CN108467993A - 一种低温管线用超宽高韧性热轧厚板及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种低温管线用超宽高韧性热轧厚板及其生产方法。钢中含有，C：0.030％～0.055％、Si：0.16％～0.30％、Mn：1.45％～1.70％、Nb：0.04％～0.07％、Ti：0.012％～0.025％、Cr：0.20％～0.40％、Mo≤0.14％、Ni≤0.20％、Cu≤0.15％、Al≤0.030％、P≤0.010％、S≤0.0015％、O：0.0005％～0.0020％、N：0.001％～0.004％、Ca：0.0010％～0.0045％、Ca/S≥1.8，(Mo+Ni+Cr+Cu)：0.30％～0.60％，其余为Fe和不可避免的杂质。粗轧开轧温度1080～1130℃，终轧温度980～1030℃，精轧开轧温度为820～860℃，精轧终轧温度为740～760℃，冷却速度8～15℃/s，热矫速度0.7～1.2m/s。成品钢板厚度≥21mm、宽度>4300mm，具有优良的低温韧性。

Description

一种低温管线用超宽高韧性热轧厚板及其生产方法

技术领域

本发明属于低碳低合金钢技术领域，尤其涉及一种低温环境油气输送管线用厚度≥21mm、宽度>4300mm的L485级超宽、高韧性、低屈强比、高塑性热轧厚板及其生产方法。

背景技术

当今世界对石油、天然气等能源的需求和消耗不断增大，要求油气输送管道在保证安全性的前提下不断向高效性和经济性方向发展。增大管道口径和输送压力是提高输送效率的重要措施，其中，增大管道口径的效果更为显著，同时，为保证安全性，油气管道的壁厚、钢级也在增加，作为制作油气管道的原料，相应的管线用热轧厚板必须满足厚壁、大板宽、高钢级的要求。

另一方面，新建油气项目不断向边远、高寒、海洋等气候和环境恶劣的地区发展。由于该类地区油气管道的服役条件苛刻，对相应的管线用热轧厚板提出了更为严格的技术要求；产品不仅要达到相应的强度，而且，必须具备良好的低温韧性、延展性和抗应变性等综合性能。然而，对于厚壁、大板宽管线用热轧厚板而言，随着宽度的增加，在相同的实施条件和设备能力下，钢板轧制变形能力受到严重制约，晶粒细化和控制难度倍增；而且，钢板宽度的增加，使钢板板形控制难度激增；同时，大壁厚的特征使加速冷却效果、厚度中心附近组织细化和均匀化控制更为困难；从而，最终显著增大性能控制难度。

目前，国内外对油气输送用宽厚管线钢板有一些研究，经检索发现了部分有关的专利和文献。

专利CN103882334A公开了一种输气直缝焊管用X70平板及其生产方法。提供了一种X70级别大口径直缝焊管用平板，所述钢板屈强比较高，仅保证-20℃冲击韧性和-15℃落锤性能，不满足低温环境用管线钢对低温韧性、抗应变能力的要求。

专利CN10380586A公开了一种经济型X70石油天然气管线钢及其生产方法。采用C：0.10％～0.14％、Mn：1.25％～1.50％的高碳低锰设计，低温韧性不足，同时，屈强比也较高。

专利CN105886912A公开了一种低压缩比厚规格X70级输气管线钢及生产方法。提供了一种X70级管线钢，成分中加入V等元素强化，合金含量高，性能上，低温韧性不足，屈强比较高。

专利US2017283901A1公开了一种550MPa级的耐高温管线钢及其制造方法，提供了一种550MPa级耐高温管线钢，成分中加入较多Mo、V、Cu、Ni等元素，工艺性能方面重点考虑保证高温拉伸性能，低温韧性、塑性、抗应变能力相对不足。

专利RU2583973C1公开了一种厚壁管线钢的制造方法，提供了一种K60级管线钢，钢板厚度小(14～20mm)，C含量相对较高(0.06％～0.08％)，采用较高的加热、轧制温度，不利于低温韧性控制。

汤海芳，王豹，王立坚等人在《轧钢》2016年第33卷6期发表的论文《X70管线钢屈服强度不合原因分析》中主要介绍了造成X70管线钢屈服强度变化的原因及改进措施，产品变形温度高，屈强比较高，不适用于低温高韧性管线钢。

