CN109023065A

CN109023065A - 高性能矿浆输送用耐磨管线钢钢带及其生产方法

Info

Publication number: CN109023065A
Application number: CN201811015224.4A
Authority: CN
Inventors: 李冠楠; 贾改风; 李�杰; 王朔阳; 姚政; 孙毅; 李红俊
Original assignee: Handan Iron and Steel Group Co Ltd; HBIS Co Ltd Handan Branch
Current assignee: Handan Iron and Steel Group Co Ltd; HBIS Co Ltd Handan Branch
Priority date: 2018-08-31
Filing date: 2018-08-31
Publication date: 2018-12-18

Abstract

本发明公开了一种高性能矿浆输送用耐磨管线钢钢带及其生产方法，其化学成分组成及质量百分含量为：C≤0.06%，Si 0.20%～0.30%，Mn 1.60%～1.80%，P≤0.012%，S≤0.0015%，Als 0.015%～0.045%，Cr 0.30%～0.40%，Mo 0.10%～0.15%，V 0.03%～0.04%，Nb 0.06%～0.08%，Ti 0.010%～0.025%，B≤0.0005%，N≤0.005%，H≤0.0002%，Pcm 0.147%～0.180%，余量为铁和不可避免的杂质成分。本管线钢成分设计中加入了增加材质耐冲蚀磨损性能的Cr、Mo、V等合金元素，通过对C、P、S和杂质气体元素的加严控制，特别是对S元素的加严控制，保证材料的低温韧性，在保证材料耐冲蚀磨损性能的同时也能保证优异的低温韧性。本方法通过成分特殊设计，控制轧制和冷却工艺，使得管线钢中得到组织细小的针状铁素体型组织，使钢带具有同时具有优异的低温韧性。

Description

高性能矿浆输送用耐磨管线钢钢带及其生产方法

技术领域

本发明属于冶金技术领域，尤其是一种高性能矿浆输送用耐磨管线钢钢带及其生产方法。

背景技术

目前煤炭类资源主要还是采用公路、铁路等传统的运输方式，每天数以万计的重型卡车及火车来往运煤，远远超过承载能力，难以真正解决目前煤炭运输的困局。因此，采用大型管道输送煤浆，再利用煤浆重新还原到煤粉，可以解决目前运力过载的问题，矿浆输送用耐磨管线钢的市场需求应运而生。

矿浆输送用耐磨钢管广泛应用到电力、冶金、矿山、煤炭等行业用以运输沙石，煤粉，灰渣等磨削性颗粒物料。浆体输送属于冲蚀和滑动磨损，滑动和冲蚀对高硬度低韧性材料会造成裂纹，其工作环境要求耐磨钢管具有高硬度、高韧性以获得良好的耐磨性能。近几年，矿石和煤粉等原料的需求量日渐增加，因而需要开发遥远地带或自然环境严酷（例如西伯利亚冬季严寒的环境）的地区的矿石资源，这时对于远距离矿浆输送用耐磨管线钢，除要求用于管线钢的耐磨性能外，还要求能耐受在寒冷地带中使用的低温韧性。在低温环境下，矿浆输送量压力较大时，裂纹的传播速度比破裂后的减压波的速度更快，因此需要具有优异的防脆性破坏的能力，高耐磨兼顾高韧性，给钢厂提出了新的难题。

一般而言，钢材的低温韧性随着硬度的提高而发生恶化，在一些低温高寒地区无法使用。因此，目前一般采用复合耐磨管道和内壁硬化的方法来制造耐磨钢管，但是这种方法工艺复杂，成本较高，强韧性配合不理想。目前急需一种同时兼具低温韧性和耐冲蚀磨损性能的管线钢产品，以应用于耐磨钢管等领域，解决目前浆体管道存在的技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种兼具低温韧性和耐冲蚀磨损性能的高性能矿浆输送用耐磨管线钢钢带；本发明还提供了一种高性能矿浆输送用耐磨管线钢钢带的生产方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的化学成分组成及质量百分含量为：C≤0.06%，Si 0.20%～0.30%，Mn 1.60%～1.80%，P≤0.012%，S≤0.0015%，Als 0.015%～0.045%，Cr 0.30%～0.40%，Mo 0.10%～0.15%，V 0.03%～0.04%，Nb 0.06%～0.08%，Ti0.010%～0.025%，B≤0.0005%，N≤0.005%，H≤0.0002%，Pcm 0.147%～0.180%，余量为铁和不可避免的杂质成分。

