CN109385576A - 一种基于镁处理的低成本x65管线钢及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于镁处理的低成本X65管线钢及其制造方法，主要解决现有X65管线钢制造成本高的技术问题。本发明提供的一种基于镁处理的低成本X65管线钢，其化学成分重量百分比为：C：0.07‑0.09％，Si：0.1‑0.3％，Mn：1.35‑1.45％，S≤0.006％，P≤0.015％，Nb：0.035‑0.045％，Ti：0.010‑0.025％，Mg：0.0010‑0.0030％，Al：0.020‑0.030％，N≤0.006％，余量为Fe及不可避免的杂质。本发明热轧钢板的金相组织为细晶铁素体+针状铁素体+珠光体，10.0～15.0mm厚热轧钢板的断后伸长率A≥24％。

Description

一种基于镁处理的低成本X65管线钢及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种管线钢，特别涉及一种基于镁处理的低成本X65管线钢及其制造方法，属于铁基合金技术领域。
背景技术
随着石油和天然气在各领域广泛使用，石油输送管线道网的范围越来越大，用于生产石油管道的管线钢需求量随之增加，尤其是普通条件下使用的X65管线钢的需求量激增。管线钢对综合性能要求很高，包括强度、韧性、焊接和耐腐蚀等性能。X65管线钢生产技术已经很成熟，国内大型钢企基本都能稳定生产，但由于合金设计和产线能力等影响，成本差异较大。由于X65管线钢的生产门槛较低，竞争激烈，对成本的控制严格。目前几乎所有的管线钢成分设计均为Nb微合金强化或Nb、Ti等复合强化，甚至一些厚度超过12mm的钢板为了保证其淬透性，加入昂贵的金属Mo。X65管线钢中添加Nb、Ti或Nb和Ti等强烈的碳化物形成元素，钢的性能显著提升，这主要归因于钢在凝固或轧制过程中形成大量的碳化物、氮化物或碳、氮化物第二相粒子，基体中弥散分布的第二相粒子可产生强化作用。钢铁企业为了开发适合用户需求的新品种，不断增加合金元素含量或者采用控制控冷工艺(TMCP)来满足钢材高性能的要求，使得X65管线钢的成本大幅增加。
申请公布号CN101082106A的中国专利申请文件公开了一种低成本生产X65管线钢的方法，采用电炉薄板坯连铸连轧技术，成分设计中Mn：1.40～1.60％，Nb：0.045～0.050％，Ti：0.015～0.025％，成分设计中采用了较高含量的Nb、Ti合金复合强化，屈服强度约为510MPa、抗拉强度约为600MPa，晶粒度约为12。
申请公布号CN102181802A的中国专利申请文件公开了一种镁处理的易焊接高强韧X80管线钢的制备方法，采用真空感应炉熔炼，锻造轧制和控制冷却，生产的高强韧X80管线钢具有典型的针状铁素体组织，具备良好的综合性能和较高的大线能量焊接性能，此方法可用于工业大线能量焊接用钢的需要，但没有公开合金设计方面的成本控制。
申请公布号CN101928883A的中国专利申请文件公开了一种X65管线钢及其生产方法的专利中，X65成分设计中主要强化元素Mn：1.5～1.65％、Nb：0.04～0.055％、V:0.04～0.07％、Ti：0.010～0.025％，经过加热、除鳞后在双机架紧凑式炉卷轧机上粗轧和精轧，在轧制过程采用延时轧制控制，使微合金元素的强化作用充分发挥，以获得细小、均匀的组织，提高X65管线钢的强度。专利中采用了较高含量强化元素Nb、Ti和V，生产成本高。
