CN106591698A - 一种耐低温超细晶管线钢及其制造方法 - Google Patents

一种耐低温超细晶管线钢及其制造方法 Download PDF

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Abstract

一种耐低温超细晶管线钢及其制造方法，属于管线钢制造领域。其化学成分为：C：0.02～0.04wt.％，Si：0.20～0.40wt.％，Mn：1.50～1.80wt.％，P：＜0.015wt.％，S：＜0.005wt.％，Nb：0.04～0.07wt.％，V：0.005～0.05wt.％，Ti：0.00～0.02wt.％，Mo：0.01～0.15wt.％，(Ni+Cr+Cu)≤0.70％，其余为Fe和不可避免的杂质。通过两阶段控制轧制和控制冷却得到超细晶铁素体/超细晶铁素体+细晶粒状贝氏体组织，其中有效晶粒尺寸≤3μm、晶界取向差≥15°的晶粒体积分数约为85～96％，强度水平达到X80级，‑40℃的DWTT断口平均剪切面积率≥90％，能够满足极低温环境下的安全使用要求。

Description

一种耐低温超细晶管线钢及其制造方法
技术领域
本发明涉及管线钢制造领域，特别涉及一种耐低温超细晶管线钢及其制造方法。
背景技术
2015年6月29日，中俄东线天然气管道中国境内段在黑龙江省黑河市正式开工，标志着这条连接中国和俄罗斯两国的大型陆上能源通道全线启动建设，中俄东线天然气管道中国境内段起自黑龙江省黑河市中俄边境，止于上海市，拟新建管道3170千米。中俄东线天然气管道俄罗斯境内段已于2014年9月初正式开工，将于2018年建成，实现与中国境内段连通。双方约定，2018年俄罗斯开始通过中俄东线向中国供气，供气量逐年增长，最终达到每年380亿立方米。该管道是中国目前口径最大、压力最高的长距离天然气输送管道。然而，有相当一部分的油气资源分布在高寒地区，气候寒冷、环境恶劣，有的是长年的冻土和冰雪覆盖，如在建设西气东输工程、西气东输二线工程和北部管线时，经常遇到-20℃以下的低温环境，中亚管线建设时的环境温度达到了-30℃以下，俄罗斯远东管线建设时的环境温度已达到了-40℃以下。这对管道建设提出了更高的技术要求，即保证高强度和高韧性的同时，还要具有极好的低温韧性。
公式(1)和(2)给出了韧脆转变温度和低温强度与晶粒和亚晶尺寸的关系：
Ttr＝AB ln d-1/2 (1)
σ0.2＝σi+k1d1 -1/2+k2d2 -1 (2)
其中Ttr为金属的韧脆转变温度(DBTT)，A和B为常数，d为晶粒尺寸；σ0.2为金属的低温强度，k1和k2为常数，d1和d2分别为晶粒和亚晶的尺寸。由公式可知，随着金属材料晶粒尺寸和亚晶尺寸的降低，其DBTT降低，低温强度显著增高。因此，获得超细晶组织是解决上述问题的有效方法。
对于提高管线钢的低温韧性，目前已有相关专利公开，如“低温韧性优良且稳定的管线钢及其热轧板卷轧制方法”(申请号：200810233917.0)、“低温大壁厚X80HD大变形管线钢及其生产方法”(申请号：201310603645.X)、“一种稳定控制大壁厚管线钢低温韧性的控轧方法”(申请号：201510160945.4)、“一种耐低温大应变的X80M管线钢及其制备方法与应用”(申请号：201510549191.1)和“一种高寒地区用K65控轧钢板、直缝埋弧焊管及其制造方法”(申请号：201410636517.X)等，但是上述专利报道的管线钢的低温韧性最高能达到-35℃下DWTT断口平均剪切面积率为85％，还不能满足全部低温环境下的使用要求。专利“具有优异低温韧性的管线钢及其制造工艺”(申请号：201410134149.9)报道的管线钢最高低温韧性可以达到-40℃的DWTT剪切面积率为95％，但是其均值在90％以下，并且强度也不能达到X80级的水平。专利“一种高性能超细针状铁素体型输气管线钢制备工艺”(200310119100.8)报道的管线钢平均晶粒尺寸达到2μm，但是并未给出低温条件下的DWTT性能。综上所述，具有超细晶组织(有效晶粒尺寸≤3μm)并且低温性能优异(-40℃的DWTT断口平均剪切面积率达到90％)的高等级(≥X80级)管线钢还未见报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐低温超细晶管线钢及其制造方法。通过两阶段的控制轧制工艺，结合奥氏体动态再结晶(r-DRX)、应变诱导铁素体相变(DIFT)和铁素体动态再结晶(a-DRX)，获得高比例的超细晶粒。再结合两阶段控制冷却，最终得到有效晶粒尺寸小于3μm的超细晶铁素体/超细晶铁素体+细晶粒状贝氏体组织。
本发明的管线钢的化学成分为：C：0.02～0.04wt.％，Si：0.20～0.40wt.％，Mn：1.50～1.80wt.％，P：＜0.015wt.％，S：＜0.005wt.％，Nb：0.04～0.07wt.％，V：0.005～0.05wt.％，Ti：0.00～0.02wt.％，Mo：0.01～0.15wt.％，(Ni+Cr+Cu)≤0.70％，其余为Fe和不可避免的杂质。
组织类型为：超细晶铁素体/超细晶铁素体+细晶粒状贝氏体，其中，有效晶粒尺寸≤3μm(晶界取向差≥15°)的晶粒体积分数约为85～96％，剩余为其它尺寸范围的晶粒；
