CN107931327A - 一种管线钢和不锈钢热轧复合板的制造方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管线钢和不锈钢热轧复合板的制造方法及应用，属于复合板制造技术领域。所述制造方法包括：分别对管线钢和不锈钢的复合面进行表面处理；将预制好坡口的管线钢和不锈钢叠放在一起，在压下力作用下对坡口进行焊接；对焊接后的复合界面进行抽真空处理，得到管线钢+不锈钢组合坯；对所述组合坯加热处理；采用异步轧制法将加热后的组合坯轧制成钢板，轧制时上轧辊辊速比下轧辊辊速快3～5％；对所述钢板进行冷却处理获得复合板，冷却速度为15～20℃/S，冷却系统上下集管的水比为1:1.5～2。该方法扩大了复合板接单宽度及厚度规格，复合板产品减宽小、成材率高，可应用于制备油气输送用耐蚀管道等领域。

Description

一种管线钢和不锈钢热轧复合板的制造方法及应用

技术领域

本发明涉及复合板制造技术领域，特别涉及一种管线钢和不锈钢热轧复合板的制造方法及应用。

背景技术

世界范围内能源依赖仍以石油、天然气为主。随着易开采的资源逐步萎缩，富含H₂S、CO₂、Cl^-等腐蚀性极强的油气资源正成为开采热点，常规管线钢甚至耐酸管线钢已无法完全满足输送安全的要求，必须采用高耐蚀不锈钢才能保证线路安全，但不锈钢造价高昂，其成本是普通管线钢的数倍。不锈钢+管线钢复合板采用不锈钢作为内衬，管线钢作为基体，一方面具有不锈钢优异的耐腐蚀特性，另一方面具有管线钢优异的强韧性，大幅提高了酸性油气管道的服役安全性。不锈钢+管线钢复合板的开发不仅降低了成本而且提高了安全性，具有可观的经济效益和社会效益。

目前复合板的生产方式主要为爆炸法和热轧法两种。爆炸法利用炸药瞬间的高能冲击使得两块金属界面熔合，界面呈锯齿状，结合强度较高，但爆炸法对环境不友好，危险性高，且生产效率低下，复合板尺寸受限，板形不良，内应力大。热轧法是利用宽厚板或热连轧机在高温大压下的情况下实现基板、复材原子间冶金结合的一种方法，生产效率高，界面结合强度高，清洁安全。但是异种金属复合轧制由于材料特性差异会造成轧制困难，国内外企业几乎均采用对称复合法进行生产，这样不仅需要增加后续的分板及矫直工作，同时所生产产品厚度仅为常规产品最大厚度的1/2，产品宽度较常规产品减宽300mm以上，使得复合板板宽及厚度规格受到极大的限制，成材率较低，严重制约产品的应用范围。

