采用浸淬+内轴流的方式进行淬火和回火热处理，保证钢管在Pcm≤0.21％的情况下钢管具有较高的强度指标和优良的－20℃低温冲击韧性，实现低成本生产低焊接裂纹敏感性高强度无缝钢管的目的。同时钢管的屈强比控制在0.85～0.90范围，在充分挖掘材料潜力的前提下，避免了过高的屈强比带来的材料使用安全性的问题。
3、合理的成分设计，使本发明低焊接裂纹敏感性高强度无缝钢在630℃～670℃温度范围内具有良好的回火稳定性。
4、本发明低焊接裂纹敏感性高强度无缝钢管的抗张强度≥620MPa、－40℃低温冲击功≥47J，可满足海洋工程用管的需求。
附图说明
图1Φ325*25无缝钢管金相组织图(调质态500×)。
具体实施方式
本发明低焊接裂纹敏感性高强度无缝钢管，由以下重量百分比组分组成：C 0.08～0.11％，Si 0.15～0.40％，Mn 1.20～1.60％，P≤0.013％，S≤0.008％，Nb 0.030～0.080％，V 0.03～0.08％，Ti 0.025～0.040％，Cr 0.10～0.30％，Ni≤0.10％，Cu≤0.30％，B 0.0008～0.0020％，Mo≤0.10％，Al 0.015～0.050％，余量为Fe和不可避免的杂质；PCM≤0.21。
进一步的，作为优选方案，本发明低焊接裂纹敏感性高强度无缝钢管，由以下重量百分比组分组成：C 0.08～0.09％，Si 0.19～0.28％，Mn 1.24～1.35％，P≤0.013％，S≤0.008％，Nb0.031～0.038％，V 0.036～0.046％，Ti 0.028～0.035％，Cr 0.17～0.21％，Ni≤0.10％，Cu≤0.30％，B 0.00013～0.00014％，Mo≤0.10％，Al 0.023～0.043％；PCM≤0.21。
进一步的，作为优选方案，本发明低焊接裂纹敏感性高强度无缝钢管中裂纹敏感指数PCM≤0.21，即：
PCM(％)＝C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Cr/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B≤0.21％。
PCM≤0.21可满足低焊接裂纹敏感性要求，达到钢管焊接时不预热、不焊后热处理的需求。
进一步的，由于在一定的抗拉强度水平下，提高钢的屈服强度，亦即提高钢的屈强比，可增加材料的使用应力，挖掘材料的潜力，但过高的屈强比又会带来材料使用时安全性问题，因此，作为优选方案，本发明低焊接裂纹敏感性高强度无缝钢管的屈强比控制在0.85～0.90范围，更优选为0.85～0.87。
冶炼时加入0.025～0.040％钛铁进行微钛处理，利用Ti与钢中N形成TiN，部分凝固状态下析出的TiN可阻止钢管在加热、焊接过程中晶粒的长大，改善母材和焊接热影响区的韧性。除此之外因为硼是极活泼的元素，在钢中易于与O、N化合形成稳定的夹杂物而丧失其有益的作用，只有固溶在钢中的有效硼才能起到明显的提高淬透性的作用，相关研究表明当钢中Ti/N≥4.0时，钢中有效B占全B的比例可以达到80％以上，故加入0.025～0.040％钛，利用钛的强固氮作用，从而大大提高了钢中的有效B含量，以此保证了钢的淬透性。
对于无缝钢管的生产来说，由于在淬火处理时的冷却强度达不到板材淬火时的冷却强度，因此为保证无缝钢管在不加入更多合金元素的前提下抗张强度≥620MPa，C含量的确定尤其重要。本发明在考虑满足低焊接裂纹敏感性的要求下(C≤0.12％)，C要求控制在0.07％以上。C的优选范围为0.08～0.11％。
B是影响钢淬透性最突出的一个元素，在钢中加入B来提高淬透性可节约其他较贵重合金元素的加入量，对本发明的低焊接裂纹敏感性高强度无缝钢管的生产，由于采用的是低碳钢的设计思路，因此加入适宜的B元素是必须的。一般情况下，B在0.0005％以上就有提高钢淬透性的效果，在0.0010％以上提高钢淬透性的效果最显著，但超过0.0020％后则不再有什么增加。考虑到该元素在冶炼过程中较难精确控制，因此范围设定在0.0008～0.0025％，优选范围为0.0010～0.0020％。
