CN107099743A - 超厚规格高韧性x100超高钢级管线钢板及其制备方法 - Google Patents

超厚规格高韧性x100超高钢级管线钢板及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明具体涉及高韧性的厚度在25mm以上的X100超高钢级管线用钢板，化学成分为C≤0.08%、Mn0.9～2.0%，Si≤0.35%，S≤0.0006%，P≤0.010%，Nb0.035～0.08%、Ti≤0.012%、V≤0.008%，Alt≤0.06%，N≤0.0040%，O≤0.004%，Mo≤0.40%，Pb≤0.0015%，Zn≤0.003%，Sb≤0.0015%，Sn≤0.0015%，Cu≤0.30%、Ni0.20～1.5%，Cr≤0.35%，Mo+Cu+Ni+Cr ≤1.8%，Ca≤0.01%余量为Fe。制造流程：配比备料→进行转炉或电炉冶炼→炉外精炼→连铸→板坯再加热→特定TMCP工艺+冷却后堆冷→矫直。本申请采用合适的成分，生产25mm以上厚规格X100，并与后续特定TMCP工艺(含中间坯冷却+ACC分段梯度冷却工艺)，获得优异的低温韧性和低温落锤性。

Description

超厚规格高韧性X100超高钢级管线钢板及其制备方法
技术领域
本发明涉及X100管线用钢板及其制备方法，具体涉及一种高韧性的厚度在25mm以上的X100超高钢级管线用钢板及其制造方法。
背景技术
目前世界需求的能源中化石能源还占能源结构中的主体地位，近年来世界经济的急速增长极大带动了化石能源需求的急速增长，这也极大地促进了长距离输送管线的发展，为提高输送效率，降低投资，长距离石油天然气输送管线用钢的发展趋势是向高强度或超高钢级发展。目前世界各国使用的管线钢最高钢级为X80钢级，为推动管线钢技术发展及从降低建设成本及提到运营效率考虑，上世纪后期，在加拿大等国，相继铺设了X100钢级管道试验段。降低运营成本，提高输送效率的途径主要包括扩大管径、提高钢级和增加壁厚。
X100管线钢国内专利授权或申请专利，但是涉及厚规格甚至超厚规格X100专利则很少。
如专利号为CN102304667B提到的专利：1）该专利提到的最厚规格为22mm；2）该专利提到Mn含量不高于1.80%,V含量为0.02-0.08%；3）该专利终冷温度控制在90-190℃。故该专利涉及到的成分和工艺所获得的X100因组织为下贝氏体，从而DWTT性能在厚规格中受到较差，据其公开的数据，最厚规格为22mm。
如申请专利号为CN1033695807A提到的专利：1）该专利提到的最厚规格为20mm；2）该专利提到Mn含量为1.80-2.1%；3）该专利终轧温度在800-860℃，开冷温度为730-800℃，最终得到的韧性值为0℃冲击功不高于250J。
本专利是在申请专利号为CN201510153571.3所公开技术方案的基础上进行的在钢种方面的延伸，即将该技术思想延伸到X100钢级，同时在ACC冷却时通过分段梯度冷却工艺，获得厚规格优异低温韧性超高钢级X100钢板，厚度规格超过25mm。
发明内容
石油天然气等管道工程发展方向是高钢级、大壁厚、低温高韧性。同时还包括抗HIC及抗SSCC等性能要求，早在上世纪90年代，X100钢级就已研发成功，但厚度一直难以突破19mm以及-15℃低温落锤性能要求。本申请结合国外订单要求，解决目前超高钢级超厚规格，低温落锤性能问题，使得X100超高强度钢级25.4mm及以上超厚管线钢板，具有优异低温落锤性能，解决目前超高强度钢级超厚规格钢板的低温韧性问题。
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供生产厚度超过25mm厚X100管线钢板及其制造方法，为获得超厚规格优异低温韧性及DWTT落锤性能，成分涉及该工艺相对比较简练，成材率较高。