强度水平为X80级，-40℃的DWTT断口平均剪切面积率≥90％。
本发明各元素的作用如下：
碳：①是同铌、钒和钛形成碳化物延迟奥氏体再结晶的必要元素，②对冲击韧性影响较大，含量高会明显破坏焊接性能，③含量小于0.04％可以确保在较低温度轧制过程中获得足够的应变累积。
硅：具有较强的固溶强化作用，但是过高会损害钢的低温韧性。
锰：具有固溶强化作用，可以弥补碳含量降低导致的屈服强度下降，同时还可提高钢的韧性，降低韧脆转变变温度；此外，锰能降低冷却时钢的相变温度，对铁素体的晶粒尺寸具有细化作用。但是过高的锰含量会加大控轧钢板的中心偏析，对焊接性能不利。
磷和硫：是钢中额杂质元素，会显著降低韧性和焊接性能，尤其是低温韧性，其含量分别控制在0.015％和0.005％以内。
铌：细化晶粒的重要元素之一，①提高奥氏体的再结晶温度，细化奥氏体晶粒；②固溶铌具有溶质拖拽作用，阻碍晶粒长大；③较低温度变形时应变诱导析出，是形核的有利位置提高形核率，从而细化晶粒。但是含量高时提高低温韧性的作用趋于饱和。
钒：在较低温度轧制时应变诱导析出，提高形核率而细化晶粒；与铌配合，增加其细化晶粒的作用。
钛：高温下形成稳定的TiN，在再加热过程中抑制奥氏体晶粒长大；还可以促进粒状贝氏体的形成。含量过高会形成大尺寸的析出相，影响钢的韧性。
钼：提高管线钢的强韧性，促进控制冷却过程中粒状贝氏体的形成，但是含量过高会提高成本。
镍、铬和铜：作为钼的补加元素，对相变过程的影响与钼类似。
本发明提供的一种耐低温超细晶管线钢及其制造方法的制造工艺如下：
冶炼和铸造：采用转炉或电炉冶炼，铸造采用连铸。
铸坯再加热：将铸坯装入加热炉中加热，加热温度为1150～1200℃，时间为1～3小时。
在中厚板轧机上进行轧制，采用两阶段轧制工艺：第一阶段轧制温度为1050～950℃，累计变形量为35～55％，第二阶段轧制温度为Ar3+60℃～Ar3-40℃，累计变形量为65～75％。
轧后进行控制冷却，采用两阶段控冷工艺：第一阶段以＞25℃/s的速度冷却到600～500℃，第二阶段为空冷。
本发明提供的一种耐低温超细晶管线钢及其制造方法所制备的管线钢组织类型为：超细晶铁素体/超细晶铁素体+细晶粒状贝氏体，其中，有效晶粒(晶界取向差≥15°)尺寸≤3μm的晶粒体积分数约为85～96％，剩余为其它尺寸范围的晶粒。
本发明提供的一种耐低温超细晶管线钢及其制造方法所制备的管线钢，强度水平为X80级，-40℃的DWTT断口平均剪切面积率≥90％。
本发明涉及的一种耐低温超细晶管线钢及其制造方法的工艺控制原理如下：
低碳复合微合金设计使得工艺中的较低温轧制易于实现，第一阶段在1050～950℃轧制时通过奥氏体的动态再结晶细化组织，缓冷到Ar3+60℃～Ar3-40℃时会在晶界处产生部分细小的先共析铁素体，此时第二阶段采取大变形量累计变形会使部分已经形成的铁素体发生动态再结晶，使晶粒进一步细化，同时另一部分没有发生动态再结晶的铁素体在低温大变形下会发生碎化过程，产生大量的位错亚结构，此外，还会发生应变诱导铁素体相变，产生细小的应变诱导铁素体。当快速冷却到600～500℃时，少量未转变的奥氏体发生贝氏体相变，转变成细小的粒状贝氏体，最终得到超细铁素体/超细铁素体+少量细小粒状贝氏体的超细晶组织。
本发明的优点在于：
采用超低碳多元复合微合金化设计，确保可以在较低温度下轧制，通过两阶段控制轧制和两阶段控制冷却获得有效晶粒尺寸小于3μm的超细晶组织，具有高的强韧性匹配，同时可以满足-40℃下DWTT实验的要求，能够在极低温环境下安全使用。
附图说明
图1为实例钢号A中得到的耐低温超细晶管线钢的OM照片。
图2为实例钢号A中得到的耐低温超细晶管线钢的SEM照片。
图3为图2中超细晶铁素体的高倍SEM照片。
图4为图2中部分细晶粒状贝氏体的高倍SEM照片。
图5为实例钢号A中得到的耐低温超细晶管线钢的EBSD照片。
具体实施方式
下面通过实例对本发明的实质作进一步说明。
本发明一种耐低温超细晶管线钢及其制造方法，采用真空感应炉冶炼(共3炉)得到连铸坯，化学成分如表1所示。
首先，将连铸坯均匀加热，加热范围控制在1150～1200℃，时间为1～3小时。然后，进行两阶段轧制，第一阶段粗轧温度为1050～950℃，累计变形量为35～55％；第二阶段精轧温度为Ar3+60℃～Ar3-40℃，累计变形量为65～75％。最后，＞25℃/s的速度冷却到600～500℃，空冷到室温。所制备的耐低温超细晶管线钢的具体控轧控冷工艺、力学性能和低温性能分别列于表2、3、4和5。
图1～5分别给出了钢号A的OM、SEM、高倍SEM和EBSD微观组织形貌。由图1可以看出，所得到的管线钢组织十分细小，在金相显微镜下不易分辨。从图2的SEM照片中可知，该组织为铁素体+少量粒状贝氏体组织。图3和4给出了图2的高倍SEM照片，分别为超细晶的铁素体和细晶粒状贝氏体。图5为相应的EBSD照片，以取向差15°为标准，测得有效晶粒尺寸小于3μm的晶粒比例为90％。
表1耐低温超细晶管线钢的化学成分(wt.％)
表2耐低温超细晶管线钢的控轧控冷工艺
表3耐低温超细晶管线钢的力学性能
表4耐低温超细晶管线钢的低温冲击性能
表5耐低温超细晶管线钢的低温DWTT性能