Ni与铁以互溶的形式存在于钢中的α相和γ相中，使之强化，并通过细化α相的晶粒，改善钢的低温性能，特别是韧性。Ni由于降低临界转变温度和降低钢中各元素的扩散速度，Ni是形成和稳定奥氏体的主要合金元素，可以提高淬透性，改善钢的低温韧性，可以实现钢的高强韧性匹配。
Mo与Mn和Cr合金配合使用能抑制奥氏体至贝氏体的转变，稳定奥氏体组织，提高淬透性，细化了马氏体或贝氏体的板条尺寸，使碳氮化物析出更加均匀细小，进而提高钢的强韧性能。Mo可以起到提高钢的淬透性、提高热强性、防止回火脆性等作用。Mo含量在0.20％以上时其效果明显，但Mo含量较高会导致钢的焊接性能变差。
从节约成本的角度出发，本发明低焊接裂纹敏感性高强度无缝钢管也可以不添加Ni和Mo，无缝钢管的性能也可达到要求。
本发明的具体方案适合于采用调质处理生产壁厚≤25mm的低焊接裂纹敏感性高强度无缝钢管。
本发明低焊接裂纹敏感性高强度无缝钢管的生产工艺线为：VD钢锭或连铸坯→热轧→淬火+回火→矫直→超探→检查→包装。炼钢步骤可经LF精练炉+VD真空处理的模铸镇静钢或连铸坯。热轧步骤：管坯在环形炉加热按1230～1270℃加热后，经穿孔、轧管机轧制、定径、矫直完成管坯的成型轧制。
对于无缝钢管这种中空件的生产，由于淬火处理时冷却的效果不如板材好，为保证在低C且不加入Mo、Ni合金元素的情况下钢管的淬火效果，必须制定合理的淬火工艺参数，最终确定钢管调质热处理工艺为：淬火出炉管温为950±10℃，回火出炉管温为630℃～670℃，保温时间及淬火时间根据不同壁厚进行调整。
本发明低焊接裂纹敏感性高强度无缝钢管经调质热处理后得到的是回火贝氏体及回火索氏体组织。
进一步的，作为优选方案，各段炉温的控制内轴流水量、专管器的转速等也会对本发明低焊接裂纹敏感性高强度无缝钢管产生影响。
专管器的作用是在淬火过程中使钢管旋转，保证淬火的均匀性，同时也避免钢管淬火时出现弯曲，其转速范围为60～70转/分钟。
冷却方式优选为浸淬+内轴流，淬火时内轴流水量按1秒内冲满12米钢管内孔来考虑，内轴流水量(m3/h)优选≥((D-2S)÷2)2×0.0113×L(D为钢管外径，S为钢管壁厚，单位均为mm)，其中，当钢管长度≤12m时，L＝12，当钢管长度＞12m时，L＝钢管长度。也就是说，对于长度不超过12m的钢管，L＝12；如果钢管长度超过12m，那么L就要跟随钢管长度L变化，这时，L＝钢管长度，但一般情况下本发明低焊接裂纹敏感性高强度无缝钢管长度是不超过12m。这样的冷却方式和内轴流水量可以保证钢管纵向和横向形成均匀的回火贝氏体和回火索氏体组织，以确保钢管性能均匀，满足高强度、高低温韧性的要求。
下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步的描述，并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例1
采用表1中成分及下述工艺生产低焊接裂纹敏感性高强度无缝钢管。
表1 各化学成分(wt％)
余量为Fe和不可避免的杂质。
生产工艺线：
电炉→LF炉→VD真空处理→模铸坯或350连铸坯→环形炉加热→穿孔→轧管机组轧制→检查→热处理(淬火+回火)→矫直→超探→检查→包装。
其中，轧制的基本要求：
开轧前认真检查轧辊、导盘、顶头、芯棒等变形工具的表面质量，并加强芯棒润滑。避免钢管表面产生结疤、麻坑等缺陷。轧制时，环形炉加热温度为1230～1270℃，均热段加热温度为1230～1260℃，为确保壁厚均匀，坯料的保温时间要足够。
钢管热处理工艺为：
1号无缝钢管的规格为Φ426*16，其淬火出炉管温为950±10℃，回火出炉管温为660±10℃，步进周期130秒，以1支/2齿布料，专管器转速为65转/分钟。冷却方式为浸淬+内轴流，淬火时钢管内轴流水量≥5262m3/h。