本发明所述耐磨管线钢钢带的组织为针状铁素体型组织，晶粒度12～13级。

本发明设计思路：成分设计采用“铌 + 钼”成分体系设计，再适量添加增加材料耐冲蚀磨损性能的Cr、V等合金元素的方法。尽量减少C对韧性的不利影响，添加Mn保证低碳含量下的高强韧性，添加Mo使中温转变时珠光体区和贝氏体区分离，抑制先共析铁素体产生，快速冷却后促进针状铁素体型混合组织的生成。加入微量Ti、Nb细化晶粒、延迟再结晶，并利用其析出和沉淀强化进一步提高强度。该成分体系的设定保证了产品具有优异的轧制工艺实施窗口及性能稳定性。

本发明方法包括铸坯加热、轧制、冷却工序；所述铸坯的化学成分组成及质量百分含量如上所述。

本发明方法所述轧制工序：包括粗轧和精轧，粗轧最后三道次有效压下率≥18%，且最后两道次有效压下率分别≥20%和≥25%，粗轧阶段累积有效压下率≥70%，粗轧温度控制在1070～1120℃；精轧阶段在奥氏体再结晶区域每道次压下率控制在18%～25%，未再结晶区轧制时单道次压下率≤18%，从第一道次往后逐渐降低，精轧开轧温度≤970℃，精轧各道次轧制温度为820～970℃。

本发明方法所述冷却工序：开始冷却温度为810～840℃，冷却结束温度为380～420℃，层流冷却速率控制在28～35℃/s；边部遮挡单侧行程为0～270mm；并采用组合式层流冷却模式：带钢上表面层流冷却水量为下表面的81～95%，采用密集型冷却模式，精炼出口速度控制在2.3～2.8m/s，水量控制在8000～10000m³/h。

本发明方法所述铸坯加热工序：加热温度控制在1160～1200℃，在炉时间大于180min。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明成分设计中加入了增加材质耐冲蚀磨损性能的Cr、Mo、V等合金元素，通过对C、P、S和杂质气体元素的加严控制，特别是对S元素的加严控制，保证材料的低温韧性，在保证材料耐冲蚀磨损性能的同时也能保证优异的低温韧性。

本发明方法通过成分特殊设计，控制轧制和冷却工艺，使得管线钢中得到组织细小的针状铁素体型组织，使钢带具有同时具有优异的低温韧性，最终得到有优异低温韧性和耐冲蚀磨损性能的矿浆输送用耐磨管线钢钢带。

本发明方法中成分设计合理，通过恰当的合金元素配比充分发挥了各合金元素的功效，同时炼钢过程通过控制管线钢带C、P、S 含量，保证钢质纯净，为今后的生产和产品开发具有明确的指导意义。本发明方法生产的矿浆输送用耐磨管线钢钢带产品，不仅具有良好的耐冲蚀磨损性能，同时具有优异的低温韧性，解决了钢铁行业耐磨管线钢系列产品“高耐磨性能”与“高低温韧性”之间的矛盾，达到国内管线钢领域最好水平。本发明方法采取了成本较低的TMCP轧制工艺，通过轧制制度和温度制度的窄范围精确控制使产品达到最优的性能，低成本的设计给企业带来了巨大的经济效益，同时标志着国内企业具备了批量生产优异低温韧性和耐冲蚀磨损性能耐磨管线钢钢带的能力，社会效益显著。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明目标钢种奥氏体连续冷却转变曲线图；

