CN107937802A - 一种低温条件下使用的60‑80mm厚低裂纹敏感性、易焊接管件用钢板及其制造方法 - Google Patents

一种低温条件下使用的60‑80mm厚低裂纹敏感性、易焊接管件用钢板及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种低温条件下使用的60‑80mm厚低裂纹敏感性、易焊接管件用钢板，产品化学成分按wt％计为，C 0.03‑0.09，Si 0.10‑0.35；Mn 1.2‑1.7；Al 0.02‑0.04；Nb≤0.05；V≤0.05；Cr≤0.5；Ni≤0.5；Mo≤0.4；Cu≤0.3；Ti 0.01‑0.02，余量为Fe。碳当量≤0.43，冷裂纹敏感系数Pcm≤0.20。生产工艺流程为KR铁水预处理‑转炉‑LF精炼‑RH真空脱气‑450mm及以上厚度板坯连铸‑缓冷‑轧制‑调质热处理‑精检‑性能检测‑入库。产品兼备管件钢低温使用条件、厚度、高强度、低裂纹敏感性、易焊接等多项性能。

Description

一种低温条件下使用的60-80mm厚低裂纹敏感性、易焊接管件 用钢板及其制造方法
技术领域
本发明属于管件类用钢，尤其是涉及一种在超低温环境下使用的厚规格已焊接管件用钢板及其制造方法。
背景技术
管件用钢主要包括三通、弯管和封头，在长输管线工程中，起到改变方向、加强固化的作用，是长输管线工程中重要的结构件之一，一般采用热成型工艺制造，因此普遍要求钢板调质态交货。近年来，随着长输管线的不断发展和大输送量的迫切需求，高钢级、大厚度长输管线钢已经开始批量应用，如中石油33mm厚度X80级管线钢已经完成千吨级工程应用。在长输管线钢不断发展的同时，为满足工程需要，特厚管件用钢的需求越来越大。同时，在高寒地带的管件用钢通常要求钢具有良好的低温性能，通常要求在-40℃左右，最低在-46℃条件下使用。目前，能够满足-60℃条件下使用的60-80mm厚度具有低裂纹敏感性性的(C≤0.09％，Pcm≤0.20％)的高强度管件用钢板及其制造方法，未见有所报道。
专利公告号CN 102021499的发明专利提出了一种管件用钢及制造方法，成分设计上没有明确Pcm值范围，C含量范围最大值到0.12％，示例中C的范围较宽，部分大于0.10％，焊接性的描述上不确切，没有表述出更好的焊接性；同时，最大厚度仅提供到52mm厚度，专利中也没有涉及到连铸坯的厚度，仅说明压缩比情况，可推测，由于连铸坯厚度有限，因此为保证压缩比，无法生产更大厚度的管件用钢。
专利公告号CN102011064的发明专利提出了一种X80级低温管件用钢及其制备和应用，可满足-46℃条件下30-70mm厚度管件用钢的使用。该专利，在成分设计上，C含量范围0.12-0.16％，不属于低裂纹敏感性性管件用钢的设计范围；在连铸坯厚度以及相关的压缩比方面，没有明确相关数据，同时，该专利申请的范围为30-70mm厚度，与本专利有重叠，但考虑到低裂纹敏感性性的成分设计上和轧钢工艺设计上的明显差异，两个专利存在显著差异。
专利公告号CN102912250的发明专利提出了一种油气输送用低屈强比管件用钢及其生产方法，可满足X70或X80级管件用钢的使用。在成分设计上，C含量范围在0.09-0.16％，同时仅提供了CEIIW的计算方式和数值，没有提供冷裂纹敏感指数(Pcm)的数值；众所周知，当C≥0.12％，采用CEIIW来评定材料的可焊性，当C≤0.12％，采用Pcm来评定材料的可焊性，该专利在焊接性的描述上未能体现出材料具有良好的焊接性；在连铸坯厚度及压缩比方面，没有明确连铸坯厚度及粗轧阶段压缩比情况；在最终产品厚度上，最大厚度仅到42mm厚度，与本专利申请的60-80mm厚度不相重叠。