Claims (3)

1.一种耐低温超细晶管线钢，其特征在于，化学成分为：C：0.02～0.04wt.％，Si：0.20～0.40wt.％，Mn：1.50～1.80wt.％，P：＜0.015wt.％，S：＜0.005wt.％，Nb：0.04～0.07wt.％，V：0.005～0.05wt.％，Ti：0.00～0.02wt.％，Mo：0.01～0.15wt.％，(Ni+Cr+Cu)≤0.70％，其余为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种耐低温超细晶管线钢，其特征在于，组织类型为：超细晶铁素体/超细晶铁素体+细晶粒状贝氏体，其中，有效晶粒尺寸≤3μm、晶界取向差≥15°的晶粒体积分数约为85～96％，剩余为其它尺寸范围的晶粒；
强度水平为X80级，-40℃的DWTT断口平均剪切面积率≥90％。
3.一种权利要求1或2所述的耐低温超细晶管线钢的制造方法，采用转炉或电炉冶炼及炉外精炼，钢水浇铸成连铸坯，其特征在于：在工艺中控制的技术参数为：
(1)将铸坯装入加热炉中加热，加热温度为1150～1200℃，时间为1～3小时；
(2)在中厚板轧机上进行轧制，采用两阶段轧制工艺：第一阶段轧制温度为1050～950℃，累计变形量为35～55％，第二阶段轧制温度为Ar3+60℃～Ar3-40℃，累计变形量为65～75％；
(3)轧后进行控制冷却，采用两阶段控冷工艺：第一阶段以＞25℃/s的速度冷却到600～500℃，第二阶段为空冷。
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