图2是本发明目标钢种-40℃的DWTT实验断口图；

图3是本发明目标钢种夏比冲击韧性系列温度曲线；

图4是本发明实施例1管线钢1/4处的微观组织图；

图5是本发明实施例1管线钢1/2处的微观组织图；

图6是本发明实施例2管线钢1/4处的微观组织图；

图7是本发明实施例2管线钢1/2处的微观组织图；

图8是本发明实施例3管线钢1/4处的微观组织图；

图9是本发明实施例3管线钢1/2处的微观组织图。

具体实施方式

本高性能矿浆输送用耐磨管线钢钢带的生产方法包括转炉冶炼、精炼、连铸、铸坯加热、轧制和冷却工序，各工序工艺如下所述：

（1）转炉冶炼工序：原料采用P≤0.12wt%、S≤0.04wt%的铁水和一级小粒白灰2.13～2.42kg/t钢，采用底吹氩模式，出钢至1/4时加入硅铁3.07～3.25kg/t钢、电解锰13.07～13.36kg/t钢，加入铬铁3.72～3.94kg/t钢，加入钼铁1.83～2.01kg/t钢，出钢1/2时加入活性石灰1.51～1.74kg/t钢，转炉终点氧含量≤900ppm，出钢时间≥5min；终点目标C≤0.03wt%，温度在1647～1672℃。所述一级小粒白灰和活性石灰的技术指标参考YB/T 042-2014。

（2）精炼工序：采取LF-RH双联工艺路线；LF精炼时间≥40min，采用电解锰铁调整锰含量，进站后加入铌铁0.873～0.963kg/t钢，加入钒铁0.457～0.472kg/t钢，出站温度1600～1610℃，出站钢水要求S＜0.002wt%；RH炉处理时间≥35min，真空处理时间≥20min，处理过程全泵投入，真空度要求≤1mbar，保证纯脱气时间≥6min，钙处理后净吹时间≥6min，出站温度1563～1573℃。

（3）连铸工序：采用保护浇注，辊缝偏差要求在±0.5mm之间；结晶器液面波动在±4mm之间，液相线温度为1521～1528℃；中间包温度控制范围1535～1565℃；拉速控制范围1.0～1.3m/min，采用恒拉速操作；铸坯凝固采用动态轻压下，动态轻压下量≥7mm。

（4）铸坯加热工序：加热温度控制在1160～1200℃，在炉时间保证大于180min。

（5）轧制工序：A、轧制控制构思：首先采用Gleeble3500热模拟试验机研究得出该级别管线钢高温应力应变曲线，确定变形温度在990～1090℃，变形速率在5～10s^-1，发生动态再结晶的临界压下率为16～20%，由此制定奥氏体再结晶区和未再结晶区的压下工艺：为了使管线钢发生动态再结晶，粗轧最后三道次有效压下率设定为≥18%，且粗轧最后两道次的有效压下率分别要求大于等于20%和25%，粗轧阶段累积有效压下率≥70%，控制在70～75%，保证得到原始的细小奥氏体晶粒；精轧阶段奥氏体未再结晶区为了使管线钢不发生动态再结晶，所有道次压下率均≤25%，从第一道次往后逐渐降低，使钢带变形不能发生动态再结晶，而在金属内部保留畸变能量，提供更多的铁素体形核点，在轧制过程中形成一定比例的压扁后细小的原始奥氏体晶粒，为最终得到细小的针状铁素体型组织做准备。

B、温度控制构思：采用Gleeble3500热模拟试验得出该级别管线钢奥氏体连续冷却转变曲线，据此得出Ar3温度和Ar1温度并设定开轧温度和开始冷却温度。粗轧阶段形变温度在1070～1120℃，粗轧最后3道次轧制温度控制在该区间内，保证动态再结晶区间内进行大压下轧制；从奥氏体连续冷却转变曲线中看，精轧阶段要控制轧制温度避开动态再结晶温度区间，即低于990℃，同时奥氏体未再结晶区温度为890～920℃，精轧阶段尽量控制在奥氏体未再结晶区，考虑到轧机轧制的能力，精轧开轧温度设定在950～970℃之间；精轧过程还应尽量避开奥氏体+铁素体的双相区轧制，结合铁碳相图和奥氏体连续冷却转变曲线来看，双相区开始温度在770～790℃，为了避开双相区轧制，终轧温度控制在800～840℃；冷却段，为了保证低温韧性，需要得到细小弥散的针状铁素体型组织，根据CCT曲线的温度转变点可以确定应采用“高冷速低卷取”的工艺路线，同时也要避免生成马氏体组织，故对冷却速度有较严的要求，实际生产控制在28～35℃/s。

