CN104988414A

CN104988414A - 一种强韧性能的碳钢与不锈钢复合钢板及生产方法

Info

Publication number: CN104988414A
Application number: CN201510344441.8A
Authority: CN
Inventors: 王志勇; 田士平; 白学军; 闫智平; 刘永利; 董占斌; 张跃飞; 李群; 李家鼎; 王小勇; 孙启昆; 谌铁强; 王坤; 刘晓辉; 郝珊
Original assignee: Qinhuangdao Shouqin Metal Materials Co Ltd
Current assignee: Qinhuangdao Shouqin Metal Materials Co Ltd
Priority date: 2015-06-20
Filing date: 2015-06-20
Publication date: 2015-10-21

Abstract

一种强韧性能的碳钢与不锈钢复合钢板，属于金属复合板生产技术领域。碳钢为基材，满足API5L《美国石油管线钢规范》要求；316L不锈钢为复层，成分满足ASTM A240M-05标准《用于压力容器和一般用途的铬和铬镍不锈钢板、薄板和带钢的标准规范》要求，助焊剂为BNi系钎焊料；阻焊剂为氧化镁与氧化铝的混合物。工艺包括钢坯组坯、加热、粗轧、精轧、热处理。优点在于，具有非常优良的强韧性性能以及抗氢致开裂性能，使得原油输送管的使用安全性得到提高。

Description

一种强韧性能的碳钢与不锈钢复合钢板及生产方法

技术领域

本发明属于金属复合板生产技术领域，特别涉及一种强韧性能的碳钢与不锈钢复合钢板及生产方法。适用于制造输送耐蚀性石油、天然气的钢管。

背景技术

目前的石油管道的材质一般为低碳钢，如API B-X80等钢级，但是随着未来腐蚀性油气以及海洋油气的开发，一般碳钢无法满足其耐蚀性要求，如果继续使用一般管线钢的话会带来较大的质量风险。采用不锈钢与碳钢复合板为油气输送材质有着显著的优势，由于其既具有不锈钢材料耐腐蚀性，又具有一般管线钢材料的强度和韧性，可以大大降低管道腐蚀开裂的风险。使用不锈钢复合板的钢管是以不锈钢做内衬，以碳钢为基材，钢管兼具不锈钢和碳钢的优点，在综合性能上(尤其是耐蚀性和强度)大大优于单一的不锈钢或碳钢，具有很好的运用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种强韧性能的碳钢与不锈钢复合钢板及生产方法，解决了耐蚀性和强度不能很好兼具的问题。钢级为316L+X60，提高了石油管道的使用安全性，对我国的管道事业发展具有重大意义。

一种强韧性能的碳钢与不锈钢复合钢板，碳钢1为基材，基材X60满足API5L《美国石油管线钢规范》要求，按重量百分含量为：C：0.03～0.10％，Si：0.01～0.40％，Mn：1.00～1.70％，P：≤0.015％，S：≤0.003％，Alt：0.01～0.06％，N：≤0.006％，H：≤0.0002％，余量为Fe和不可避免杂质元素，金相组织由针状铁素体组织组成。316L不锈钢3为复层，复层成分满足ASTM A240M-05标准《用于压力容器和一般用途的铬和铬镍不锈钢板、薄板和带钢的标准规范》要求，其中，按重量百分含量：C≤0.03％Mn≤2.0％,，Si≤0.75％，此外还含有Cr、Ni、Mo等增加耐腐蚀性合金元素。助焊剂2为BNi系钎焊料，其中Si含量3～7wt％之间，其余为Cr、Ni、Fe等,熔点950～1050℃，增加基材和复层之间的复合强度。阻焊剂4为氧化镁与氧化铝的混合物，起到防止两层不锈钢层复合的作用。

碳钢1中可以添加Nb、V、Ti、Cu、Ni、Cr微合金强化元素，Nb+V+Ti≤0.15wt％；Cu：0.00～0.30wt％、Ni：0.00～0.30wt％、Cr：0.00～0.30wt％中选择的1～3种。