发明内容

本发明通过提供一种管线钢和不锈钢热轧复合板的制造方法，解决了对称复合轧制法生产复合板产品减宽大、成材率低的技术问题。

本发明提供了一种管线钢和不锈钢热轧复合板的制造方法，包括：

分别对管线钢和不锈钢的复合面进行表面处理；

将预制好坡口的管线钢和不锈钢叠放在一起，在压下力作用下对坡口进行焊接；

对焊接后的复合界面进行抽真空处理，得到管线钢+不锈钢组合坯；

对所述组合坯加热处理；

采用异步轧制法将加热后的组合坯轧制成钢板，轧制时上轧辊辊速比下轧辊辊速快3～5％；

对所述钢板进行冷却处理获得复合板；其中，冷却速度为15～20℃/S，冷却系统上下集管的水比为1:1.5～2。

进一步地，所述表面处理后复合面的粗糙度达到Ra1.6μm～Ra3.2μm。

进一步地，所述压下力不小于25000KN，焊接道次间隔时间≥10min。

进一步地，所述抽真空处理后真空度达到10^-3Pa级。

进一步地，所述加热的温度为1230℃～1280℃、保温时间≥1.5t min，其中t为组合坯厚度/mm。

进一步地，所述轧制包括粗轧和精轧，所述粗轧的温度≥1120℃，道次压下率为8～10％；所述精轧的开轧温度为980～1020℃，终轧温度为820～860℃。

进一步地，所述冷却的入水温度为780～820℃，返红温度≤500℃。

进一步地，还包括：在所述轧制后、冷却前对钢板进行预矫直处理。

进一步地，还包括：在所述冷却后对钢板进行矫直和切边处理。

本发明还提供了所述管线钢和不锈钢热轧复合板的制造方法在制备油气输送耐蚀钢管中的应用。

本申请实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本申请实施例提供的管线钢和不锈钢热轧复合板的制造方法，由于采用单层组坯轧制法生产管线钢+不锈钢复合板，扩大了复合板接单宽度及厚度规格，将切边宽度由300mm减小到100mm以内，同时成品厚度为对称组坯轧制时的2倍，从而解决了对称复合轧制法生产复合板产品减宽大、成材率低的技术问题，扩大了复合板接单宽度及厚度规格，同时简化生产工序，提高了生产效率。

附图说明

图1是本申请实施例管线钢和不锈钢热轧复合板的制造方法流程图；

图2是本申请实施例管线钢和不锈钢热轧复合板的界面金相组织照片。

具体实施方式

为了解决对称复合轧制法生产复合板产品减宽大、成材率低的技术问题，本申请实施例提供了一种单层组坯法生产管线钢和不锈钢热轧复合板的方法，总体思路如下：分别对管线钢和不锈钢的复合面进行表面处理；将预制好坡口的管线钢和不锈钢叠放在一起，在压下力作用下对坡口进行焊接；对焊接后的复合界面进行抽真空处理，得到管线钢+不锈钢组合坯；对所述组合坯加热处理；采用异步轧制法将加热后的组合坯轧制成钢板，轧制时上轧辊辊速比下轧辊辊速快3～5％；对所述钢板进行冷却处理获得复合板，冷却速度为15～20℃/S，冷却系统上下集管的水比为1:1.5～2。该方法扩大了复合板接单宽度及厚度规格，同时简化生产工序，提高了生产效率。

为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互结合。

应当理解的是，虽然本文中可能使用了术语“第一”、“第二”等等来描述各个部件，但是这些部件不应当受这些术语限制。使用这些术语仅仅是为了将一个部件与另一个部件进行区分。举例来说，在不背离示例性实施例的范围的情况下，第一部件可以被称为第二部件，并且类似地第二部件可以被称为第一部件。这里所使用的术语“和/或”包括其中一个或更多所列出的相关联项目的任意和所有组合。

本申请实施例提供一种管线钢和不锈钢热轧复合板的制造方法，参见图1，包括以下步骤：

步骤S110：分别对管线钢和不锈钢进行表面处理；

本实施例中，管线钢对X60～X80管线钢均适用，不锈钢适用于316L、304、317等奥氏体系不锈钢。

为了避免表面氧化铁皮阻碍轧制复合过程中合金元素的扩散及界面再结晶过程，需要除掉表面氧化铁皮。具体而言，以管线钢作为基材、不锈钢作为复材，选取所述基材的一个表面作为第一复合面，选取所述复材的一个表面作为第二复合面，利用铣床对第一复合面和第二复合面进行处理，去除表层氧化铁皮，同时为保证复合面上下板面间距尽可能小，将第一复合面和第二复合面的粗糙度控制在Ra1.6μm～Ra3.2μm之间。需要说明的，根据实际需要，也可选不锈钢作为基材、管线钢作为复材。

步骤S120：将预制好坡口的管线钢和不锈钢叠放在一起，在压下力作用下对坡口进行焊接；

具体而言，所述焊接具体为：先在压力机作用下利用不锈钢焊条对基材、复材的坡口进行点焊，其中压下力不小于25000KN，然后利用全自动埋弧焊机对坡口进行补焊，焊接道次间隔时间≥10min。在25000KN以上的大压力作用下点焊，是为了尽可能减小结合面空隙间距，消除整个复合界面因表面不平而导致的不连续分离区。