C、轧制工序的控制工艺：包括粗轧和精轧，其中粗轧采用R1+R2=3+5道次轧制，R2粗轧最后两道次的压下率分别≥20%和≥25%，粗轧累计压下率在70%～75%，粗轧温度控制在1070～1120℃，中间坯厚度在50～58mm；精轧过程开启7架轧机，在奥氏体再结晶区域轧制的前三道次每道次压下率控制在18%～25%，后续的未再结晶区轧制时单道次压下率≤18%，从第一道次往后逐渐降低；精轧开轧温度≤970℃，精轧各道次轧制温度为820～970℃。粗轧和精轧各道次压下率分配和轧制温度等参数最好如表1、表2和表3所示。

表1：粗轧R1各道次压下率和轧制温度

表1中，R11、R12、R13分别表示粗轧的前3个道次。

表2：粗轧R2各道次压下率和轧制温度

表2中，R21、R22、R23、R24、R25分别表示粗轧的后5个道次。

表3：精轧各道次压下率和轧制温度

表3中，F1、F2…F5、F7分别表示精轧的7个道次；其中因为成品厚度较大，为了保证道次压下率和轧制稳定性，甩开了F6机架。

（6）冷却工序：开始冷却温度为810～840℃，冷却结束温度为380～ 420℃，层流冷却速率控制在28～35℃/s；边部遮挡单侧行程为0～270mm；并采用组合式层流冷却模式：带钢上表面层流冷却水量为下表面的81～95%，采用密集型冷却模式，精轧出口速度控制在2.3～2.8m/s，层冷段总水量控制在8000～10000m³/h，热带头控制在2.5～3.5m。奥氏体未再结晶区开轧温度低于Ar3温度20～30℃，使轧制温度范围位于“奥氏体+铁素体”双相区，轧制过程钢带不再发生再结晶，通过“高冷速低卷取”的工艺路线确保相变能更早的进入针状铁素体相区，从而得到尽可能多的针状铁素体型组织以保证低温韧性；最终形成开始冷却温度低于Ar1温度，避免冷却过程中产生较大的相变应力。

（7）本方法所得耐磨管线钢钢带的厚度为14.7～19.6mm；钢带的屈服强度534～586MPa，抗拉强度651～681MPa，延伸率A₅₀≥32%，屈强比是0.82～0.86，钢板横向截面上维氏硬度232～259HV10，其-40℃落锤剪切面积为90%～100%，-40℃冲击功为263～327J；实验室环境72小时加速冲蚀磨损试验模拟钢材在实际环境中使用8年的情况，热轧钢卷失重率仅0.0374～0.0712%，失厚率仅为0.093～0.182mm；所得耐磨管线钢的奥氏体连续冷却转变曲线图见图1，-40℃的DWTT实验断口图见图2，夏比冲击韧性系列温度曲线图见图3。