一种强韧性能的碳钢与不锈钢复合钢板的生产方法，具体工艺步骤及参数如下：

1、将冶炼好的碳钢1和316L不锈钢3钢坯分别进行开坯轧制，轧到设计的中间坯尺寸，中间坯厚度100-150mm；然后对钢坯进行表面抛磨处理；再进行钢坯组坯，钢坯为对称复合，上下两层为碳钢1，中间两层为316L不锈钢3，在碳钢1与316L不锈钢3之间加入助焊剂2或不添加助焊剂；在两层316L不锈钢3之间加入阻焊剂4。然后对钢坯进行四边焊接封边，利用机械泵进行抽真空处理，真空度达到10^-3Pa；

2、加热温度控制在1160～1220℃，在炉时间为1.1-1.4t分钟，t为复合钢坯厚度。温度在400℃～800℃区间时，需要缓慢升温。

3、粗轧开轧温度控制在1100～1200℃，单道次压下率在15～30％，第一道次压下量≥35mm；中间坯厚度100～140mm；精轧开轧温度控制在1000～1100℃；终轧温度控制在950～1050℃；

4、钢板轧后空冷，下线堆冷；

5、正火+水冷热处理，正火温度860～930℃，保温时间5-10min，水冷后温度300～500℃，冷却速度20～35℃/s。为了满足冷速要求，复合板采取单层入炉，头尾焊接1-2m碳钢作为导板，防止复合板变形后撞击辊道和水冷设备。淬火机关闭高压段，仅开启低压段，通过控制辊道速度满足水冷后温度和冷速的要求。

本发明内容的构成要点立足于以下认识：钢坯结合面的氧化铁皮清理效果对于钢板的复合效果影响有较大的影响，高真空要求，为满足钢坯复合的要求真空度达到10^-3Pa的高真空要求。助焊剂的选择对钢板的复合效果影响较大，轧制过程轧钢工艺的设计需要考虑同时保证两块钢板复合界面的剪切强度，以及不锈钢316L，碳钢X60各自本身的各项性能要求，因此采取直轧加热处理水冷的独特工艺设计。

本发明的优点在于，所述的316L+X60钢板，其复合界面的剪切强度在350MPa以上，探伤达到GB/T 8165《不锈钢复合钢板和钢带》标准结合率1级要求，即100％结合。316L不锈钢抗拉强度达到550MPa,延伸率A50.8达到40％，X60抗拉强度达到580MPa，-20℃冲击功达到300-400J，-10℃DWTT剪切面积大于85％。具有非常优良的强韧性性能以及抗氢致开裂性能，使得原油输送管的使用安全性得到提高。

附图说明

图1为本发明的钢坯组坯示意图。其中，碳钢1、助焊剂2、316L不锈钢3、阻焊剂4。

图2为复合板的金相组织图。

具体实施方式

实施例1

本实验碳钢1为基材，基材X60化学成分C：0.03～0.10％，Si：0.01～0.40％，Mn：1.00～1.70％，P：≤0.015％，S：≤0.003％，Alt：0.01～0.06％，N：≤0.006％，H：≤0.0002％，余量为Fe和不可避免杂质元素，还添加Nb、V、Ti、Cu、Ni、Cr微合金强化元素，Nb+V+Ti≤0.15％；Cu：0.00～0.30％、Ni：0.00～0.30％、Cr：0.00～0.30％中选择的1～3种。其余为Fe和不可避免杂质元素。

实际化学成分(wt％)如表1所示：

表1 实施例1实际化学成分

C	SI	MN	P	S	Alt	NB	V	TI	NI	Cr	Cu	CEQ
													0.085	0.26	1.45	0.012	0.0019	0.035	0.05	0.035	0.014	0.239	0.2	0.115	0.42