专利公告号CN102021499提出了一种管件用钢及其制造方法，C含量范围0.02-0.12％，可满足52mm厚度以下-30℃冲击要求的高强度管件用钢，与本专利有较高的雷同度。但是，依据CN 102021499专利描述，虽然可有效保证焊接性和低裂纹敏感性，但是由于厚度的增加，管件用钢的低温冲击韧性仅能保证到-30℃，无法进一步保证到-60℃，同时，在厚度规格上，受限于淬透性和压缩比等因素，仅描述到52mm厚度，没有更大厚度的数据支撑。与CN 102021499专利相比，本专利在更为严格的突出低碳(C≤0.09)、低裂纹敏感性(Pcm≤0.20)的同时，通过不同的微合金化、特厚连铸坯和大压缩比轧制工艺，不仅将产品厚度提高到60-80mm厚度，而且可满足-60℃低温条件下使用。
综上所述，目前国内还没有相关报道或专利申请，能够提供一种能够在-60℃条件下使用的60-80mm厚具有低裂纹敏感性性的(C≤0.09％，Pcm≤0.20％)的高强度管件用钢板及其制造方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在-60℃条件下使用的60-80mm厚度、C≤0.09％、Pcm≤0.20％的低裂纹敏感性管件用钢板及其制造方法，产品兼顾低温使用条件、厚度、高强度、低裂纹敏感性、易焊接等多项性能。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种低温条件下使用的60-80mm厚低裂纹敏感性、易焊接管件用钢板，该钢板的化学成分按质量百分比％计为，C 0.03-0.09，Si0.10-0.35；Mn 1.2-1.7；Al 0.02-0.04；Nb≤0.05；V≤0.05；Cr≤0.5；Ni≤0.5；Mo≤0.4；Cu≤0.3；Ti 0.01-0.02，余量为Fe及不可避免的杂质；碳当量≤0.43，冷裂纹敏感系数Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B≤0.20。
进一步地，该钢板的化学成分按质量百分比％计为，C 0.03-0.09；Si 0.10-0.35；Mn1.2-1.7；Al 0.02-0.04；Nb 0.01-0.05；V 0.01-0.05；Cr 0.1-0.5；Ni 0.1-0.5；Mo 0.1-0.4；Cu 0.1-0.3；Ti 0.01-0.02，余量为Fe及不可避免的杂质；碳当量≤0.43，冷裂纹敏感系数(Pcm)≤0.20。
产品的性能满足，屈服强度550MPa以上，抗拉强度670-760MPa，延伸率≥17％，-60℃下钢板的1/4厚度和1/2厚度处夏比冲击功均≥150J，钢板在整个厚度断面上均得到均匀的低碳贝氏体组织。
本申请钢板化学成分的设计原理如下：
本发明采取了C≤0.09％的成分设计，在获得更低的碳当量和冷裂纹敏感系数的同时，更保证了钢板完全处于低裂纹敏感性材料区间，具有良好的可焊性；同时，在合金配比上，满足材料性能需求的同时，设定了Pcm≤0.20，碳当量≤0.43，为钢板具有良好焊接性提供了双重保证。在优化合金元素配比的同时，利用450mm特厚连铸坯提高轧制压缩比，最小压缩比≥5.6，强化细晶效果，从而弥补强度上的损失。
C：本发明专利中的关键设计元素，常规高强度管件用钢碳的选择范围一般在0.09-0.16％之间，规格越厚，碳含量越高，60-80mm厚度一般选择范围要在0.12-0.16％之间，这主要是因为随着厚度的增加，要求钢的淬透性要更好，C是提高淬透性最好的元素；但是，C含量的增加，对材料的焊接性和低温韧性是不利的，因此，管件用钢的裂纹敏感性较差，本发明专利，为保证材料的焊接性和低温韧性，突破传统思路，C含量选择范围为0.03-0.09％。
