CN109161790A - 一种酸性条件下使用的高级别高韧性管件钢板及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种酸性条件下使用的高级别高韧性管件钢板，化学成分以质量％计为，C 0.03‑0.05，Si 0.2‑0.4；Mn 0.9‑1.4；Al 0.02‑0.04；Nb 0.02‑0.08；V≤0.05；Ti 0.01‑0.02；Cu 0.1‑0.3；Ni 0.1‑0.3；Cr 0.1‑0.4；Mo 0.1‑0.2；B≤0.0005；P≤0.005；S≤0.001；[N]≤0.005；[O]≤0.005；[H]≤0.0015，余量为Fe及不可避免的杂质；冷裂纹敏感系数(Pcm)≤0.19。工艺流程为，KR铁水预处理—转炉—LF精炼—RH真空脱气—板坯连铸—缓冷—轧制—冷却—淬火—回火。钢板‑60℃冲击功≥200J，低温韧性远超现有市场上同类钢的性能，且具有优异的抗HIC性能；可满足在‑60℃超低温酸性环境下使用。

Description

一种酸性条件下使用的高级别高韧性管件钢板及其制造方法
技术领域
本发明属于冶金技术领域，涉及一种酸性条件下使用的高级别高韧性管件钢板及其制造方法。
背景技术
目前陆地及碱性石油天然气等资源已开采上百年，面临日益枯竭。因此人类已逐渐将目光投向酸性石油天然气领域，酸性油气田的特性是在石油或天然气中含有一定H2S等酸性气体，给输送管道造成腐蚀，为防止酸性气体对管道的腐蚀破坏，要求管线钢具有抗氢致开裂性能(HIC)性能，管道的抗HIC性能好坏是影响管道系统可靠性及安全使用寿命的关键因素。另外在长输管线工程项目中，需要建设很多压气站、输配气站场等设施，因此，需要大量的站场管件用钢。输送管道中的管件钢不仅可以改变管道的方向，而且可以缓冲管道所在地域的地层迁移、地震以及外界环境变化等附加在直管上的应力和扭矩作用，是管线中承载较为苛刻的重要构件；且随着管道不断向高寒区域延伸，很多工程所需管件需要裸露在低于-46℃的气温下，甚至达到-50℃以下，在常规管件用钢的基础上，需要具备更高级别更高韧性的管件钢。因此，能够满足酸性条件下使用的高级别高韧性管件钢板可更好的满足工程需要，提升工程安全。
专利公告号CN 106591718 A提出了一种屈服420MPa级高韧抗酸调质型管件钢板及生产方法，该专利设计的钢板强度级别只有X60级别，且只能满足-46℃冲击功≥120J的韧性要求。
专利公告号CN 104831182 A提出了一种低屈强比抗HIC及抗SSCC X70管线钢板及生产方法，该专利设计的钢板只提到热轧后的钢板性能，没有提及调质后的钢板性能，由于管件钢在其生产过程中，需要经过加热、鼓包、拉拔等热成型过程，然后整体回火热处理，因此，通常要求材料经过调质处理后，其性能仍旧能够满足项目要求，该专利只适应于非管件用钢。
本申请发明人在现有技术的基础上欲开发一种能够在酸性条件下使用的高级别高韧性管件钢板，采用低碳低锰微合金元素设计，连铸板坯TMCP+调质工艺生产，可满足整体热处理后的管件用钢在-60℃超低温酸性条件下使用。
发明内容
本发明的目的是提供一种在酸性条件下使用的高级别高韧性管件钢板及其制造方法。可在-60℃超低温酸性环境下使用(-60℃冲击功≥200J)的高级别高韧性X70QS管件用钢。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种酸性条件下使用的高级别高韧性管件钢板，化学成分以质量％计为，C 0.03-0.05，Si 0.2-0.4；Mn 0.9-1.4；Al 0.02-0.04；Nb 0.02-0.08；V≤0.05；Ti 0.01-0.02；Cu 0.1-0.3；Ni 0.1-0.3；Cr 0.1-0.4；Mo 0.1-0.2；B≤0.0005；P≤0.005；S≤0.001；[N]≤0.005；[O]≤0.005；[H]≤0.0015，余量为Fe及不可避免的杂质；冷裂纹敏感系数(Pcm)≤0.19。
本申请要申请一种高强度级别的具有优异低温韧性，同时能够抗HIC性能的管线钢，其性能：厚度为35-70mm，屈服强度485-540MPa，抗拉强度580-700MPa，延伸率≥40％，屈强比≤0.88；-60℃冲击功≥200J；可满足在-60℃超低温酸性环境下使用。3、根据权利要求2所述的管件钢板，其特征在于：钢板HIC试验结果：截面试样，CLR％＝0％，CTR％＝0％，CSR％＝0％。
