CN106811700B - 一种厚规格抗酸性x60ms热轧卷板及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种厚规格抗酸性X60MS热轧卷板及其制造方法，该钢板成分按重量百分比计如下：C 0.050％‑0.070％、Si 0.15％‑0.25％、Mn 1.35％‑1.45％、Nb 0.025％‑0.045％、Ti 0.008％‑0.025％、Mo 0.06％‑0.10％、Cr 0.08％‑0.18％、Als 0.015％‑0.045％、P≤0.015％、S≤0.0015％、N≤0.006％，余量为Fe和不可避免杂质；制造方法：铁水预处理—转炉冶炼—炉外精炼—连铸—板坯加热－轧制－冷却—卷取，连铸板坯在500‑850℃温度直接进行热装炉加热，经步进式加热炉加热至1160‑1200℃出炉；两阶段控制轧制，层流冷却以10‑30℃/s的速度冷却，500‑560℃卷取。本发明合金设计简单、合理，降低生产成本，产品综合性能优异，特别是抗酸性和低温断裂韧性。
Description
技术领域
本发明属于高强度低合金钢领域，尤其涉及一种油气输送用管线钢及其热轧卷板的制造方法。
背景技术
腐蚀是管线失效事故的主要原因，多方面的统计数字表明，在含有湿H2S的介质作用下，油气输送管道极易产生腐蚀。管线在遭受H2S腐蚀时，可能发生均匀腐蚀、坑蚀、氢鼓泡、氢诱发阶梯裂纹，氢脆及应力腐蚀开裂等，且各种腐蚀形式互相促进，最终导致管材开裂并引发大量恶性事故，造成了巨大经济损失和环境污染。在H2S腐蚀引起的管道破坏中，氢致裂纹(Hydrogen Induced Cracking以下简称HIC)及硫化物应力腐蚀破裂(SulfideStress Corrosion Cracking，以下简称SSCC)占相当大的比例，造成的破坏也最大。
依据美国腐蚀工程师协会(NACE)定义，在含有水和H2S的天然气中，当H2S分压≤300Pa时，则为酸气，必须对管材提出抗酸性检验要求。而影响产品抗酸性的主要因素是非金属夹杂物和组织偏析等，特别是规格较厚的产品需要重点控制心部组织偏析。
国外如日本、欧洲等，酸性环境用管线钢管的研制受到了普遍的重视，并大力推广及应用，目前批量生产的主要是X65MS钢级，而我国在这方面的研究刚刚起步，生产还不成熟。以下是与本发明较接近的国内外相关文献:
《酸性环境用X65管线钢及其制造方法》(CN200510023651.3)公开的管线钢成分设计为：C 0.02％-0.05％、Si 0.10％-0.50％、Mn 1.20％-1.50％、S≤0.002％、P 0.004％-0.012％、Nb 0.05％-0.07％、Ti 0.005％-0.025％、Mo 0.05％-0.195％、Cu≤0.35％、Ni≤0.35％、N≤0.0080％、Ca 0.0015％-0.0045％、Ca/S≥2.0。此发明采用高铌设计，成本高，没有使用经济有益元素Cr，不足之处在于，产品的耐蚀性、厚规格产品组织的均匀性等略差；此外该专利未提及产品的抗SSCC性能。
《优良的抗HIC性能的钢管用热轧带钢制造方法》(JPH0681034A)公开的热轧带钢成分设计为：C≤0.08％、Si 0.15％-0.35％、Mn 0.80％-1.40％、S≤0.0020％、P≤0.015％、Nb 0.01％-0.05％、V≤0.10％、Mo≤0.30％、Cu≤0.35％、Ni≤0.30％、Ca0.0015％-0.0035％、Ca/S≥2.0。在此发明中能达到API 5L标准中X60MS强度要求的实施例添加了Cu、Ni或大量Mo，没有使用经济有益元素Cr，不但成本高，且产品的耐蚀性也略差。工艺上加热温度≥1250℃，终轧温度≥850℃，增加能源消耗，提高制造成本和对环境的压力。此外该专利未提及产品的抗SSCC性能。
(《无铜镍抗酸管线钢X52MS及其热轧板卷的制造方法》CN201410338917.2)公开的钢板实施例中C(≤0.040％)、Mn(≤1.10％)等强化元素含量过低，造成强度不能满足X60MS要求，另外工艺上加热温度≥1200℃，增加能源消耗，提高制造成本和对环境的压力。