综上所述，现有技术对低温管线用超宽高韧性热轧厚板的研究尚有不足。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，解决低温管线用超宽热轧厚板强度、塑性、低温韧性和抗应变性等综合性能匹配难题以及板形控制、微观组织控制及均匀性等问题，提供一种低温环境油气输送管线用厚度≥21mm、宽度>4300mm的L485级超宽、高韧性、低屈强比、高塑性热轧厚板及其生产方法。

具体的技术方案是：

本发明所述低温管线用超宽高韧性热轧厚板的厚度≥21mm、宽度>4300mm；成分设计以低C、低Mn为基础，改善材料韧性，重点利用Cr元素的经济性特点，部分或全部替代贵重的Mo、Ni等元素，同时，弥补C含量减少带来的强度损失；利用Nb、Ti元素抑制奥氏体晶粒长大和在奥氏体转变过程中的促进形核作用来细化晶粒，控制厚度心部组织，提高组织均匀性；配以相应的冶炼、加热、轧制、冷却、矫直等生产工艺获得超宽、厚壁、高强度、高塑性、低屈强比和良好的低温韧性等综合性能及理想的微观组织和钢板板形。

本发明所述低温管线用超宽高韧性热轧厚板的化学成分重量百分比为C：0.030％～0.055％、Si：0.16％～0.30％、Mn：1.45％～1.70％、Nb：0.04％～0.07％、Ti：0.012％～0.025％、Cr：0.20％～0.40％、Mo：≤0.14％、Ni≤0.20％、Cu：≤0.15％、Al：≤0.030％、P≤0.010％、S≤0.0015％、O：0.0005％～0.0020％、N：0.001％～0.004％、Ca：0.0010％～0.0045％、Ca/S≥1.8，(Mo+Ni+Cr+Cu)：0.30％～0.60％，余量为铁和不可避免的杂质。

本发明所述低温管线用超宽高韧性热轧厚板CE_IIW控制在0.36％～0.40％，CE_Pcm控制在0.14％～0.17％，其中CE_IIW＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15；CE_Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B。

本发明成分设计理由：

C是有效的强化元素，能够形成间隙固溶体，还可以与Nb等合金元素作用形成细小的碳化物析出，特别是在轧制变形过程或奥氏体相变之前析出，发挥阻碍晶粒长大、细化组织的作用；同时析出相还可以阻碍位错移动，有效提高强度，因此，碳含量不宜过低；但是，考虑到碳含量的增加对材料塑性和焊接性不利，特别是对低温韧性有不利影响，而且会提高铸坯再加热时碳化物的固溶温度，所以，碳含量也不能过高，本发明认为碳控制在0.030％～0.055％较为适宜。

Si在本发明中主要发挥固溶强化作用，提高淬透性，但其含量过高会使钢的塑性和韧性降低，易引起冷脆，本发明中其适宜范围是0.16％～0.30％。

Mn具有固溶强化作用，可有效提高强度，对提高淬透性也有利；还可以增加奥氏体稳定性，降低奥氏体相变温度，抑制钢板加速冷却前的相变晶粒长大，发挥细化晶粒作用；但是，锰含量过高易诱发偏析，恶化厚壁钢板组织均匀性和厚度中心韧性且不利于焊接，本发明认为将锰含量控制在1.45％～1.70％较为适宜。

Nb有明显的固溶和析出强化作用，本发明充分利用Nb在轧制、加速冷却前的析出钉扎能力，有效细化晶粒，提高强度和改善韧性，而且，Nb能够降低奥氏体相变温度，从而发挥细晶作用；同时，Nb能抑制奥氏体再结晶，提高再结晶轧制温度，从而，有效降低轧制力，对提高本发明所述管线用超宽高韧性热轧厚板的轧制道次变形率，达到预期的细晶效果作用明显；另外，Nb还可以减少厚壁管线钢因轧制时厚度方向温度差异而产生的混晶问题，但是，Nb含量过高会使生产成本明显增加，本发明认为将铌含量控制在0.04％～0.07％较为适宜。

Ti可以发挥固氮效果，形成以TiN为主的析出相，能抑制高温条件下奥氏体的晶粒长大，有利于细化铸坯和钢板微观组织，也可以改善焊后热影响区韧性；同时，以Ti的氧化物为主的细小颗粒能够促进奥氏体相变过程中的晶粒细化，对改善大壁厚管线钢厚度中心附近的组织性能有益。本发明认为将钛含量控制0.012％～0.025％较为适宜。