步骤S130：对焊接后的复合界面进行抽真空处理，得到管线钢+不锈钢组合坯；

其中，抽真空处理后真空度达到10^-3Pa级。结合界面真空度对于结合强度起着决定性的作用，氧原子存在会促使界面生成过多的氧化夹杂降低结合强度，因此界面真空度必须达到10^-3Pa级。

步骤S140：对所述组合坯加热处理；

具体的，在加热时不锈钢侧朝上放置，所述加热的温度为1230℃～1280℃、保温时间≥1.5t min(其中，t为组合坯厚度/mm)。在高温下金属原子获得较大的动能，具备较长距离迁移的能力，提高加热温度，延长保温时间，以促使基板、复材彼此间原子深入扩散，增强界面金属原子间的结合力。但温度过高则会使管线钢基材原奥氏体过于粗化，轧后产品韧性无法满足要求。因此设定加热温度1230℃～1280℃，进行长时间保温。

步骤S150：采用异步轧制法将加热后的组合坯轧制成钢板，轧制时上轧辊辊速比下轧辊辊速快3～5％；

具体而言，所述轧制包括粗轧和精轧，所述粗轧的温度≥1120℃，道次压下率为8～10％，中间坯厚度为成品厚度2.5倍；所述精轧的开轧温度为980～1020℃，终轧温度为820～860℃。由于材质不同，在高温轧制下基材、复材的延伸率不一致，易发生上翘或下扣的现象，导致卡钢，采用异步轧制法，通过控制轧辊转速差达到延伸率保持基本一致。为避免大压下造成的板形问题，采用减小道次压下率至8～10％的方式进行控制。通过进行再结晶(粗轧)和非再结晶(精轧)两阶段控制轧制的方法，使得管线钢基体原奥氏体得到充分细化，达到提高强韧性的目的。

进一步地，为了保证进入冷却系统前钢板平直，在精轧结束后、冷却前对钢板进行高温预矫直处理，预矫直的温度为810～850℃。

步骤S160：对所述钢板进行冷却处理获得复合板；其中，冷却速度为15～20℃/S，冷却系统上下集管的水比为1:1.5～2。不锈钢合金成分远高于碳钢，导致冷却过程中复合板上下表面相变潜热差异较大，通过采用上下不同水比进行冷却的方式，达到调整冷却板形的目的。

进一步地，所述冷却的入水温度为780～820℃，返红温度≤500℃。采用较快冷速15～20℃/S及低温返红的冷却策略，具有增强管线钢基材强度的效果。

进一步地，为了保证冷却后钢板平直，还包括步骤S170：在冷却后对钢板进行矫直处理，矫直的温度为300～400℃，并进行火焰四边切处理，板边切割宽度50-80mm，头尾各切500mm。

通过以上内容可以看出，本申请实施例采用单层组坯轧制法生产管线钢+不锈钢复合板，成品厚度变为对称轧制时的2倍，将切边宽度由300mm减小到100mm以内，扩大了复合板接单宽度及厚度规格，提高了成材率；同时减少了对称复合轧制的分板工作及后续热处理矫直工序，节约了工序及人力成本。实施例获得的管线钢X70+不锈钢316L复合板性能如下：基板X70力学性能：R_t0.5≥520MPa，R_m≥600MPa，A_50.8≥28％；屈强比R_t0.5/R_m≤0.90；-20℃，V型全尺寸冲击功：KV₂≥300J；-15℃，落锤撕裂韧性DWTT：SA≥90％；维氏硬度：HV10≤230。不锈钢316L力学性能：R_t0.5≥250MPa，R_m≥520MPa，A_50.8≥48％。复合板的力学性能：界面剪切强度τ≥300MPa，达到GB/T8165Ⅰ级探伤标准即界面结合率100％。