钢板为TMCP+调质工艺生产，调质前钢板的组织为含粒贝组织的针状铁素体+贝氏体，所述含粒贝组织的针状铁素体的体积含量为70％左右，贝氏体为30％左右；调质后，贝氏体组织含量增加至40％，含粒贝组织的针状铁素体的含量下降至60％。
化学成分上本发明采取了低碳低锰含量+Nb、Ti为主的微合金成分设计，加入少量Cu、Ni、Cr、Mo等合金，同时严格控制P、S、[O]、[N]、[H]等杂质元素含量和连铸坯中心偏析，充分发挥控轧控冷对组织的精细化调控。本发明中各成分作用及其含量选择理由具体说明如下：
C：碳是提高强度最主要也是最廉价的元素，随着碳含量的增加，钢的强度增加，但同时对钢的塑韧性及焊接性能带来不利影响，本发明采用低碳设计，C含量选择范围为0.03-0.05％。
Si：脱氧元素，以固溶强化形式提高钢的强度，过低则影响脱氧效果，过高会对表面质量、韧性及焊接性能产生不利影响，综合考虑，本发明Si含量选择范围为0.2-0.4％。
Mn：低合金钢种基本合金元素，可弥补C过低导致的强度损失；是影响强度、淬透性、焊接性的主要合金元素之一。但过高的锰含量易产生Mn偏析，尤其是生产厚规格钢板时需要连铸厚板坯，过高Mn含量易在连铸坯中心形成偏析，降低钢板抗酸性能，综合考虑，本发明Mn含量的选择范围为0.9-1.4％；
Al：起脱氧和固氮的作用，并通过形成AlN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：在控轧过程中，可提高奥氏体再结晶区温度范围，有效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。在调质处理过程中，固溶的Nb会形成NbC以弥散强化的形式析出，能够提高强度而不损害韧性，综合考虑，本发明Nb含量的选择范围为0.02-0.08％。
Ti：通过形成TiN起到析出强化的作用，有效细化晶粒，但是过多的Ti含量会引起钛的氮化物粗化，对低温韧性产生不利影响。本发明Ti含量的选择范围为0.01-0.02％。
Cu：Cu可以使氢致裂纹敏感性明显降低，因为Cu能够促使钢表面形成钝化膜，减少了氢元素的侵入，从而有效遏制氢致裂纹的产生。Cu还可以减弱S对钢的耐腐蚀的有害作用，因为Cu与S结合形成难容的硫化物，减小S元素的影响，本发明Cu含量的选择范围为0.1-0.3％。
Ni：能够同时提高钢的强度和改善低温冲击韧性，因加入Cu后，钢有热裂倾向，加入适量的Ni可改善含Cu钢的热裂倾向。但Ni含量过高时，在连铸坯加热过程中会产生黏度较高的氧化铁皮，影响钢板表面质量；同时，太高的Ni提高钢板的碳当量和裂纹敏感系数，影响钢板的焊接性；综合考虑，本发明Ni含量的选择范围为0.1-0.3％。
Cr：提高淬透性的主要元素，可很好的弥补C含量较低导致强度和淬透性下降的不足。含量过高时，则会对低温冲击韧性和焊接性有不利影响。本发明Cr含量的选择范围为0.1-0.4％。
Mo：加入适量的Mo可提高材料的淬透性，同时可推迟铁素体转变，是控制相变过程的重要合金元素，在一定的冷速和终冷温度下，通过添加一定的Mo即可获得明显的针状铁素体或贝氏体组织，同时加入一定量的Mo还有利于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0.1-0.2％。
P、S、[O]、[N]、[H]：作为钢中的主要杂质元素，对钢板的低温韧性会产生不利影响，尤其是心部低温韧性，在较低合金含量下，控制越低越好。根据现有实际生产条件，本发明P、S、[O]、[N]、[H]含量的选择范围为P≤0.005％，S≤0.001％，[N]≤0.005，[O]≤0.005，[H]≤0.0015。
该钢板的具体生产步骤为：KR铁水预处理-转炉-LF精炼-RH真空脱气-板坯连铸-缓冷-轧制-冷却-淬火-回火-性能检测-包装入库。
具体操作如下
冶炼原料依次经KR铁水脱硫预处理、转炉顶底吹炼、LF精炼、RH精炼和连铸工艺处理，形成厚度在300-450mm的高纯净连铸坯，连铸完成后对连铸坯实施加罩缓冷，缓冷时间为≥72小时；
将连铸坯加热至1150～1230℃，均热段保温180-210min，连铸坯出炉后使用高压水除鳞。
进行两阶段轧制，第一阶段为再结晶区轧制，开轧温度在1000-1100℃，后三道次单道次平均压下率≥22％；第二阶段为非再结晶区轧制，开轧温度为790-830℃，终轧温度770-810℃，累计道次压下率≥60％；轧后热矫直；