Cr能提高奥氏体稳定性和淬透性，降低奥氏体相变温度，还有固溶强化作用，而且，Cr元素经济性高，可以部分替代Mo、Ni等贵重合金元素，还可以弥补C含量减少带来的强度损失，对提高厚壁管线钢强度和改善厚度方向组织均匀性发挥良好作用；但Cr含量过高对焊接性不利、塑性也有恶化趋势，所以，Cr含量控制在0.20％～0.40％为宜。

Mo能够增加奥氏体稳定性，明显提高淬透性，促进中低温组织转变，增加强度，还可以优化钢板和HAZ区的组织性能，但是，钼含量过高一方面会增加成本，另一方面，会促进硬相组织形成，降低韧性，因此，应控制其含量在0.14％以下。

Ni发挥固溶强化作用，有利于改善低温韧性；Ni还可以延迟珠光体转变，促进中温转变组织形成，降低厚规格钢板冷速限制；但Ni价格较高，因此，将其含量控制在≤0.20％为宜。

Cu能起到固溶强化作用，同时，Cu还可以提高耐蚀性，但含量过高易诱发裂纹，损害焊接性，本发明认为将铜含量控制在≤0.15％较为适宜。

Al是脱氧元素，与O有强烈的结合能力，为了促进以Ti的氧化物为主的细小颗粒的形成本发明认为Al含量不宜过高，控制在≤0.030％为宜。

P、S在本发明中为有害杂质元素，含量越低越好；其中，P对低温韧性有明显的不利影响，本发明将P控制在≤0.010％，S含量增加会促进夹杂物的生成和长大，恶化性能，因此，S≤0.0015％。

O含量过高会促进夹杂物的增多和长大，但在本发明中利用了O与Ti作用形成以Ti的氧化物为主的细小颗粒，增加相变形核，发挥细化组织的作用，因此，本发明将氧含量控制在0.0005％～0.0020％。

N可以与Ti、Nb等元素结合形成析出物，对抑制板坯加热时晶粒长大发挥明显作用，同时，能发挥析出强化作用，因此，钢中存在一定的N对性能有利，但含量过高会恶化母材和焊接热影响区的韧性，其含量控制在0.001％～0.004％为宜。

Ca可以有效控制夹杂物形态，使之球化，减少硫化物、氧化物等夹杂物对性能的危害，但是，Ca含量过高会增加团簇或束状夹杂，恶化性能，本发明认为Ca：0.0010％～0.0045％且Ca/S≥1.8可以达到理想的夹杂物控制效果。

Mo、Ni、Cr、Cu均具有强化作用，增加奥氏体稳定性，有利于提高淬透性，Mo+Ni+Cr+Cu过低不利于性能和微观组织控制，含量过高影响焊接性和经济性，因此，本发明将(Mo+Ni+Cr+Cu)：0.30％～0.60％。

本发明将CE_IIW控制在0.36％～0.40％，CE_Pcm控制在0.14％～0.17％，既可以保证钢板的强韧性，又能使钢板具有适宜的可焊性。

本发明所述低温管线用超宽高韧性热轧厚板的生产方法包括：铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼、连铸、板坯加热、轧制、冷却、矫直；钢水精炼后连铸前吹氩镇静时间不少于10min，连铸坯浇注过热度12～25℃，连铸坯拉速0.8～1.2m/min，连铸坯厚度/成品钢板厚度控制在9～13；连铸前的吹氩镇静能够促进夹杂物去除，改善钢水成分和温度均匀性；浇注过热度和连铸坯拉速的控制可以有效减少铸坯质量缺陷；从连铸坯到成品钢板的压缩比有利于晶粒细化。

连铸坯经清理后装炉加热，其中，连铸坯均热温度1160～1200℃，均热段加热时间不低于50min，加热总时间1.1～1.6min/mm；连铸坯清理可有效减少表面缺陷，均热工艺的设计主要为了保证Nb元素的固溶，使Nb在后续生产中发挥理想的作用，同时，有效控制奥氏体晶粒长大；加热时间可保证坯料温度均匀性。

粗轧开轧温度为1080～1130℃，粗轧终轧温度为980～1030℃，采用横纵轧制方式，其中，纵轧开始温度低于1050℃，纵轧阶段保证至少最后2个道次的道次变形率大于15％且道次间隔不超过15s；粗轧轧制速度1.2～2.0m/s，粗轧阶段的轧制温度和变形工艺使奥氏体晶粒再结晶，粗轧纵轧采用大压下和短间隔工艺可以在兼顾设备能力、轧制负荷的前提下更好的发挥变形叠加效果，促进奥氏体发生再结晶，达到晶粒细化目标，适宜本发明超宽厚壁管线钢板的生产，粗轧轧制速度的控制可以促进轧制变形向厚度中心的渗透，细化厚度中心晶粒，有利于改善大壁厚管线钢的心部组织。