本申请实施例还提供了上述管线钢和不锈钢热轧复合板的制造方法在制备油气输送耐蚀钢管中的应用。当然，也可用于除油气以外的其它领域。

以下通过实施例对本申请作更详细的描述。这些实施例仅是对本发明最佳实施方式的描述，并不对本发明的范围有任何的限制。

本申请实施例中基材管线钢X70的化学成分为(各元素按重量百分计)：C：0.05～0.08％；Si：0.15～0.30％；Mn：1.45～1.75％；P≤0.015％；S≤0.0020％；N≤0.006％；Nb：0.045～0.065％；V：0.025～0.045％；Ti：0.010～0.025％,Cr：0.15～0.35％；Al：0.02～0.05％，其余为Fe及不可避免的杂质。复材不锈钢316L的化学成分为(各元素按重量百分计)：C≤0.03％；Si≤0.75％；Mn≤2.0％；P≤0.045％；S≤0.030％；N≤0.010％；Ni：10.0～14.0％；Mo：2.0～3.0％；Cr：16.0～18.0％，其余为Fe及不可避免的杂质。其中，管线钢X70的合金成分，采用低C、低Mn成分设计，利用微合金元素Nb、V、Ti析出强化及Cr的固溶强化，以低成本合金体系达到基材的强韧要求。不锈钢316L，采用超低C冶炼技术，通过提高Cr、Ni、Mo的合金含量，达到优异的耐腐蚀性。

实施例管线钢X70和不锈钢316L热轧复合板的制造工艺流程为：表面处理→坡口焊接→抽真空→加热→粗轧→精轧→预矫直→冷却→矫直→切割。

对基材、复材各选取一个表面作为复合面，利用铣床对基材、复材的复合面进行表面处理，去除表层氧化铁皮，使接触面的粗糙度达到Ra1.6μm～Ra3.2μm。将预制好坡口的基材、复材叠放在一起，在压力机作用下利用不锈钢焊条对基材、复材的坡口进行点焊，其中压下力不小于25000KN。利用全自动埋弧焊机对坡口进行补焊，焊接道次间隔时间≥10min。利用扩散真空泵对复合界面进行抽真空处理，真空度达到10^-3Pa。具体工艺参数如表1所示。

表1组坯过程工艺参数列表

利用加热炉对组合坯进行加热，其中不锈钢侧朝上放置，当温度升高至1230℃～1280℃后，进行保温处理，保温时间≥1.5t min(其中，t为复合坯厚度，单位为mm)。板坯出炉直接进行高温粗轧，温度≥1120℃，其中上轧辊辊速较下轧辊辊速快3～5％，道次压下率控制在8～10％，中间坯厚度控制在成品厚度2.5倍。精轧开轧温度控制在980～1020℃，仍然采用同粗轧一样的异步轧制法进行轧制，终轧温度控制在820～860℃。具体工艺参数如表2所示。

表2轧制过程主要工艺参数列表

精轧结束后，在进入水冷前进行高温预矫直处理，保证进入冷却系统前钢板平直，入水温度控制在780～820℃之间。控制冷却系统上下集管的水比为1:1.5～2，冷却速度控制在15～20℃/S，返红温度控制在≤500℃。具体工艺参数如表3所示。

表3冷却过程工艺参数列表

出水后进行矫直处理，并进行火焰四边切处理，板边切割宽度50-80mm，头尾各切500mm。实施例及对比例管线钢基板X70的性能如表4所示。

表4管线钢基板X70的主要性能列表

实施例和对比例复材不锈钢316L的性能及复合板界面性能如表5所示。

表5复材不锈钢316L的主要性能及复合板界面性能

对比例1：爆炸法生产管线钢+不锈钢复合板

将管线钢板水平放置，316L不锈钢板在其上平行放置，在316L不锈钢板外表面均匀放置炸药，通过雷管引爆，炸药的瞬时爆速为1.8-2.2×10³m/s、猛度为6-10mm、密度为0.6-0.85g/cm³，在高制动压力下，316L不锈钢板和管线钢板的表面牢牢的粘接在一起。再经过补焊、热处理工艺、校平工艺、切边工艺、机械抛光工艺或酸洗工艺即可得到成品。为了保证复合质量，316L不锈钢板厚度≤5mm。