实际上，超高强度钢级厚规格管线钢的低温韧性及落锤性能是世界公认的难题，国内外的研究表明，落锤性能除了钢中的组织及环境温度等因素以外，还与钢板的厚度有密切的关系，且随厚度增加，对厚度越敏感，这称之为厚度效应！为解决超厚规格下的厚度效应，需要从组织上进行设计，即控制组织类型和细化晶粒上进行控制，同时还要考虑到其他影响落锤影响因素如应力等。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种超厚规格高韧性X100超高钢级管线钢板，该钢板的化学成分按质量百分比计为C：≤0.08%、Mn：1.9～2.5%，Si：≤0.35%，S：≤0.0006%，P：≤0.010%，Nb：0.035～0.08%、Ti：≤0.012%、V：≤0.008%，Alt：≤0.06%，N: ≤0.0040%，O：≤0.004%，Mo：≤0.40%，Pb≤0.0015%，Zn≤0.003%，Sb≤0.0015%，Sn≤0.0015%，Cu：≤0.30%、Ni：0.20～1.5%，Cr：≤0.35%，Mo+Cu+Ni+Cr ≤2.5%，Ca：≤0.01%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素；所述钢板的厚度为25mm及以上。
本申请钢板的最厚达到28mm，钢板的屈服强度≥690Mpa；抗拉强度≥760Mpa，屈强比≤0.86，圆棒样延伸率≥25%，-25℃冲击功≥300J，-40℃冲击功≥200J，-60℃冲击功≥150J，-15℃落锤剪切面积≥85%，-20℃落锤剪切面积≥70%，全壁厚试样落锤性能，若是减薄试样落锤性能更高。钢板的金相组织为少量细铁素体+贝氏体组织。
本发明具有性能优异的厚规格X100管线用钢板，成分设计原理是采用适量的C、Mn，通过加入微量Nb、V、Ti等微合金化元素，同时加入少量Mo、Cu、Ni等元素，结合特定TMCP（中间坯冷却+ACC分段梯度冷却工艺）工艺，以便最终保证厚规格X100具有低温高韧性，尤其是优异的DWTT落锤性能，其主要的基本元素作用如下：
C：C是钢中最经济、最基本的强化元素，通过固溶强化和析出强化可明显提高钢的强度，但对钢的韧性及延性以及焊接性能带来不利影响，因此管线钢的发展趋势是不断降低C含量，考虑到强度及韧性的匹配关系，将C含量控制在0.03～0.07%。
：通过固溶强化提高钢的强度，是管线钢中弥补因C含量降低而引起强度损失的最主要的元素，Mn同时还是扩大γ相区的元素，可降低钢的γ→α相变温度，有助于获得细小的相变产物，可提高钢的韧性，降低韧脆性转变温度，Mn也是提高钢的淬透性元素。考虑到检验过程中发现Mn偏析对落锤性能产生不利影响，同时兼顾到强度要求，本发明中Mn含量设计在1.90～2.5%范围,为缓解因Mn较高所带来的中心偏析，连铸时采用轻压下。
：是现代微合金化钢特别是管线钢中最主要的微合金化元素之一，对晶粒细化的作用非常明显。通过Nb的固溶拖曳及热轧过程中的Nb（C，N）应变诱导析出可阻碍形变奥氏体的回复、再结晶，经TMCP使未再结晶区轧制的形变奥氏体在相变时转变为细小相变产物，以使钢具有高强度和高韧性，本发明主要是通过C与Nb含量的关系来确定Nb含量范围,
V：具有较高的析出强化和较弱的晶粒细化作用，在Nb、V、Ti三种微合金化元素中复合使用时，V主要起析出强化作用。
：是强的固N元素，Ti/N的化学计量比为3.42，利用0.02%左右的Ti就可固定钢中60ppm以下的N，在板坯连铸过程中即可形成TiN析出相，这种细小的析出相可有效阻止板坯在加热过程中奥氏体晶粒的长大，有助于提高Nb在奥氏体中的固溶度，同时可改善焊接热影响区的冲击韧性，是管线钢中不可缺少的元素，但过高的Ti会形成大的TiN质点，影响落锤性能，因此本申请专利将Ti控制在0.008-0.015%之间。
：可推迟γ→α相变时先析出铁素体相的形成，促进针状铁素体形成的主要元素，对控制相变起到重要作用，同时也是提高钢的淬透性元素。在一定的冷却速度和终冷温度下通过添加一定Mo即可获得明显的针状铁素体或贝氏体组织。
、P：是管线钢中不可避免的杂质元素，希望越低越好，通过超低硫及Ca处理改变硫化物形态可使管线钢具有很高的冲击韧性。
、Ni：可通过固溶强化提高钢的强度，Ni的加入一方面可提高钢的韧性，同时改善Cu在钢中易引起的热脆性。
：Cr的加入可提高钢的淬透性，且相对经济。
Pb, Zn，Sb，Sn：这些残余元素很容易在晶界聚集，弱化晶界间的结合力，从而影响落锤性能，因此需要控制 Pb≤0.0015%，Zn≤0.003%，Sb≤0.0015%，Sn≤0.0015%。
上述厚规格优异低温韧性X100管线钢板的制备流程：配比备料→进行转炉或电炉冶炼→炉外精炼→连铸→板坯再加热→特定TMCP工艺（中间坯冷却+ACC分段梯度冷却工艺）+冷却后堆冷→矫直。具体工艺为