钢板轧制后进入DQ+ACC冷却设备进行冷却，分为三阶段冷却，第一阶段快速冷却，采用一组DQ设置，冷却速度在25-30℃/s，第二阶段适当降低冷速，冷速控制在15-20℃/s，第三阶段为较慢速度冷却，冷速在10-15℃/s，终冷温度控制在420-480℃；
对钢板进行调质处理：淬火温度880-920℃，保温时间1.5min/mm，水淬，然后进行试样回火处理，回火温度580-620℃，保温时间3.5min/mm；出炉后空冷至室温即得钢板成品。
本发明针对酸性环境使用的高级别高韧性管件钢板，使用低碳低锰+Nb、Ti为主的微合金成分设计、高纯净钢的冶炼、300-450mm厚度特厚连铸板坯作为原料，采取控制轧制加DQ+ACC快速冷却+调质处理的方法生产出厚度35-70mm的X70QS管件用钢板。与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明采用低碳低锰+Nb、Ti为主，另加入少量Cu、Ni、Cr、Mo等合金，同时严格控制P、S、[O]、[N]、[H]等杂质元素含量和连铸坯中心偏析，生产出高纯净度的优质坯料。
(2)采用特定的轧制工艺，粗轧阶段尤其后三道次采用低速大压下(后三道次要求压缩比≥22％)，保证变形能充分渗透到钢板的芯部，提高钢板厚度方向上变形均匀性。精轧阶段累计道次压下率≥60％，以保证硬化的奥氏体晶粒充分压扁、拉长。
(3)采用特定的冷却工艺，利用DQ+ACC设备进行三阶段冷却，细化晶粒，提高强韧性，组织晶粒度达到了0.5级。
(4)按照本发明生产的钢板整体热处理后，在满足强度的基础上，具有良好低温韧性及抗腐蚀性能，屈服强度485-540MPa，抗拉强度580-700MPa，延伸率≥40％，屈强比≤0.88；-60℃冲击功≥200J。可满足在-60℃超低温酸性环境下使用。
附图说明
图1为本发明35mm厚度钢板的显微组织照片；
图2为本发明54mm厚度钢板的显微组织照片；
图3为本发明70mm厚度钢板的显微组织照片；
图4为实施例1的HIC试验结果；
图5为实施例2的HIC试验结果；
图6为实施例3的HIC试验结果；
图7为实施例1的HIC试验的检测面图；
图8为实施例1的HIC试验的检测面图；
图9为实施例1的HIC试验的检测面图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。
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—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—淬火—回火等工艺步骤，制造厚度35mm(实施例1)和54mm(实施例2)和70mm(实施例3)的在低温酸性条件下使用的管件钢板。
上述加热、轧制、冷却和调质阶段的具体工艺为：将370mm厚度连铸坯加热至1180℃，保温180min(实施例1、2)或450mm厚度连铸坯加热至1200℃，保温210min(实施例3)，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1060℃(实施例1和2)或1050℃(实施例3)，中间坯厚度105mm(实施例1)、145mm(实施例2)和180mm(实施例3)，后三道次单道次平均压下率25％(实施例1)、23％(实施例2)和22％(实施例3)；第二阶段开轧温度为820℃，累计道次压下率66.7％(实施例1)或第二阶段开轧温度815℃，累计道次压下率62.7％(实施例2)或第二阶段开轧温度810℃，累计道次压下率61.1％(实施例3)，最终钢板厚度为35mm(实施例1)、54mm(实施例2)和70mm(实施例3)。轧后进行ACC加速冷却，分为三阶段冷却，第一阶段快速冷却，采用一组DQ设置，冷却速度26℃/S(实施例1和2)和28℃/S(实施例3)，第二阶段适当降低冷速，冷却速度16℃/S(实施例1)、18℃/S(实施例2)和19℃/S(实施例3)，第三阶段为较慢速度冷却，冷却速度在10℃/s(实施例1)和12℃(实施例2)和14℃(实施例3)，终冷温度控制在470℃(实施例1)和450℃(实施例2)和430℃(实施例3)；最后对钢板进行淬火和回火热调质处理，淬火温度为900℃，保温时间1.5min/mm，水淬(实施例1、2和3)，然后进行试样回火处理，回火温度610℃，保温时间3.5min/mm(实施例1)和回火温度600℃，保温时间3.5min/mm(实施例2)；回火温度580℃，保温时间3.5min/mm(实施例3)。
