CN107460407B - 稀土强化长输管线钢及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种稀土强化长输管线钢，包含：C：0.025～0.040％；Si：0.15～0.25％；Mn：1.35～1.65％；P≤0.012％；S≤0.0025％；Nb：0.020～0.09％；V：0.020～0.030％；Ti：0.010～0.020％；Mo：0.085～0.15％；Al：0.02～0.05％；N≤0.005％；Y：0.02～0.08％；Ce：0.001～0.018％；余量为Fe和不可避免的杂质。本发明还提供了稀土强化长输管线钢的制备方法，包括加热板坯、粗轧、精轧、第一段冷却和第二段冷却的步骤。本发明提供的稀土强化长输管线钢可用于制备石油天然气长输管道。

Description

稀土强化长输管线钢及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于冶金领域，具体地，本发明涉及一种稀土强化长输管线钢及其制备方法与应用。
背景技术
随着经济的迅猛发展，石油和天然气在能源结构中的地位显得尤为重要。我国油气能源供给不足以满足国民经济和社会发展需要的现状，已成为制约国民经济发展的主要因素之一。作为石油、天然气的一种经济、安全、不间断的长距离输送工具，管线钢的技术开发越来越引起人们的重视。以“西气东输”为代表的一系列管线工程的立项实施标志着我国进入了石油天然气长输管道建设的高峰期。随着输送量和输送距离的提高，大口径、高压力成为管线建设的发展方向。采用高压输送和高强度管材，可大幅度节约管道建设成本。目前，输气管道的设计和运行压力已达15MPa到20MPa，有些管道甚至考虑采用更高的输送压力。随着管道输送压力的不断提高，管线钢管也迅速向高钢级发展；同时，在提高输送压力的情况下，对管线钢的韧性要求也越来越高。高钢级管线不仅要增加钢管的强度，还要防止管线的脆性断裂和延性断裂扩展，具有一定的低温韧性。
目前我国管线钢钢板或钢带的生产工艺主要有：中厚板机组、常规半连续热连轧、炉卷机组、CSP连铸连轧。为了降低钢的生产成本及生产周期，在短流程CSP生产线上开发高附加值管线钢已成为一个新的发展趋势。由于CSP生产工艺与传统工艺相比存在压缩比相对不够等不足之处，铸态组织晶粒比较粗大，造成在CSP生产线上开发高级别管线钢存在一定困难。
发明内容
本发明的发明目的在于针对现有技术中存在的缺陷，提供了一种稀土强化长输管线钢及其制备方法与应用。
一方面，本发明提供了一种稀土强化长输管线钢，按重量百分比计，包含：C 0.025～0.040％，Si 0.15～0.25％，Mn 1.35～1.65％，P≤0.012％，S≤0.0025％，Nb 0.020～0.09％，V 0.020～0.030％，Ti 0.010～0.020％，Mo 0.085～0.15％，Al 0.02～0.05％，N≤0.005％，Y 0.02～0.08％，Ce 0.001～0.018％，余量为Fe和不可避免的杂质。
另一方面，本发明提供了一种稀土强化长输管线钢的制备方法，包括：(1)加热板坯：将板坯加热至1150～1175℃，并保温0.3～1小时；(2)粗轧：开始温度是1108℃～1132℃，终止温度是1000℃～1030℃；(3)精轧：开始温度是940℃～970℃，终止温度是875℃～905℃；(4)第一段冷却：冷却至750℃～795℃，并保温15-30分钟；(5)第二段冷却：冷却至室温。
另一方面，本发明提供了稀土强化长输管线钢在制备石油天然气长输管道中的用途。
本发明的稀土强化长输管线钢为超细晶粒管线钢，其低温韧性得到了改善，并达到了较高的抗拉强度。
具体实施方式
为了充分了解本发明的目的、特征及功效，通过下述具体实施方式，对本发明作详细说明。本发明的工艺方法除下述内容外，其余均采用本领域的常规方法或装置。下述名词术语除非另有说明，否则均具有本领域技术人员通常理解的含义。