中间待温坯厚度3.5t～5.0t，其中，t为成品钢板厚度，精轧开轧温度为820～860℃，精轧终轧温度为740～760℃，保证至少1道次变形温度不超过760℃；采用较大的中间待温坯厚度和较低的精轧温度一方面能保证奥氏体变形并积累形变能，另一方面，能够促进Nb、Ti的细小析出相的诱导析出，钉扎晶界和位错，增加形核位置；还有，控制精轧最后阶段的轧制温度可以促进细小的铁素体生成，有效改善韧性，控制屈强比。

轧后钢板进行加速水冷，开始水冷冷却温度720～750℃，轧后至开始水冷间隔时间不超过30s，终冷温度300～420℃，水冷冷却速度8～15℃/s，水冷冷却时间不低于15s；随后进行热矫直和空冷，其中，热矫直速度0.7～1.2m/s，矫直机入口辊缝比钢板厚度小且二者之差为2～4mm。

钢板开始水冷温度和时间可以控制水冷前组织中铁素体比例和尺寸，即保证铁素体的形核又防止铁素体晶粒的过分长大，提高塑性和韧性，水冷温度区间、终冷温度可以促进相变和硬相组织形成，减少在后续空冷过程中的相变应力对钢板板形的影响，水冷冷却速度、水冷时间能够在保证水冷效果的同时降低钢板内应力，即能满足性能又可以降低对板形的影响，而矫直工艺可以进一步保证超宽钢板的板形。

钢板最终微观组织以贝氏体+少量多边形铁素体的复合组织为主，其中，多边形铁素体体积百分比在10％～30％，晶粒度达到11级或更细，钢板具有超宽、厚壁、高强度、高塑性、低屈强比和良好的低温韧性，同时，焊接性和成型性满足制作超宽厚壁L485级油气输送管道的要求。

有益效果：

本发明同现有技术相比，有益效果如下：

(1)本发明以低C、低Mn为基础，重点利用Cr元素的经济性特点，部分或全部替代贵重的Mo、Ni等元素，同时，弥补C含量减少带来的强度损失；利用Nb、Ti元素抑制奥氏体晶粒长大和在奥氏体转变过程中的促进形核作用来细化晶粒，控制厚度心部组织，提高组织均匀性；配以与之相应的独特的生产工艺，使低温管线用超宽高韧性热轧厚板获得理想的微观组织结构、优异的综合性能和良好板形。

(2)本发明碳当量CE_IIW和CE_Pcm适宜，保证材料具有良好的强度和可焊性。

(3)本发明的精炼、连铸工艺方案有效改善了铸坯质量，从而提高最终产品性能。

(4)本发明利用独特的大厚度中间待温+低温轧制+轧后均匀控冷工艺，充分发挥细小析出的强化和细晶作用，获得强塑韧性匹配良好的微观组织结构，有效提高产品性能，同时，增加冷却均匀性，降低内应力和组织应力，有效控制了超宽钢板的板形，钢板不平度≤7mm/2m。

(5)本发明所述低温管线用超宽高韧性热轧厚板的厚度≥21mm、宽度>4300mm，横向屈服强度可达到485～540MPa，横向抗拉强度达到610～680MPa，横向延伸率A_50mm≥43％，横向屈强比不超过0.82，-60℃横向冲击功均值≥400J，-20℃横向DWTT剪切面积≥85％，微观组织以贝氏体+少量多边形铁素体的复合组织为主，其中，多边铁素体体积百分比在10％～30％，晶粒度达到11级或更细，满足制作低温环境用超宽厚壁L485级油气输送管道的要求。

附图说明

图1为实施例1的钢板厚度1/4位置金相组织；图2为实施例1的钢板厚度1/2位置金相组织；图3为实施例3的钢板厚度1/4位置金相组织；图4为实施例3的钢板厚度1/2位置金相组织；显微组织均为贝氏体+少量多边形铁素体。

具体实施方式

以下实施例用于具体说明本发明内容，这些实施例仅为本发明内容的一般描述，并不对本发明内容进行限制。

本发明各实施例钢的化学成分如表1所示；本发明各实施例钢的冶炼连铸工艺如表2所示；本发明各实施例钢的板坯加热工艺如表3所示；本发明各实施例钢的粗轧工艺如表4所示；本发明各实施例钢的精轧工艺如表5所示；本发明各实施例钢的冷却和矫直工艺如表6所示；本发明各实施例钢的力学性能、微观组织比例和不平度如表7所示。