Si：主要脱氧元素，以通过固溶强化提高钢的强度，含量过高会对表面质量及焊接性能产生不利影响，过低则影响脱氧效果，综合考虑，本发明Si含量选择范围为0.1-0.35％。
Mn：主要强化元素之一，以固溶强化形式提高钢的强度，弥补C过低导致的强度损失；是影响强度、淬透性和焊接性的主要合金元素，过高则会导致Pcm过高。综合考虑，本发明Mn含量的选择范围为1.20-1.70％；
Al：主要脱氧元素，形成AlN从而起到细化晶粒的作用。本发明Al含量的选择范围为0.02-0.04％。
Nb：能够细化奥氏体晶粒从而达到细晶强化的效果，有利于强度和韧性的提高。在调质钢中，固溶的Nb会形成NbC以弥散强化的形式析出，综合考虑，本发明Nb含量的选择范围为0.01-0.05％。
V：主要以细晶强化和析出强化为主，碳氮化物形成元素，通过形成V(C，N)以弥散强化的方式提高钢的强度和韧性，细化晶粒。本发明V含量的选择范围为0.01-0.05％。
Cr：提高钢的淬透性的主要元素，尤其是在低碳设计的调质钢种，可很好的弥补C含量较低导致强度和淬透性下降的不足。过量，则会对钢的低温冲击韧性和焊接性产生不利影响。本发明Cr含量的选择范围为0.1-0.5％。
Ni：通过固溶强化提高钢的强度和改善低温冲击韧性，可弥补碳含量降低导致的强度和淬透性的不足，Ni含量过高时，容易在二次加热时产生黏度较高的氧化铁皮，影响钢板表面质量。本发明Ni含量的选择范围为0.1-0.4％。
Mo：提高淬透性主要元素，可弥补C含量下降导致的强度和淬透性的不足，可推迟铁素体转变，同时还可以克服调质处理时钢的回火脆性。本发明Mo含量的选择范围为0.1-0.3％。
Ti：固氮元素，可通过形成TiN起到析出强化的作用，有效细化晶粒。但Ti含量过多时，容易出现粗大的析出相，对韧性不利，综合考虑，本发明Ti含量的选择范围为0.01-0.02％。
本申请的另一目的是提供上述低温条件下使用的60-80mm厚低裂纹敏感性、易焊接管件用钢板的制造方法，工艺流程为KR铁水预处理-转炉-LF精炼-RH真空脱气-450mm及以上厚度板坯连铸-缓冷-轧制-调质热处理-精检-性能检测-入库。
工艺步骤具体如下：
①冶炼原料依次经KR铁水预处理、转炉顶底吹炼、LF精炼、RH精炼和连铸工艺处理，形成厚度为450mm厚及以上的连铸坯，连铸完成后对连铸坯实施加罩缓冷，缓冷时间为72小时以上；
②将连铸坯加热至1100～1200℃，保温160～180min，连铸坯出炉后使用高压水除鳞；
③进行两阶段轧制，设置总体压缩比≥5.6以上，其中粗轧阶段≥2以上，控制粗轧阶段的累计压下量和单道次大压下能够细化原奥氏体晶粒，为管件用钢的最终晶粒度细化提供良好基础；精轧阶段采用累计大压下和低温轧制工艺，能够发挥形变促进相变的作用，通过诱导析出和位错强化，为管件用钢在再次热处理时提供大量的奥氏体形核位置，从而起到真正细化晶粒的作用。没有450mm大厚度连铸坯作为保证，无法实现有效细化晶粒。具体工艺为：第一阶段为粗轧，开轧温度在1100-1160℃，累计综合压下率≥50％；第二阶段为精轧阶段，开轧温度为820-880℃，累计道次压下率≥60％；轧后钢板进行ACC快冷，冷速控制在3-10℃/s，出水温度550-650℃；然后进行到热矫直；
④热矫直后钢板进行下线堆缓冷，堆缓冷时间≥48小时；
⑤对缓冷后的钢板进行离线淬火+回火处理，淬火和回火均在连续炉中进行，淬火温度为910-980℃，在炉时间1.3-2.0min/mm；回火温度为580-680℃，在炉时间3.5-4.0min/mm，出炉后空冷。