复层316L不锈钢3成分满足ASTM A240M-05标准《用于压力容器和一般用途的铬和铬镍不锈钢板、薄板和带钢的标准规范》要求，重量百分含量为即C≤0.03％,Mn≤2.0％,Si≤0.75％,此外还含有Cr,Ni,Mo等增加耐腐蚀性合金元素。钢板规格为：(20+3.5)×1800×12000mm(厚度×宽度×长度)，其中碳钢1厚度为20mm，316L不锈钢3厚度为3.5mm。

生产工艺包括钢坯组坯、加热、粗轧、精轧、热处理，具体为：

(1)将按化学成分设计冶炼好的钢坯进行开坯轧制；碳钢1钢坯厚度140mm，316L不锈钢3中间钢坯厚度28mm，利用铣床进行复合面的表面清理，碳钢1与316L不锈钢3界面不加助焊剂，两层316L不锈钢3之间加入阻焊剂4，然后对钢坯进行四边焊接封边，利用机械泵进行抽真空处理，真空度达到10^-3Pa。

(2)加热温度为1180℃，在炉时间为1.3t分钟，t为复合钢坯厚度。温度由400℃上升到800℃区间缓慢升温。

(3)粗轧开轧温度为1160℃，单道次压下率在20％，第一道次压下量38mm；中间坯厚度123mm；精轧开轧温度为1060℃；终轧温度为1010℃；

(4)钢板轧后空冷，下线堆冷；

(5)正火+水冷热处理，正火温度880℃，为同时满足强度和韧性指标，水冷后温度370℃，实际冷速26℃/s。为了达到冷速要求，复合板采取单层入炉，头尾焊接2m碳钢作为导板，防止复合板变形后撞击辊道和水冷设备。淬火机关闭高压段，仅开启低压段，通过控制辊道速度满足水冷后温度和冷速的要求。

生产的产品性能见下表2。

表2 实施例1钢板性能

实施例2

实际化学成分(wt％)如表3所示：

表3 实施例2实际化学成分

C	SI	MN	P	S	Alt	NB	V	TI	NI	Cr	Cu	CEQ
													0.082	0.22	1.5	0.01	0.0016	0.033	0.04	0.037	0.014	0.245	0.21	0.143	0.42

生产工艺包括钢坯组坯、加热、粗轧、精轧、水冷，具体为：

(1)将按化学成分设计冶炼好的钢坯进行开坯轧制；碳钢1钢坯厚度140mm，316L不锈钢3中间钢坯厚度28mm，利用铣床进行复合面的表面清理，碳钢1与316L不锈钢3界面加入助焊剂2，两层316L不锈钢3之间加入阻焊剂4，然后对钢坯进行四边焊接封边，利用机械泵进行抽真空处理，真空度达到10^-3Pa。

(2)加热温度控制在1190℃，在炉时间为1.3t分钟，t为复合钢坯厚度。温度由400℃上升到800℃区间缓慢升温。

(3)粗轧开轧温度控制在1180℃，单道次压下率在29％，第一道次压下量38mm；中间坯厚度123mm；精轧开轧温度为1030℃；终轧温度为980℃；

(4)钢板轧后空冷，下线堆冷；

(5)正火+水冷热处理，正火温度880℃，水冷后温度420℃，冷速要求25℃/s。

生产的产品性能见下表4。

表4 实施例2钢板性能

实施例3

实例3实际化学成分(wt％)如表5所示：

表5 实施例3实际化学成分

复层316L不锈钢3成分满足ASTM A240M-05标准《用于压力容器和一般用途的铬和铬镍不锈钢板、薄板和带钢的标准规范》要求，重量百分含量为即C≤0.03％,Mn≤2.0％,Si≤0.75％,此外还含有Cr,Ni,Mo等增加耐腐蚀性合金元素。钢板规格为：(16+3)×1800×12000mm(厚度×宽度×长度)，其中碳钢1厚度为16mm，316L不锈钢3厚度为3mm。