首先将冶炼原料依次经KR铁水预处理、转炉冶炼、LF 精炼、RH 真空精炼和连铸，制造出满足化学成分要求、厚度为不小于350mm的连铸坯；将连铸坯再加热，温度不高于1200℃，进行特定TMCP工艺+水冷+堆冷+矫直。连铸时采用轻压下以便改善因Mn较高造成的芯部偏析。
特定TMCP工艺包括两阶段轧制和中间坯冷却：第一阶段为再结晶区轧制，终轧温度控制在≤1150℃，再结晶区轧制时控制连续两至三道次的单道次压下率不低于20%，再结晶区轧制的总压缩比为不低于70%；
中间坯冷却是通过Mild cooling冷却系统对中间坯快速冷却至第二阶段的非再结晶区开轧温度，冷却方式是在Mild cooling 箱体内采用来回摆动的方式进行冷却，冷速速度为8-14℃/s，保证再结晶区轧制变形后奥氏体晶粒不再长大，中间坯表面与心部温差较小。
第二阶段为非再结晶区轧制，开轧温度不高于900℃，终轧温度控制在相变临界温度附近Ac3+15℃范围内。
轧后以水冷方式冷却钢板，冷却工艺采用分段梯度冷却工艺，开始冷却温度控制为不高于770℃，终止冷却温度控制为400℃以下，冷却速度为8～35℃/s；冷却后矫直，最后直接冷却到室温即得钢板成品。
ACC分段梯度冷却工艺是将ACC各冷却单元冷却水量设置：前1-5段的冷却水量最大，对应的冷却速度为25-35℃/s，后6-16段ACC冷却单元冷却水量依次递减，对应的冷却速度变化是8-20℃/s。
终轧温度结束后，通过分段梯度冷却工艺，结合CCT曲线，在前1-6ACC冷却段，将钢板表面温度冷却到Ac3线以下10℃范围内，一方面可以通过快冷却速度，使得钢板获得较大的过冷度，从而为获得更多相变形核，最终在钢板近表面会获得更细小相变后晶粒，但同时由于钢板较厚，而钢板内部主要是传热冷却，钢板表明和心部会存在温差，从而心部和近表面组织存在差异。另一方面，为在同样获平均冷却速度和终冷温度缩短时间。一旦温度达到Ar3线附近后，采用较低冷却速度，可以减缓因高碳当量下，相变时产生相变应力和温度应力敏感性。从而获得钢板组织近表面组织相对较小且铁素体含量相对较多的组织，而其余部位虽大部分为贝氏体组织，但因残余应力相对较小，最终仍具有低温高韧性。
与现有技术相比，本发明的特点在于：
1）采用特定的成分，生产25mm以上厚规格X100，并与后续特定TMCP工艺结合，获得了优异的低温韧性。
2）该发明改良的TMCP工艺（含采用mild cooling 冷却系统进行中间坯冷却+分段梯度冷却），有助于降低产品的合金成本，提高成材率。在TMCP工艺过程通过mild cooling冷却系统对中间坯快速冷却，保证第一阶段再结晶区变形后奥氏体晶粒不再长大，提高超厚规格管线钢板生产效率。
3）通过采用Ar3附近精轧后再快速冷却工艺到Ar3附近，一方面通过增加形变存储能和增大过冷度，为相变提供更大动力，从而可进一步细化晶粒，为获得优异低温韧性，特别是超高强度钢级低温落锤性能提供保证。
附图说明
图1为本发明ACC分段梯度冷却与常规冷却的对比图；
图2为本发明钢板近表面至近厚度1/4组织；
图3为本发明钢板近厚度1/4处至心部组织。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。
超低温落锤性能优异的厚规格X100管线钢板的制造流程为：配比备料→进行转炉或电炉冶炼→炉外精炼→连铸→板坯再加热→特定TMCP工艺+冷却后堆冷→矫直。
具体工艺步骤如下：将冶炼原料依次经KR铁水预处理、转炉冶炼、LF 精炼、RH 真空精炼和连铸，连铸时采用轻压下工艺，目的在于改善因Mn含量较高造成的芯部偏析。制造出满足化学成分要求、厚度350mm的连铸坯；将连铸坯再加热至1180～1200℃，进行特定TMCP工艺+ACC梯度冷却工艺+堆冷+矫直。
特定TMCP工艺包括两阶段轧制和中间坯冷却：第一阶段为再结晶区轧制，终轧温度控制在不高于1150℃，再结晶区轧制时控制连续两至三道次的单道次压下率不低于20%；
中间坯冷却是通过Mild cooling冷却系统对中间坯快速冷却至第二阶段的非再结晶区开轧温度，冷却方式为是在mild cooling 箱体内采用来回摆动式进行冷却，冷速速度为6-12℃/s，保证再结晶区轧制变形后奥氏体晶粒不再长大，中间坯表面与心部温差较小；
第二阶段为非再结晶区轧制，开轧温度不高于900℃，终轧温度控制在相变临界温度Ar3附近。
轧后以水冷方式冷却钢板，开始冷却温度控制为不高于770℃，终止冷却温度控制为不高于400℃，冷却速度为8～35℃/s；水冷结束后矫直，最后直接冷却到室温即得钢板成品。即ACC各冷却单元冷却水量设置为不同：前1-5段的冷却水量最大，对应的冷却速度为25-35℃/s，后6-16段ACC冷却单元冷却水量依次递减，对应的冷却速度变化是8-20℃/s。