本发明针对在在-60℃条件下使用的60-80mm厚度低裂纹敏感性管件用钢板，使用低碳、低裂纹敏感系数成分设计、高纯净钢的冶炼、450mm厚度特厚连铸板坯作为原料，采取控制轧制加调质处理的方法生产出60-80mm厚度屈服强度550MPa以上的低裂纹敏感性管件用钢板。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明专利在成分设计上采用了低碳+Ni、Cr、Mo等微合金化元素、低裂纹敏感性成分设计，C0.03-0.09％，冷裂纹敏感系数Pcm≤0.20，碳当量≤0.43，保证产品具有良好的低裂纹敏感性。
(2)本发明专利提供一种在-60℃条件下使用的60-80mm厚度管件用钢，厚度达到60-80mm，屈服强度≥550MPa，还具有良好低温冲击韧性，-60℃下钢板的1/4厚度和1/2厚度处夏比冲击功均≥150J，可满足在-60℃低温条件下使用。
(3)为保证低碳、低裂纹敏感性成分设计下能够达到60-80mm厚度低温高韧性高强度的管件用钢的性能要求，本发明专利采用大压缩比轧制工艺，采用450mm厚度的特厚连铸坯，利用轧制手段充分细化原奥氏体晶粒度，从而实现了低裂纹敏感性高韧性管件用钢的生产。
附图说明
图1为本发明60mm厚度钢板的显微组织照片；
图2为本发明80mm厚度钢板的显微组织照片。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1-2：
根据本发明的化学成分范围及制造方法，经KR铁水预处理—转炉冶炼—LF精炼—RH真空脱气—450mm厚度连铸坯连铸—连铸坯加罩缓冷—连铸坯检查清理—铸坯加热—高压水除鳞—轧制—冷却—矫直—钢板堆缓冷—淬火—回火等工艺步骤，制造厚度60-80mm的550MPa高低裂纹敏感性管件用钢板。
上述加热、轧制和缓冷阶段的具体工艺为：将450mm厚度连铸坯加热至1180℃，保温180min(实施例1，2)，连铸坯出炉后使用高压水除鳞；然后进行两阶段轧制，第一阶段开轧温度1130℃，累计道次压下率55％，中间坯厚度200mm(实施例1)或第一阶段开轧温度1120℃，累计道次压下率50％，中间坯厚度225mm(实施例2)；第二阶段开轧温度为860℃，累计道次压下率70％(实施例1)或第二阶段开轧温度870℃，累计道次压下率64％(实施例2)，最终钢板厚度为60mm(实施例1)和80mm(实施例2)；轧后进行快速冷却，冷速10℃/s，出水温度630℃(实施例1)和冷速8℃/s，出水温度600℃(实施例2)；然后热矫直；热矫直后钢板进行下线堆缓冷，堆缓冷时间48小时(实施例1)和60小时(实施例2)。
缓冷完成后的钢板进入连续炉进行淬火处理。实施例1：加热温度920℃，在炉时间1.8min/mm，使用淬火机水淬。实施例2：加热温度940℃，在炉时间2.0min/mm，使用淬火机水淬。对完成淬火处理的钢板在连续炉中进行回火处理。实施例1:加热温度660℃，在炉时间4.0min/mm，实施例2：加热温度630℃，在炉时间4.0min/mm。
实施例1和2制得的钢板化学成分见表1，钢板的力学性能见表2，钢板的显微组织如图1和图2所示。
表1实施例1和2中60-80mm厚度管件用钢板的化学成分(wt.％)
Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15
Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B
表2实施例1和2中低裂纹敏感性高强高韧性抗层状撕裂钢板的力学性能
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 (6)