实施例1－8：本高性能矿浆输送用耐磨管线钢钢带的生产方法具体如下所述。

（1）转炉冶炼工序：各实施例的具体工艺参数见表4。

表4：转炉冶炼工序工艺参数

（2）精炼工序：各实施例的具体工艺参数见表5。

表5：精炼工序工艺参数

（3）连铸和铸坯加热工序：各实施例的具体工艺参数见表6。

表6：连铸和铸坯加热工序工艺参数

（4）轧制工序：各实施例的粗轧工艺参数见表7，精轧工艺参数见表8。

表7：粗轧工艺参数

表8：精轧工艺参数

（5）冷却工序：各实施例的具体工艺参数见表9。

表9：冷却工序工艺参数

（6）各实施例所得耐磨管线钢钢带微观组织结构均为针状铁素体型组织，其中，实施例1所得耐磨管线钢钢带1/4处的微观组织图见图4、1/2处的微观组织图见图5，实施例2所得耐磨管线钢钢带1/4处的微观组织图见图6、1/2处的微观组织图见图7，实施例3所得耐磨管线钢钢带1/4处的微观组织图见图8、1/2处的微观组织图见图9。各实施例所得耐磨管线钢钢带的化学成分见表10；各实施例所得耐磨管线钢钢带的力学性能等见表11。

表10：各实施例所得耐磨管线钢钢带的化学成分（wt%）

表10中，化学成分的余量为铁和不可避免的杂质成分；其中，Pcm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B。

表11：各实施例所得耐磨管线钢钢带的力学性能

表11中，所述的失重率均根据实验室环境72小时加速冲蚀磨损试验模拟钢材在实际环境中使用8年的情况计算所得；所述的维氏硬度为横向截面上的维氏硬度。

Claims

1.一种高性能矿浆输送用耐磨管线钢钢带，其特征在于，其化学成分组成及质量百分含量为：C≤0.06%，Si 0.20%～0.30%，Mn 1.60%～1.80%，P≤0.012%，S≤0.0015%，Als0.015%～0.045%，Cr 0.30%～0.40%，Mo 0.10%～0.15%，V 0.03%～0.04%，Nb 0.06%～0.08%，Ti 0.010%～0.025%，B≤0.0005%，N≤0.005%，H≤0.0002%，Pcm 0.147%～0.180%，余量为铁和不可避免的杂质成分。

2.根据权利要求1所述的高性能矿浆输送用耐磨管线钢钢带，其特征在于：所述耐磨管线钢钢带的组织为针状铁素体型组织，晶粒度12～13级。

3.一种高性能矿浆输送用耐磨管线钢钢带的生产方法，其特征在于：其包括铸坯加热、轧制和冷却工序；所述铸坯的化学成分组成及质量百分含量为：C≤0.06%，Si 0.20%～0.30%，Mn 1.60%～1.80%，P≤0.012%，S≤0.0015%，Als 0.015%～0.045%，Cr 0.30%～0.40%，Mo 0.10%～0.15%，V 0.03%～0.04%，Nb 0.06%～0.08%，Ti 0.010%～0.025%，B≤0.0005%，N≤0.005%，H≤0.0002%，Pcm 0.147%～0.180%，余量为铁和不可避免的杂质成分。

4.根据权利要求3所述的高性能矿浆输送用耐磨管线钢钢带的生产方法，其特征在于，所述轧制工序：包括粗轧和精轧；粗轧最后三道次有效压下率设定为≥18%，且最后两道次有效压下率分别≥20%和≥25%，粗轧阶段累积有效压下率≥70%，粗轧温度控制在1070～1120℃；精轧阶段在奥氏体再结晶区域每道次压下率为18%～25%，未再结晶区轧制时单道次压下率≤18%，精轧开轧温度≤970℃，精轧各道次轧制温度为820～970℃。

5.根据权利要求3所述的高性能矿浆输送用耐磨管线钢钢带的生产方法，其特征在于，所述冷却工序：开始冷却温度为810～840℃，冷却结束温度为380～420℃，层流冷却速率控制在28～35℃/s；边部遮挡单侧行程为0～270mm；并采用组合式层流冷却模式：带钢上表面层流冷却水量为下表面的81～95%，采用密集型冷却模式，精轧出口速度控制在2.3～2.8m/s，水量控制在8000～10000m³/h。

6.根据权利要求3、4或5所述的高性能矿浆输送用耐磨管线钢钢带的生产方法，其特征在于，所述铸坯加热工序：加热温度控制在1160～1200℃，在炉时间大于180min。