针对当前对高级别管线钢的需求，本发明基于CSP实际生产工艺，开发含有稀土Y和Ce元素管线钢，并采取低温大变形轧制工艺，通过多道次应变积累实现动态再结晶，最终得到超细晶粒管线钢。同时，本发明提供的稀土强化长输管线钢及其制备方法，通过合理设计合金成分和热机轧制工艺，能够改善管线钢的低温韧性，并达到较高的抗拉强度。
本发明提供了一种稀土强化长输管线钢，按重量百分比计，包含如下成分：C0.025～0.040％，Si 0.15～0.25％，Mn 1.35～1.65％，P≤0.012％，S≤0.0025％，Nb0.020～0.09％，V 0.020～0.030％，Ti 0.010～0.020％，Mo 0.085～0.15％，Al 0.02～0.05％，N≤0.005％，Y 0.02～0.08％，Ce 0.001～0.018％，余量为Fe和不可避免的杂质。
优选地，本发明的稀土强化长输管线钢，按重量百分比计，包含如下成分：C 0.025～0.035％，Si 0.15～0.19％，Mn 1.40～1.60％，P≤0.010％，S≤0.0020％，Nb 0.035～0.070％，V 0.020～0.025％，Ti 0.012～0.018％，Mo 0.10～0.14％，Al 0.03～0.05％，N≤0.0035％，Y 0.04～0.06％，Ce 0.008～0.015％，余量为Fe和不可避免的杂质。
更优选地，本发明的稀土强化长输管线钢，按重量百分比计，包含如下成分：C0.030％，Si 0.19％，Mn 1.50％，P≤0.009％，S≤0.0015，Nb 0.050％，V 0.025％，Ti0.015％，Mo 0.13％，Al 0.04％，N≤0.0030％，Y 0.05％，Ce 0.012％，余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明的稀土强化长输管线钢的制备方法包括加热板坯、粗轧、精轧、第一段冷却和第二段冷却的步骤。具体地，包括如下工序：
(1)加热板坯：将板坯加热至1150～1175℃，并保温0.3～1小时。其中，板坯是具有上述成分的钢水通过常规的浇注、锻造或轧制等工艺制成。
(2)粗轧：开轧温度控制在1120±12℃(1108℃～1132℃)，粗轧终止温度控制1015±15℃(1000℃～1030℃)，粗轧3-5道次(例如4道次)，平均压下率例如是25％。
(3)精轧：精轧开始温度控制在955±15℃(940℃～970℃)，终轧温度控制在890±15℃(875℃～905℃)，精轧7-9道次(例如8道次)，平均压下率例如是19％。
(4)第一段冷却：第一段冷却速度20～25℃/秒，冷却后的温度750～795℃，并保温15～30分钟。
(5)第二段冷却：在保温后进行第二段冷却，冷却速度为8～12℃/秒，终冷温度为室温。
冷却至室温后可将钢带卷取以备后续使用。
本发明所用板坯，采用同一生产线上游的炼铁炼钢生产线生产，通过常规的将具有预定成分的钢水浇注成锭并锻造或轧制成板坯而获得。
上述各工序采用的都是本领域的常规设备，在实际生产中，本领域技术人员可以根据需要选择合适的设备。
本发明通过在管线钢中加入稀土元素并对工艺作进一步调整，得到超细晶粒管线钢，并改善了管线钢的低温韧性，并达到较高的抗拉强度。具体如下：
一方面，微量稀土元素的添加能够净化钢液，细化钢的凝固组织，改善夹杂物的形态和分布，且能净化晶界，从而可以有效改善钢的机械性能，尤其是在提高合金的韧性和改善焊接热影响区的韧性方面有明显效果。
加入钇(Y)元素后，其能够与钢中的O和Ti结合为Y-Ti-O纳米强化颗粒，不仅可以起到细化晶粒的作用，而且可以在不损失韧性的前提下有效提高钢材的强度。
在加入稀土元素后，可提高钢中碳化物的固溶度积，将碳化物的全固溶温度降低至1130～1140℃，因此本发明中将板坯加热温度定为1150～1175℃，稍高于碳化物的全固溶温度。