1.一种低温条件下使用的60-80mm厚低裂纹敏感性、易焊接管件用钢板，其特征在于：该钢板的化学成分按质量百分比％计为，C 0.03-0.09，Si 0.10-0.35；Mn 1.2-1.7；Al0.02-0.04；Nb≤0.05；V≤0.05；Cr≤0.5；Ni≤0.5；Mo≤0.4；Cu≤0.3；Ti 0.01-0.02，余量为Fe及不可避免的杂质；碳当量≤0.43，冷裂纹敏感系数Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B≤0.20。
2.根据权利要求1所述的低温条件下使用的60-80mm厚低裂纹敏感性、易焊接管件用钢板，其特征在于：该钢板的化学成分按质量百分比％计为，C 0.03-0.09；Si 0.10-0.35；Mn1.2-1.7；Al 0.02-0.04；Nb 0.01-0.05；V 0.01-0.05；Cr 0.1-0.5；Ni 0.1-0.5；Mo 0.1-0.4；Cu 0.1-0.3；Ti 0.01-0.02，余量为Fe及不可避免的杂质；碳当量≤0.43，冷裂纹敏感系数(Pcm)≤0.20。
3.根据权利要求1所述的低温条件下使用的60-80mm厚低裂纹敏感性、易焊接管件用钢板，其特征在于：产品的性能满足，屈服强度550MPa以上，抗拉强度670-760MPa，延伸率≥17％，-60℃下钢板的1/4厚度和1/2厚度处夏比冲击功均≥150J，钢板在整个厚度断面上均得到均匀的低碳贝氏体组织。
4.一种低温条件下使用的60-80mm厚低裂纹敏感性、易焊接管件用钢板的制造方法，其特征在于：工艺流程为KR铁水预处理-转炉-LF精炼-RH真空脱气-450mm及以上厚度板坯连铸-缓冷-轧制-调质热处理-精检-性能检测-入库。
5.根据权利要求4所述的低温条件下使用的60-80mm厚低裂纹敏感性、易焊接管件用钢板的制造方法，其特征在于：工艺步骤具体如下：
①冶炼原料依次经KR铁水预处理、转炉顶底吹炼、LF精炼、RH精炼和连铸工艺处理，形成厚度为450mm厚及以上的连铸坯，连铸完成后对连铸坯实施加罩缓冷，缓冷时间为72小时以上；
②将连铸坯加热至1100～1200℃，保温160～180min，连铸坯出炉后使用高压水除鳞；
③进行两阶段轧制，设置总体压缩比≥5.6以上，其中粗轧阶段≥2以上，控制粗轧阶段的累计压下量和单道次大压下能够细化原奥氏体晶粒，为管件用钢的最终晶粒度细化提供良好基础；精轧阶段采用累计大压下和低温轧制工艺，具体工艺为：第一阶段为粗轧，开轧温度在1100-1160℃，累计综合压下率≥50％；第二阶段为精轧阶段，开轧温度为820-880℃，累计道次压下率≥60％；轧后钢板进行ACC快冷，冷速控制在3-10℃/s，出水温度550-650℃；然后进行到热矫直；
④热矫直后钢板进行下线堆缓冷，堆缓冷时间≥48小时；
⑤对缓冷后的钢板进行离线淬火+回火处理，淬火和回火均在连续炉中进行，淬火温度为910-980℃，在炉时间1.3-2.0min/mm；回火温度为580-680℃，在炉时间3.5-4.0min/mm，出炉后空冷。
6.根据权利要求5所述的低温条件下使用的60-80mm厚低裂纹敏感性、易焊接管件用钢板的制造方法，其特征在于：钢板的化学成分按质量百分比％计为，C 0.03-0.09，Si 0.10-0.35；Mn 1.2-1.7；Al 0.02-0.04；Nb≤0.05；V≤0.05；Cr≤0.5；Ni≤0.5；Mo≤0.4；Cu≤0.3；Ti 0.01-0.02，余量为Fe及不可避免的杂质；碳当量≤0.43，冷裂纹敏感系数Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B≤0.20。
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