(1)将按化学成分设计冶炼好的钢坯进行开坯轧制；碳钢1钢坯厚度115mm，316L不锈钢3中间钢坯厚度24mm，利用铣床进行复合面的表面清理，碳钢1与316L不锈钢3界面不加入助焊剂2，两层316L不锈钢3之间加入阻焊剂4，然后对钢坯进行四边焊接封边，利用机械泵进行抽真空处理，真空度达到10^-3Pa。

(2)加热温度控制在1180～1200℃，在炉时间为1.2t分钟，t为复合钢坯厚度。温度由400℃上升到800℃区间缓慢升温。

(3)粗轧开轧温度控制在1170℃，单道次压下率在30％，第一道次压下量37mm；中间坯厚度120mm；精轧开轧温度控制在1070℃；终轧温度控制在1010℃；

(4)钢板轧后空冷，下线堆冷；

(5)正火+水冷热处理，正火温度880℃，水冷后温度400℃，冷速要求28℃/s。

生产的产品性能见下表6。

表6 实施例3钢板性能

Claims

1.一种强韧性能的碳钢与不锈钢复合钢板，其特征在于，碳钢(1)为基材，基材按重量百分含量为：C：0.03～0.10％，Si：0.01～0.40％，Mn：1.00～1.70％，P：≤0.015％，S：≤0.003％，Alt：0.01～0.06％，N：≤0.006％，H：≤0.0002％，余量为Fe和不可避免杂质元素，金相组织由针状铁素体组织组成；316L不锈钢(3)为复层，按重量百分含量：C≤0.03％Mn≤2.0％,，Si≤0.75％，还含有Cr、Ni、Mo增加耐腐蚀性合金元素；助焊剂(2)为BNi系钎焊料，其中Si含量3～7wt％之间，其余为Cr、Ni、Fe,熔点为950～1050℃，增加基材和复层之间的复合强度；阻焊剂(4)为氧化镁与氧化铝的混合物。

2.根据权利要求1所述的复合钢板，其特征在于，碳钢(1)中添加Nb、V、Ti、Cu、Ni、Cr微合金强化元素，Nb+V+Ti≤0.15wt％；Cu：0.00～0.30wt％、Ni：0.00～0.30wt％、Cr：0.00～0.30wt％中选择1～3种。

3.一种权利要求1所述的复合钢板的生产方法，其特征在于，具体工艺步骤及参数如下：

1)将冶炼好的碳钢(1)和316L不锈钢(3)钢坯分别进行开坯轧制，轧到设计的中间坯尺寸，中间坯厚度100-150mm；然后对钢坯进行表面抛磨处理；再进行钢坯组坯，钢坯为对称复合，上下两层为碳钢(1)，中间两层为316L不锈钢(3)，在碳钢(1)与316L不锈钢(3)之间加入助焊剂(2)或不添加助焊剂；在两层316L不锈钢(3)之间加入阻焊剂(4)；然后对钢坯进行四边焊接封边，利用机械泵进行抽真空处理，真空度达到10^-3Pa；

2)加热温度控制在1160～1220℃，在炉时间为1.1-1.4t分钟，t为复合钢坯厚度；

3)粗轧开轧温度控制在1100～1200℃，单道次压下率在15～30％，第一道次压下量≥35mm；中间坯厚度100～140mm；精轧开轧温度控制在1000～1100℃；终轧温度控制在950～1050℃；

4)钢板轧后空冷，下线堆冷；

5)正火+水冷热处理，正火温度860～930℃，保温时间5-10min，水冷后温度300～500℃，冷却速度20～35℃/s。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤2)中加热温度在400℃～800℃区间时，要缓慢升温。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤5)中为了满足冷速要求，复合板采取单层入炉，头尾焊接1-2m碳钢作为导板，防止复合板变形后撞击辊道和水冷设备。