实施例1、2和3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HIC实验检测结果如图4、图5和图6所示。
表1实施例1、2和3钢板的化学成分(wt.％)
实例 C Si Mn Al Nb+Ti Cu+Ni+Cr+Mo P S [O] [N] [H]
1 0.04 0.25 1.25 0.023 0.073 ≤1.0 0.004 0.0006 0.0011 0.0018 0.0001
2 0.04 0.24 1.26 0.025 0.067 ≤1.0 0.004 0.0005 0.0009 0.0021 0.0001
3 0.05 0.25 1.24 0.026 0.070 ≤1.0 0.004 0.0005 0.0010 0.0024 0.0001
表2实施例1、2和3钢板的力学性能
实施例1-3钢板的HIC试验检测结果：HIC试验结果，对应参见图4-6，和HIC试验的检测面图片(100╳)，对应参见图7-9。
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)

1.一种酸性条件下使用的高级别高韧性管件钢板，其特征在于：该钢板的化学成分以质量％计为，C 0.03-0.05，Si 0.2-0.4；Mn 0.9-1.4；Al 0.02-0.04；Nb 0.02-0.08；V≤0.05；Ti 0.01-0.02；Cu 0.1-0.3；Ni 0.1-0.3；Cr 0.1-0.4；Mo 0.1-0.2；B≤0.0005；P≤0.005；S≤0.001；[N]≤0.005；[O]≤0.005；[H]≤0.0015，余量为Fe及不可避免的杂质；冷裂纹敏感系数(Pcm)≤0.19。
2.根据权利要求1所述的管件钢板，其特征在于：所述钢板的厚度为35-70mm，屈服强度485-540MPa，抗拉强度580-700MPa，延伸率≥40％，屈强比≤0.88；-60℃冲击功≥200J；可满足在-60℃超低温酸性环境下使用。
3.根据权利要求2所述的管件钢板，其特征在于：钢板HIC试验结果：截面试样，CLR％＝0％，CTR％＝0％，CSR％＝0％。
4.根据权利要求1所述的管件钢板，其特征在于：钢板为TMCP+调质工艺生产，调质前钢板的组织为含粒贝组织的针状铁素体+贝氏体，所述含粒贝组织的针状铁素体的体积含量为70％左右，贝氏体为30％左右；调质后，贝氏体组织含量增加至40％，含粒贝组织的针状铁素体的含量下降至60％。
5.一种酸性条件下使用的高级别高韧性管件钢板的制造方法，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—板坯连铸—缓冷—轧制—冷却—淬火—回火。
6.根据权利要求5所述的酸性条件下使用的高级别高韧性管件钢板的制造方法，其特征在于：主要操作如下
冶炼原料依次经KR铁水脱硫预处理、转炉顶底吹炼、LF精炼、RH精炼和连铸工艺处理，形成厚度在300-450mm的高纯净连铸坯，连铸完成后对连铸坯实施加罩缓冷，缓冷时间为≥72小时；
将连铸坯加热至1150～1230℃，均热段保温180-210min，连铸坯出炉后使用高压水除鳞。
进行两阶段轧制，第一阶段为再结晶区轧制，开轧温度在1000-1100℃，后三道次单道次平均压下率≥22％；第二阶段为非再结晶区轧制，开轧温度为790-830℃，终轧温度770-810℃，累计道次压下率≥60％；轧后热矫直；
钢板轧制后进入DQ+ACC冷却设备进行冷却，分为三阶段冷却，第一阶段快速冷却，采用一组DQ设置，冷却速度在25-30℃/s，第二阶段适当降低冷速，冷速控制在15-20℃/s，第三阶段为较慢速度冷却，冷速在10-15℃/s，终冷温度控制在420-480℃；
对钢板进行调质处理：淬火温度880-920℃，保温时间1.5min/mm，水淬，然后进行试样回火处理，回火温度580-620℃，保温时间3.5min/mm；出炉后空冷至室温即得钢板成品。
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