表1本发明实施例钢板的化学成分wt％

注：表中CE_IIW＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15；CE_Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B

表2本发明实施例钢板的冶炼连铸工艺

实施例	吹氩镇静时间/min	浇注过热度/℃	连铸坯拉速/(m·min-1)	板坯厚度/成品厚度
					1	20	14	0.8	10.5
2	16	22	0.8	10.5
					3	18	20	0.8	11.5
4	21	13	0.8	11.5
					5	21	16	1.2	11.9
6	19	18	1.2	11.9

表3本发明实施例钢板的板坯加热工艺

实施例	均热温度/℃	均热段时间/min	加热总时间/(min·mm-1)
				1	1183	112	1.37
2	1169	87	1.31
				3	1179	96	1.36
4	1185	78	1.18
				5	1194	64	1.35
6	1190	56	1.28

表4本发明实施例钢板的粗轧工艺

表5本发明实施例钢板的精轧工艺

注：t为成品钢板厚度

表6本发明实施例钢板的冷却和矫直工艺

表7本发明实施例钢板的力学性能、微观组织比例和不平度

注：拉伸试样为全厚度矩形试样，平行测试段板宽38.1mm；DWTT试样为全厚度试样；冲击试样尺寸为10*55*55mm。

从以上实施例可知，按本发明方法生产的低温管线用钢，钢板厚度≥21mm、宽度>4300mm，钢板不平度≤6mm/2m，横向屈服强度可不低于490MPa，横向抗拉强度不低于635MPa，横向延伸率A_50mm≥45％，横向屈强比不超过0.80，-60℃横向冲击功均值≥400J，-20℃横向DWTT剪切面积＞85％，满足制作低温环境用超宽厚壁L485级油气输送管道的要求。

Claims (3)

1.一种低温管线用超宽高韧性热轧厚板，其特征在于，钢中化学成分按质量百分比为：C：0.030％～0.055％、Si：0.16％～0.30％、Mn：1.45％～1.70％、Nb：0.04％～0.07％、Ti：0.012％～0.025％、Cr：0.20％～0.40％、Mo：≤0.14％、Ni≤0.20％、Cu：≤0.15％、Al≤0.030％、P≤0.010％、S≤0.0015％、O：0.0005％～0.0020％、N：0.001％～0.004％、Ca：0.0010％～0.0045％、Ca/S≥1.8，Mo+Ni+Cr+Cu：0.30％～0.60％，其余为Fe和不可避免的杂质；所述低温管线用超宽高韧性热轧厚板的CE_IIW为0.36％～0.40％，CE_Pcm为0.14％～0.17％，其中

CE_IIW＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15；

CE_Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B。

2.如权利要求1所述的一种低温管线用超宽高韧性热轧厚板，其特征在于，钢板厚度≥21mm、宽度>4300mm。

3.一种如权利要求1或2所述的低温管线用超宽高韧性热轧厚板的生产方法，钢板的生产工艺为：铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼、连铸、板坯加热、轧制、冷却、矫直，其特征在于，

钢水精炼后连铸前吹氩镇静时间不少于10min，连铸坯浇注过热度为12～25℃，连铸坯拉速为0.8～1.2m/min，连铸坯厚度/成品钢板厚度控制在9～13；

连铸坯经清理后装炉加热，连铸坯均热温度为1160～1200℃，均热段加热时间不低于50min，加热总时间为1.1～1.6min/mm；

粗轧开轧温度为1080～1130℃，粗轧终轧温度为980～1030℃，采用横纵轧制方式，其中，纵轧开始温度低于1050℃，纵轧阶段保证至少最后2个道次的道次变形率大于15％且道次间隔不超过15s；粗轧轧制速度为1.2～2.0m/s；

中间待温坯厚度3.5t～5.0t，其中，t为成品钢板厚度；精轧开轧温度为820～860℃，精轧终轧温度为740～760℃，保证至少1道次变形温度不超过760℃；

轧后钢板进行加速水冷，开始水冷冷却温度720～750℃，轧后至开始水冷间隔时间不超过30s，终冷温度300～420℃，水冷冷却速度8～15℃/s，水冷冷却时间不低于15s；随后进行热矫直和空冷，其中，热矫直速度0.7～1.2m/s，矫直机入口辊缝比钢板厚度小且二者之差为2～4mm。