2号无缝钢管的规格为Φ426*16，其淬火出炉管温为950±10℃，回火出炉管温为660±10℃，步进周期130秒，以1支/2齿布料，专管器转速为65转/分钟。冷却方式为浸淬+内轴流，淬火时钢管内轴流水量≥5262m3/h。
3号无缝钢管的规格为Φ325*25，其淬火出炉管温为950±10℃，回火出炉管温为640±10℃，步进周期135秒，以1支/2齿布料，专管器转速为70转/分钟。冷却方式为浸淬+内轴流，淬火时钢管内轴流水量≥2563m3/h。
4号无缝钢管的规格为Φ325*25，其淬火出炉管温为950±10℃，回火出炉管温为640±10℃，步进周期135秒，以1支/2齿布料，专管器转速为70转/分钟。冷却方式为浸淬+内轴流，淬火时钢管内轴流水量≥2563m3/h。
根据上述成分和方法制备得到的低焊接裂纹敏感性高强度无缝钢管的金相结构件图1，性能数据见表2。
表2 钢管力学性能指标
从图1可以看出本发明低焊接裂纹敏感性高强度无缝钢管组织均匀，金相结构为回火贝氏体+回火索氏体。
本发明表2中看出，采用“电炉炼钢+LF精炼+VD真空精炼+轧管+调质热处理”工艺生产的426*16规格和Φ325*25规格低焊接裂纹敏感性高强度无缝钢管组织均匀，性能良好，实现了高强度和优异的－40℃低温冲击韧性，其综合性能完全可以满足海洋工程用管的需求。
Claims (6)
1.低焊接裂纹敏感性高强度无缝钢管，其特征在于，由以下重量百分比组分组成：C0.08～0.11％，Si 0.15～0.40％，Mn 1.20～1.60％，P≤0.013％，S≤0.008％，Nb 0.030～0.080％，V 0.03～0.08％，Ti 0.025～0.040％，Cr 0.10～0.30％，Ni≤0.10％，Cu≤0.30％，B 0.0008～0.0020％，Mo≤0.10％，Al 0.015～0.050％，余量为Fe和不可避免的杂质；PCM≤0.21；所述低焊接裂纹敏感性高强度无缝钢管的屈强比为0.85～0.87；所述低焊接裂纹敏感性高强度无缝钢管壁厚为16～25mm；
其中，所述低焊接裂纹敏感性高强度无缝钢管的制造方法，包括钢水冶炼、铸坯、热轧和调质热处理步骤，所述调质热处理步骤包括对热轧得到的无缝钢管顺序进行淬火和回火处理，淬火出炉管温为940～960℃，淬火的冷却方式为浸淬加内轴流，回火出炉管温为630～670℃。
2.根据权利要求1所述的低焊接裂纹敏感性高强度无缝钢管，其特征在于，由以下重量百分比组分组成：C 0.08～0.09％，Si 0.19～0.28％，Mn 1.24～1.35％，P≤0.013％，S≤0.008％，Nb 0.031～0.038％，V 0.036～0.046％，Ti 0.025～0.040％，Cr 0.17～0.21％，Ni≤0.10％，Cu ≤0.30％，B 0.00013～0.00014％，Mo≤0.10％，Al 0.023～0.043％。
3.权利要求1或2所述低焊接裂纹敏感性高强度无缝钢管的制造方法，包括钢水冶炼、铸坯、热轧和调质热处理步骤，其特征在于：所述调质热处理步骤包括对热轧得到的无缝钢管顺序进行淬火和回火处理，淬火出炉管温为940～960℃，淬火的冷却方式为浸淬加内轴流，回火出炉管温为630～670℃。
4.根据权利要求3所述的低焊接裂纹敏感性高强度无缝钢管的制造方法，其特征在于：所述淬火过程使用的专管器转速为60～70转/分钟。
5.根据权利要求3或4所述的低焊接裂纹敏感性高强度无缝钢管的制造方法，其特征在于：所述热轧温度为1230～1270℃。
6.根据权利要求3或4所述的低焊接裂纹敏感性高强度无缝钢管的制造方法，其特征在于：所述内轴流水量(m3/h)≥((D-2S)÷2)2×0.0113×L，其中，D为钢管外径，单位为mm，S为钢管壁厚，单位为mm；当钢管长度≤12m时，L＝12，当钢管长度＞12m时，L＝钢管长度。
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