各实施例所涉及钢板的具体化学成分见表1，具体TMCP工艺参数见表2，主要力学性能见表3。
表1
实施例 C Mn Si S P Nb Ti V Alt Mo+Cu+Ni+Cr B Ca
1 ≤0.08 ≤2.0 ≤0.35 0.0005 0.01 ≤0.08 ≤0.015 ≤0.007 ≤0.06 ≤1.8 - ≤0.01
2 ≤0.08 ≤2.0 ≤0.35 0.0005 0.01 ≤0.08 ≤0.015 ≤0.007 ≤0.06 ≤1.8 - ≤0.01
3 ≤0.08 ≤2.0 ≤0.35 0.0005 0.01 ≤0.08 ≤0.015 ≤0.007 ≤0.06 ≤1.8 - ≤0.01
表2
实施例 再加热温度℃ 再结晶区轧制，终轧温度℃ 再结晶区轧制累计变形率% 开始非再结晶区轧制温度℃ 终止非再结晶区轧制温度 水冷冷速℃/s 终冷温度℃
1 ≤1200 ≤1150 ≤55 ≤900 临界相变温度 10-35 ≤400 堆冷+矫直
2 ≤1200 ≤1150 ≤55 ≤900 临界相变温度 10-35 ≤400 堆冷+矫直
3 ≤1200 ≤1150 ≤55 ≤900 临界相变温度 10-35 ≤400 堆冷+矫直
表3
除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种超厚规格高韧性X100超高钢级管线钢板，其特征在于：该钢板的化学成分按质量百分比计为C：≤0.08%、Mn：0.9～2.0%，Si：≤0.35%，S：≤0.0006%，P：≤0.010%，Nb：0.035～0.08%、Ti：≤0.012%、V：≤0.008%，Alt：≤0.06%，N: ≤0.0040%，O：≤0.004%，Mo：≤0.40%，Pb≤0.0015%，Zn≤0.003%，Sb≤0.0015%，Sn≤0.0015%，Cu：≤0.30%、Ni：0.20～1.5%，Cr：≤0.35%，Mo+Cu+Ni+Cr ≤1.8%，Ca：≤0.01%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素；所述钢板的厚度为25mm及以上。
2.根据权利要求1所述的超厚规格高韧性X100超高钢级管线钢板，其特征在于：所述钢板的厚度25～28mm，钢板的屈服强度≥690Mpa；抗拉强度≥760Mpa，屈强比≤0.86，圆棒样延伸率≥25%，-25℃冲击功≥300J，-40℃冲击功≥200J，-60℃冲击功≥150J，-15℃落锤剪切面积≥85%，-20℃落锤剪切面积≥70%，全壁厚试样落锤性能，若是减薄试样落锤性能更高。
3.一种权利要求1所述超厚规格高韧性X100超高钢级管线钢板的制备方法，其特征在于：工艺步骤如下，
首先将冶炼原料依次经KR铁水预处理、转炉冶炼、LF 精炼、RH 真空精炼和连铸，制造出满足化学成分要求、厚度为不小于350mm的连铸坯；将连铸坯再加热，温度不高于1200℃，随后进行特定TMCP工艺+水冷+堆冷+矫直，
特定TMCP工艺包括两阶段轧制和中间坯冷却：第一阶段为再结晶区轧制，终轧温度控制在≤1150℃，再结晶区轧制时控制连续两至三道次的单道次压下率不低于20%，再结晶区轧制的总压缩比为不低于70%；
中间坯冷却是通过Mild cooling冷却系统对中间坯快速冷却至第二阶段的非再结晶区开轧温度，冷却方式为是在Mild cooling 箱体内采用来回摆动的方式进行冷却，冷速速度为6-12℃/s；
第二阶段为非再结晶区轧制，开轧温度不高于900℃，终轧温度控制在相变临界温度；
轧后采用ACC分段梯度冷却工艺冷却钢板，开始冷却温度控制为不高于770℃，终止冷却温度控制为在400℃以下，冷却速度为8～35℃/s；冷却后矫直，最后直接冷却到室温即得钢板成品。
4.根据权利要求1所述超厚规格高韧性X100超高钢级管线钢板的制备方法，其特征在于：ACC分段梯度冷却工艺是将ACC各冷却单元冷却水量设置：前1-5段的冷却水量最大，对应的冷却速度为25-35℃/s，后6-16段ACC冷却单元冷却水量依次递减，对应的冷却速度变化是8-20℃/s。
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