由于精轧温度范围相对较高，为稀土铈(Ce)原子向晶界区偏聚提供动力学条件。Ce原子在晶界偏聚后，使杂质元素在晶界区含量降低，并通过自身贡献的外层电子与晶界区Fe原子之间形成较强的键合作用，从而起到强化晶界的作用。
另一方面，本发明采用两阶段控制轧制。在粗轧阶段轧制，再结晶的奥氏体晶粒尺寸随着变形量的增大而减小，在高温奥氏体区进行大变形量轧制时，奥氏体晶粒充分破碎。随后是精轧阶段，在奥氏体未再结晶区进行，此时的轧制是使奥氏体晶粒压扁拉长，在晶粒内部产生滑移带。这样，在奥氏体发生相变形成铁素体时，奥氏体晶界和滑移带往往成为铁素体形核的形核位置，使得晶粒得到细化。同时，这些滑移带也成为强化相(Nb,Ti)(C,N)的析出点。
轧后分两段进行冷却。通过第一阶段快速冷却使轧材温度快速降低至铁素体区，并避免强化相(Nb,Ti)(C,N)在奥氏体区的过渡析出和粗化；由于稀土Ce具有促进(Nb,Ti)(C,N)在铁素体区析出的作用，因此在第一阶段冷却到750～795℃后保温一段时间，以利于(Nb,Ti)(C,N)第二相的形核析出；在第二阶段缓慢冷却过程中进一步完成(Nb,Ti)(C,N)在铁素体区的弥散析出，从而提高轧材性能。
本发明的稀土强化长输管线钢的屈服强度为550～605MPa，抗拉强度是820～890MPa，屈强比≤0.7，可见本发明的稀土强化长输管线钢达到较高的抗拉强度
本发明稀土强化长输管线钢的低温韧性：-20℃，冲击功是258-280J，焊缝热影响区冲击功是205-225J；-40℃，冲击功是170-195J，焊缝热影响区冲击功是155-170J。
实施例
下面对实施例中使用的各个物质的来源进行说明，如果没有特别说明，所使用的原料和仪器均是商购获得，是本领域常规使用仪器和原料，只要其能满足实验需要即可。
下述实施例中采用的测试方法均为常规方法，其中，屈服强度和抗拉强度使用抗拉试验测得，冲击功和焊缝热影响区冲击功采用冲击韧性试验测得。
实施例1
本实施例的稀土强化长输管线钢组成(按重量百分比计)是：C 0.026％，Si0.17％，Mn 1.39％，P 0.008％，S 0.002％，Nb 0.044％，V 0.026％，Ti 0.019％，Mo0.09％，Al 0.02％，N 0.005％，Y 0.033％，Ce 0.012％，余量为Fe和不可避免的杂质。
本实施例的稀土强化长输管线钢的制备方法是：
加热板坯：将具有如下成分的连铸板坯送入加热炉，将板坯加热至1160℃，并保温0.5小时。
连铸板坯成分(按重量百分比计)是：C 0.026％，Si 0.17％，Mn 1.39％，P0.008％，S 0.002％，Nb 0.044％，V 0.026％，Ti 0.019％，Mo 0.09％，Al 0.02％，N0.005％，Y 0.033％，Ce 0.012％，余量为Fe和不可避免的杂质。
粗轧：开轧温度为1100℃，粗轧终止温度为1010℃，粗轧3道次，每道次压下率25％。
精轧：粗轧之后的轧材空冷至精轧开始温度955℃，精轧7道次，终轧温度为895℃，每道次压下率是19％。
精轧之后的轧材经历两次冷却。第一段冷却的速度是20℃/秒，冷却至780℃后保温20分钟。然后进行第二段冷却，冷却速度为10℃/秒，终冷温度为室温。
本实施例的稀土强化长输管线钢的性能参数如表1所示。
实施例2
本实施例的稀土强化长输管线钢组成(按重量百分比计)是：C 0.030％，Si0.19％，Mn 1.50％，P 0.009％，S 0.0015，Nb 0.050％，V 0.025％，Ti 0.015％，Mo0.13％，Al 0.04％，N 0.0030％，Y 0.05％，Ce 0.012％，余量为Fe和不可避免的杂质。
本实施例的稀土强化长输管线钢的制备方法是：
加热板坯：将具有如下成分的连铸板坯送入加热炉，将板坯加热至1170℃，并保温0.5小时。