《一种抗HIC管线钢板及其生产方法》(CN201310005953.2)所公开抗HIC管线钢板成分设计为C 0.11％-0.13％、Si 0.20％-0.35％、Mn 1.50％-1.60％、S≤0.002％、P≤0.008％、Nb 0.020％-0.033％、Al 0.020％-0.055％、V 0.025％-0.040％、Ti 0.010％-0.020％。此发明易偏析元素C、Mn含量过高，易产生带状组织，不利于产品的耐腐蚀性，工艺上最高加热温度1240℃、最高均热温度1210℃，且保温250min，能源消耗大，提高制造成本和对环境的压力。此外该专利未提及产品的抗SSCC性能。
《正火态抗酸管线用钢X52NS热轧板卷及其制造方法》(CN201210271608.9)公开的X52NS热轧板卷强度低，不能达到X60MS要求，实施例厚度最大仅11.33mm，较薄产品的组织均匀性和抗酸性易于控制，合金设计中含大量Ni、Cu、V等元素，成本高。
文献《酸性环境用X60管线钢热轧卷板的研制》中提及的13-22mm厚规格产品，成分设计为C≤0.10％、Si≤0.35％、Mn≤1.45％、S≤0.002％、P≤0.015％、O≤0.002％、H≤0.002％、Nb≤0.050％、Ti≤0.040％、Mo≤0.050％、Ni≤0.030％、Al≤0.050％、Ca≤0.0050％、N≤0.005％。此文献公开的合金设计过于宽泛，且含Ni而无Cr，不但成本偏高，组织的均匀性和产品的耐蚀性也略差。以上文献在合金设计上有些采用了较多的贵重元素Nb、Ni、V、Cu等，造成成本较高，有些采用高温加热，能源消耗大，提高制造成本和对环境的压力。
有些发明公开的内容中未能充分认识Mo、Cr复合添加在厚规格耐酸管线钢中的有益作用，添加其中1种或不添加，造成组织的均匀性和产品的耐蚀性略差，另外部分文献只提及了产品的抗HIC性能，而未考虑抗SSCC性能。
发明内容
本发明的目的在于克服上述问题和不足而提供一种厚规格抗酸性X60MS热轧卷板及其制造方法，合金设计简单、合理，降低生产成本，产品综合性能优异，特别是抗酸性和低温断裂韧性。
本发明的目的是这样实现的：
一种厚规格抗酸性X60MS热轧卷板，该钢板的成分按重量百分比计如下：C0.050％-0.070％、Si 0.15％-0.25％、Mn 1.35％-1.45％、Nb 0.025％-0.045％、Ti0.008％-0.025％、Mo 0.06％-0.10％、Cr 0.08％-0.18％、Als 0.015％-0.045％、P≤0.015％、S≤0.0015％、N≤0.006％，余量为Fe和不可避免杂质；所述钢板厚度≥13mm。
该钢板的显微组织为贫珠光体组织。
本发明X60MS管线钢的成分采用C-Mn-Nb-Mo-Cr系设计，同时采用微Ti处理，结合热机械控制轧制生产工艺获得细小的贫珠光体组织，以保证产品具优异的综合性能，其主要元素的设计理由如下：
C：是钢中最经济、最基本、最有效的强化元素，但是C含量的提高对钢的延性、韧性、焊接性、抗酸性均不利，特别是C是易偏析元素，促进条带状珠光体组织的形成，对抗HIC性能尤其不利。本发明的碳含量为0.050％-0.070％。
Si：脱氧元素，固溶于铁素体以提高钢的强度，但同时要损失塑性和韧性，本发明的Si含量为0.10％-0.35％。
Mn：锰具有固溶强化作用，还可降低γ－α相变温度，进而细化铁素体晶粒，同时补偿因C含量降低而引起强度损失的主要强化元素。但是在中、低强度铁素体–珠光体管线钢中，Mn偏析产生的带状组织在热轧过程形成了对HIC敏感的低温转换硬组织带，促进HIC和SSCC敏感性增加。本发明的锰含量为1.35％-1.45％。
Nb：是现代微合金化管线钢中进行控制轧制的最主要元素，NbC应变诱导析出阻碍形变奥氏体的回复、再结晶，降低相变温度，促进针状铁素体组织和M-A岛的形成。Nb可通过细晶强化、析出强化、沉淀强化、相变强化等多中强化机制提高钢的性能，但Nb为贵重元素且加入到一定量后强化效果不再明显，故本发明的铌含量为0.025％-0.045％。