对比例2：对称复合轧制法生产管线钢+不锈钢复合板

将按化学成分设计冶炼好的钢坯进行开坯轧制；碳钢X60钢坯厚度120mm，不锈钢中间钢坯厚度15～20mm，利用铣床进行复合面的表面清理，碳钢与不锈钢界面不加入助焊剂，不锈钢与不锈钢之间加入阻焊剂，将钢坯对称叠放依次为X60+316L/316L+X60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。粗轧开轧温度控制在1100～1200℃，单道次压下率在15～30％；中间坯待温厚度40～80mm；精轧开轧温度控制在950～1050℃；终轧温度控制在850～1000℃；入水温度控制在800～950℃，冷速5～20℃/S,终冷温度550～700℃。

由图2可以看出，本申请实施例获得的管线钢X70和不锈钢316L热轧复合板的复合界面结合良好，管线钢和不锈钢基体彼此扩散，基体组织为贝氏体组织，保证了复合钢板的强韧性。

从表1～5可以看出，本申请实施例通过对组坯和控轧控冷工艺参数进行控制，可以实现单层组坯，单层轧制管线钢X70与不锈钢316L的复合板，基板力学性能达到X70的强韧水平，界面剪切强度达到300MPa以上，界面结合率达到100％。相较于对称复合轧制来说，生产同样厚度规格的产品，复合坯厚度仅为其一半，扩大了成品厚度极限，同时成品切边宽度减小至100mm以内，提高了成材率。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种管线钢和不锈钢热轧复合板的制造方法，其特征在于，包括：

分别对管线钢和不锈钢的复合面进行表面处理；

将预制好坡口的管线钢和不锈钢叠放在一起，在压下力作用下对坡口进行焊接；

对焊接后的复合界面进行抽真空处理，得到管线钢+不锈钢组合坯；

对所述组合坯加热处理；

采用异步轧制法将加热后的组合坯轧制成钢板，轧制时上轧辊辊速比下轧辊辊速快3～5％；

对所述钢板进行冷却处理获得复合板；其中，冷却速度为15～20℃/S，冷却系统上下集管的水比为1:1.5～2。

2.如权利要求1所述的管线钢和不锈钢热轧复合板的制造方法，其特征在于，所述表面处理后复合面的粗糙度达到Ra1.6μm～Ra3.2μm。

3.如权利要求1所述的管线钢和不锈钢热轧复合板的制造方法，其特征在于，所述压下力不小于25000KN，焊接道次间隔时间≥10min。

4.如权利要求1所述的管线钢和不锈钢热轧复合板的制造方法，其特征在于，所述抽真空处理后真空度达到10^-3Pa级。

5.如权利要求1所述的管线钢和不锈钢热轧复合板的制造方法，其特征在于，所述加热的温度为1230℃～1280℃、保温时间≥1.5t min，其中t为组合坯厚度/mm。

6.如权利要求1所述的管线钢和不锈钢热轧复合板的制造方法，其特征在于，所述轧制包括粗轧和精轧，所述粗轧的温度≥1120℃，道次压下率为8～10％；所述精轧的开轧温度为980～1020℃，终轧温度为820～860℃。

7.如权利要求1所述的管线钢和不锈钢热轧复合板的制造方法，其特征在于，所述冷却的入水温度为780～820℃，返红温度≤500℃。

8.如权利要求1-8之一所述的管线钢和不锈钢热轧复合板的制造方法，其特征在于，还包括：在所述轧制后、冷却前对钢板进行预矫直处理。

9.如权利要求8所述的管线钢和不锈钢热轧复合板的制造方法，其特征在于，还包括：在所述冷却后对钢板进行矫直和切边处理。

10.如权利要求1-9之一所述的管线钢和不锈钢热轧复合板的制造方法在制备油气输送耐蚀钢管中的应用。