连铸板坯成分(按重量百分比计)是：C 0.030％，Si 0.19％，Mn 1.50％，P0.009％，S 0.0015，Nb 0.050％，V 0.025％，Ti 0.015％，Mo 0.13％，Al 0.04％，N0.0030％，Y 0.05％，Ce 0.012％，余量为Fe和不可避免的杂质。
粗轧：开轧温度为1120℃，粗轧终止温度为1020℃，粗轧4道次，每道次压下率20％。
精轧：粗轧之后的轧材空冷至精轧开始温度970℃，精轧8道次，终轧温度为875℃，每道次压下率是19％。
精轧之后的轧材经历两次冷却。第一段冷却的速度是22℃/秒，冷却至790℃后保温25分钟。然后进行第二段冷却，冷却速度为12℃/秒，终冷温度为室温。
本实施例的稀土强化长输管线钢的性能参数如表1所示。
实施例3
本实施例的稀土强化长输管线钢组成(按重量百分比计)是：C 0.025％，Si0.15％，Mn 1.40％，P 0.009％，S 0.0020，Nb 0.069％，V 0.024％，Ti 0.012％，Mo0.14％，Al 0.03％，N 0.0035％，Y 0.06％，Ce 0.015％，余量为Fe和不可避免的杂质。
本实施例的稀土强化长输管线钢的制备方法是：
加热板坯：将具有如下成分的连铸板坯送入加热炉，将板坯加热至1150℃，并保温1小时。
连铸板坯成分(按重量百分比计)是：C 0.025％，Si 0.15％，Mn 1.40％，P0.009％，S 0.0020，Nb 0.069％，V 0.024％，Ti 0.012％，Mo 0.14％，Al 0.03％，N0.0035％，Y 0.06％，Ce 0.015％，余量为Fe和不可避免的杂质。
粗轧：开轧温度为1130℃，粗轧终止温度为1030℃，粗轧5道次，每道次压下率22％。
精轧：粗轧之后的轧材空冷至精轧开始温度940℃，精轧9道次，终轧温度为875℃，每道次压下率是19％。
精轧之后的轧材经历两次冷却。第一段冷却的速度是25℃/秒，冷却至750℃后保温30分钟。然后进行第二段冷却，冷却速度为8℃/秒，终冷温度为室温。
本实施例的稀土强化长输管线钢的性能参数如表1所示。
实施例4
本实施例的稀土强化长输管线钢组成(按重量百分比计)是：C 0.035％，Si0.19％，Mn 1.60％，P 0.009％，S 0.0020，Nb 0.035％，V 0.020％，Ti 0.018％，Mo0.10％，Al 0.05％，N 0.0035％，Y 0.04％，Ce 0.008％，余量为Fe和不可避免的杂质。
本实施例的稀土强化长输管线钢的制备方法与实施例1相同，区别仅在于对连铸板坯组成进行相应调整。
本实施例的稀土强化长输管线钢的性能参数如表1所示。
实施例5
本实施例的稀土强化长输管线钢组成(按重量百分比计)是：C 0.025％，Si0.25％，Mn 1.65％，P 0.012％，S 0.0025，Nb 0.075％，V 0.026％，Ti 0.020％，Mo0.085％，Al 0.035％，N 0.005％，Y 0.08％，Ce 0.008％，余量为Fe和不可避免的杂质。
本实施例的稀土强化长输管线钢的制备方法与实施例1相同，区别仅在于对连铸板坯组成进行相应调整。
本实施例的稀土强化长输管线钢的性能参数如表1所示。
实施例6
本实施例的稀土强化长输管线钢组成(按重量百分比计)是：C 0.040％，Si0.16％，Mn 1.35％，P 0.010％，S 0.0025，Nb 0.020％，V 0.020％，Ti 0.010％，Mo0.015％，Al 0.02％，N 0.005％，Y 0.03％，Ce 0.001％，余量为Fe和不可避免的杂质。
本实施例的稀土强化长输管线钢的制备方法与实施例1相同，区别仅在于对连铸板坯组成进行相应调整。
本实施例的稀土强化长输管线钢的性能参数如表1所示。
表1