Ti：是强的固氮元素，Ti/N的化学计量比为3.42。加入0.015％左右Ti时，可在板坯连铸时形成高温稳定细小的TiN析出相，这种析出相可有效阻止连铸坯在加热过程中奥氏体晶粒的长大，同时对改善钢焊接时热影响区的断裂韧性有明显作用。本发明的Ti含量控制在0.008％-0.025％。
Mo：是强淬透性元素，抑制珠光体组织带的产生，是保证厚规格产品组织均匀性的主要元素，同时提高Nb(C，N)的沉淀强化效果，因而Mo在提高钢的强度的同时可降低韧脆转变温度，提高其抗HIC能力。本发明的钼含量为0.06％-0.10％。
Cr：是中淬透性元素，可弥补因降低Mo而造成的淬透性不足(Cr的价格约为Mo的六分之一)，且Cr、Mo均为强碳化物形成元素，和C的亲和力较大，能够强烈阻止C元素的扩散而降低C偏析，二者复合添加效果更优。另外Cr还可有效提高产品的耐蚀性。本发明的铬含量为0.08％-0.18％。
S：是抗酸性管线钢中极为有害的元素，急剧提高HIC和SSCC敏感性。S与Mn生成的MnS夹杂是HIC最易成核的位置，一般通过钙处理可使MnS成为散的球状体，从而可以抑制HIC的形成，使裂纹敏感性明显降低。本发明的S≤0.00015％。
Als：脱氧元素，添加适量的铝可形成细小弥散的AlN粒子，有利于细化晶粒，提高钢的强韧性能，本发明的Als含量控制在0.015％-0.045％。
P：是钢中不可避免的杂质元素，同时是易偏析元素，造成成分和组织的不均匀，增大裂纹敏感性。本发明的P≤0.015％。
N：是钢中不可避免的杂质元素。本发明的N≤0.006％。
一种厚规格抗酸性X60MS热轧卷板的制造方法，包括铁水预处理—转炉冶炼—炉外精炼—连铸—板坯加热－轧制－冷却—卷取，
(1)铁水预处理：铁水预处理进行深脱硫，同时扒净铁水脱硫渣；
(2)转炉冶炼：转炉顶底复合吹炼，保证终渣有较高的碱度，避免转炉内钢水回磷，冶炼初期和末期采用较大强度的底吹氩搅拌，双挡渣出钢，并在出钢过程中加入一定量的合成渣，以减少LF处理过程中钢水回磷；
(3)炉外精炼：采用RH+LF真空精炼处理，RH炉可大幅度降低O、N、H等气体杂质含量，LF炉中保持较高的钢渣碱度，再次进行深脱硫处理，同时钢水在炉外精炼后进行钙处理，保证钢中夹杂物完全球化；
(4)连铸：中间包钢水采用低过热度，全程保护浇注，必须投入动态轻压下，严格控制连铸坯的中心偏析和中心疏松，保证连铸坯质量。铸坯厚度200mm以下，其凝固冷却速率远远大于传统的厚板坯，二次枝晶间距大幅度减小；
(5)板坯加热：连铸板坯在500-850℃温度直接进行热装炉加热，连铸板坯经步进式加热炉加热至1160-1200℃出炉；
(6)轧制：板坯加热后经粗轧及精轧机组两阶段控制轧制，粗轧的终轧温度为980-1050℃，精轧开轧温度≤960℃，精轧终轧温度为780-840℃；
(7)冷却：随后卷板采用层流冷却方式以10-30℃/s的速度均匀冷却，在500-560℃进行卷取。
本发明采用C-Mn-Nb-Mo-Cr系设计的抗酸性X60MS管线钢，充分发挥微合金元素的强韧化作用特别是Mo、Cr元素复合效果，结合中薄板坯短流程连铸连轧生产工艺轧制成卷板，经成形制成焊管可广泛应用到油气输送管道建设上，产品各项指标均满足API SPEC 5L规范及中石油中石化通用技术条件要求，具备突出的经济效益和良好的社会效益。
本发明的额有益效果在于：
(1)合金设计简单、合理，以C-Mn-Nb-Mo-Cr系设计，并采用微Ti处理，合理利用Mo、Cr元素的复合淬透性作用，在板厚≥13mm下，仍可获得均匀一致的产品组织。
(2)连铸板坯无需下线精整，且采用热装轧制技术，连铸板坯在500-850℃温度直接热装炉，提高了热能使用效率，缩短了生产周期，大大降低生产成本。
(3)产品综合性能优异，特别是抗酸性和低温断裂韧性，不仅完全符合国家标准和国际标准要求，而且有较明显的富余量。
(4)本发明X60MS热轧卷板经成形制成钢管，产品性能优异、波动小：管体屈服强度Rt0.5为460-540MPa，抗拉强度Rm为560-630MPa，延伸率A50mm≥30％，-40℃夏比冲击功Akv≥300J，-30℃落锤撕裂试验剪切面积≥85％，按国际NACE标准检验抗HIC性能和抗SSCC性能，均完全符合要求。
附图说明
图1为本发明实施例1的显微组织图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步的说明。
本发明实施例根据技术方案的组分配比，进行铁水预处理—转炉冶炼—炉外精炼—连铸—板坯加热－轧制－冷却—卷取。本发明实施例钢的成分见表1。本发明实施例钢的主要工艺参数见表2。本发明实施例钢的力学性能见表3。本发明实施例钢抗HIC性能见表4。本发明实施例钢抗SSCC性能见表5。
表1本发明实施例钢的成分(wt％)
| 编号 | C | Si | Mn | P | S | Nb | Ti | Mo | Cr | Als | N |
| 例1 | 0.051 | 0.20 | 1.44 | 0.014 | 0.0009 | 0.036 | 0.021 | 0.07 | 0.12 | 0.036 | 0.004 |
| 例2 | 0.060 | 0.17 | 1.39 | 0.013 | 0.0010 | 0.032 | 0.014 | 0.08 | 0.16 | 0.024 | 0.003 |
| 例3 | 0.068 | 0.23 | 1.36 | 0.012 | 0.0011 | 0.027 | 0.017 | 0.07 | 0.12 | 0.028 | 0.005 |
| 例4 | 0.055 | 0.19 | 1.37 | 0.009 | 0.0013 | 0.043 | 0.015 | 0.09 | 0.10 | 0.025 | 0.005 |
| 例5 | 0.063 | 0.20 | 1.38 | 0.010 | 0.0008 | 0.035 | 0.009 | 0.08 | 0.13 | 0.032 | 0.004 |
| 例6 | 0.064 | 0.21 | 1.43 | 0.008 | 0.0010 | 0.039 | 0.012 | 0.07 | 0.14 | 0.025 | 0.004 |
表2本发明实施例钢的主要工艺参数
表3本发明实施例钢的力学性能
表4本发明实施例钢抗HIC性能
注：试样表面均无氢鼓泡。
表5本发明实施例钢抗SSCC性能
Claims (1)
1.一种厚规格抗酸性X60MS热轧卷板，其特征在于，该钢板的成分按重量百分比计如下：C 0.050％-0.070％、Si 0.15％-0.25％、Mn 1.35％-1.45％、Nb 0.025％-0.045％、Ti0.008％-0.025％、Mo 0.06％-0.10％、Cr 0.08％-0.18％、Als 0.015％-0.045％、P≤0.015％、S≤0.0015％、N≤0.006％，余量为Fe和不可避免杂质；
所述钢板厚度≥13mm；该钢板的显微组织为贫珠光体组织；
所述的厚规格抗酸性X60MS热轧卷板的制造方法，包括铁水预处理—转炉冶炼—炉外精炼—连铸—板坯加热－轧制－冷却—卷取，
(1)铁水预处理：铁水预处理进行深脱硫，同时扒净铁水脱硫渣；
(2)转炉冶炼：转炉顶底复合吹炼，冶炼初期和末期采用较大强度的底吹氩搅拌，双挡渣出钢，并在出钢过程中加入一定量的合成渣；
(3)炉外精炼：采用RH+LF真空精炼处理，同时钢水在炉外精炼后进行钙处理；
(4)连铸：中间包钢水采用低过热度，全程保护浇注，投入动态轻压下，铸坯厚度200mm以下；
(5)板坯加热：连铸板坯在500-850℃温度直接进行热装炉加热，连铸板坯经步进式加热炉加热至1160-1200℃出炉；
(6)轧制：板坯加热后经粗轧及精轧机组两阶段控制轧制，粗轧的终轧温度为980-1050℃，精轧开轧温度≤960℃，精轧终轧温度为780-840℃，随后卷板冷却；
(7)冷却：采用层流冷却方式以10-30℃/s的速度均匀冷却，在500-560℃进行卷取。
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