从表1的数据可以看出，本发明的稀土强化长输管线钢具有较高的抗拉强度和较好的低温韧性，完全满足石油和天然气输送管道对强度与韧性的要求。

Claims (9)

1.一种稀土强化长输管线钢，其特征在于，按重量百分比计，包含如下成分：C 0.025～0.040％，Si 0.15～0.25％，Mn 1.35～1.65％，P≤0.012％，S≤0.0025％，Nb 0.020～0.09％，V 0.020～0.030％，Ti 0.010～0.020％，Mo 0.085～0.15％，Al 0.02～0.05％，N≤0.005％，Y 0.02～0.08％，Ce 0.001～0.018％，余量为Fe和不可避免的杂质；
其中，所述稀土强化长输管线钢通过以下步骤制备而成：
(1)加热板坯：将板坯加热至1150～1175℃，并保温0.3～1小时；
(2)粗轧：开始温度是1108℃～1132℃，终止温度是1000℃～1030℃；
(3)精轧：开始温度是940℃～970℃，终止温度是875℃～905℃；
(4)第一段冷却：冷却至750℃～795℃，并保温15-30分钟；
(5)第二段冷却：冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的稀土强化长输管线钢，其特征在于，按重量百分比计，包含如下成分：C 0.025～0.035％，Si 0.15～0.19％，Mn 1.40～1.60％，P≤0.010％，S≤0.0020％，Nb 0.035～0.070％，V 0.020～0.025％，Ti 0.012～0.018％，Mo 0.10～0.14％，Al 0.03～0.05％，N≤0.0035％，Y 0.04～0.06％，Ce 0.008～0.015％，余量为Fe和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的稀土强化长输管线钢，其特征在于，按重量百分比计，包含如下成分：C 0.030％，Si 0.19％，Mn 1.50％，P≤0.009％，S≤0.0015，Nb 0.050％，V0.025％，Ti 0.015％，Mo 0.13％，Al 0.04％，N≤0.0030％，Y 0.05％，Ce 0.012％，余量为Fe和不可避免的杂质。
4.根据权利要求1-3任一项所述的稀土强化长输管线钢，其特征在于，所述稀土强化长输管线钢的屈服强度是550～605MPa，抗拉强度是820～890MPa。
5.根据权利要求1-3任一项所述的稀土强化长输管线钢，其特征在于，-20℃时，所述稀土强化长输管线钢冲击功是258～280J，焊缝热影响区冲击功是205～225J。
6.根据权利要求1-3任一项所述的稀土强化长输管线钢，其特征在于，-40℃时，所述稀土强化长输管线钢冲击功是170～195J，焊缝热影响区冲击功是155～170J。
7.权利要求1-6任一项所述的稀土强化长输管线钢的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)加热板坯：将板坯加热至1150～1175℃，并保温0.3～1小时；
(2)粗轧：开始温度是1108℃～1132℃，终止温度是1000℃～1030℃；
(3)精轧：开始温度是940℃～970℃，终止温度是875℃～905℃；
(4)第一段冷却：冷却至750℃～795℃，并保温15-30分钟；
(5)第二段冷却：冷却至室温。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，粗轧3～5道次；步骤(3)中，精轧7～9道次。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，第一段冷却的速度是20～25℃/秒；步骤(5)中，第二段冷却的速度是8～12℃/秒。
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