现有技术中公开都通过较高含量的Nb、Ti、V或三者任意组合的强化元素的合金设计，提高管线钢X65的强度和韧性，其主要缺点在于合金成本较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于镁处理的低成本X65管线钢及其制造方法，主要解决现有X65管线钢制造成本高的技术问题。
本发明采取的技术思路通过合适成分设计，利用金属Mg部分取代昂贵的微合金化元素Nb、V、Ti，充分发挥镁处理技术优势，降低炼钢合金化成本。
本发明采用的技术方案是，一种基于镁处理的低成本X65管线钢，其化学成分重量百分比为：C：0.07-0.09％，Si：0.1-0.3％，Mn：1.35-1.45％，S≤0.006％，P≤0.015％，Nb：0.035-0.045％，Ti：0.010-0.025％，Mg：0.0010-0.0030％，Al：0.020-0.030％，N≤0.006％，余量为Fe及不可避免的杂质。
本发明X65管线钢的金相组织为细晶铁素体+针状铁素体+珠光体，组织晶粒度级别为10～12级，厚度为10.0～15mm的热轧钢板上屈服强度ReH≥450Mpa，抗拉强度Rm≥550Mpa，断后伸长率A≥24％。
本发明X65管线钢通过在成分设计中添加镁，利用镁强烈的与氧、氮和其他复合氧化物等形成微小粒子，有效钉扎位错使之不易发生回复和再结晶。此外，与针状铁素体具有良好的晶格错配关系，促进针状铁素体在奥氏体晶内析出，并细化铁素体晶粒。由于钢中添加镁元素，具有与Ti在钢中强化力学性能的效果，因此，本发明中利用微量镁的添加，替代部分价格昂贵的铌、钛元素，达到相同的力学性能，而节约成本。
本发明所述的基于镁处理的低成本X65管线钢的化学成分限定在上述范围内的理由如下：
碳：碳元素通过固溶强化和析出强化作用，提高钢的强度，但碳含量过高，对塑性和韧性不利，且容易产生中心偏析，对成型性不利。为了保证钢板的韧性和焊接性能，碳含量设计不宜过高。但碳含量过低，为了达到预定强度，就需要添加大量合金弥补，增加合金成本。本发明C含量限为0.07～0.09％。
硅：硅固溶铁素体中有显著的强化效果，硅每增加重量百分比0.1％，热轧钢板的抗拉强度可提高8MPa左右、屈服强度增加4MPa左右。但硅含量过高对韧性和表面质量不利，尤其是在热轧钢板表面形成难于去除的红铁皮，影响外观和后续表面处理。表面红锈多的钢材，制管后使用，由于环境的原因，红锈容易成为钢管快速腐蚀的源头。因此本发明设定的Si含量为0.1％～0.3％。
锰：锰是一种经济，明显提高强度的合金元素之一，同时可提高钢板的淬透性。锰对焊接性能的不利影响，仅约为碳含量的1/6。因此，锰的添加可以减少碳的加入，提高钢板的强度，同时减少对焊接性能的影响。本发明限定Mn含量为1.35％～1.45％。
硫和磷：硫和磷元素在低合金高强钢中，恶化韧性和塑性，导致“热脆”和“冷脆”。但硫和璘成分设计过低，会增加炼钢难度和冶炼成本。为此，本发明限定S≤0.006％，P≤0.015％。
铌：铌是高强低合金钢中细化晶粒、提高强度的主要微合金化元素，能提高钢的再结晶温度，热轧可在更高的奥氏体化温度下进行，以获得更细小的奥氏体组织；同时，Nb与钢中的C、N等形成碳、氮化合物，扎钉奥氏体晶粒，阻碍奥氏体晶粒长大，细化奥氏体组织，并起到沉淀强化作用，提高钢板的强度和低温韧性。Nb含量过高，容易导致屈强比过高，同时降低制管时焊接区热影响区的韧性，过低时对再结晶温度影响又不明显。因此，本发明限定Nb含量为0.035-0.045％。
钛：钛时一种强固N和脱氧元素，在板坯连铸高温时就形成TiN，阻碍连铸坯的原始奥氏体晶粒长大，细化晶粒。同时，在低温析出Ti(C、N)，析出强化提高材料屈服强度和韧性。在本发明中，Ti与添加的Mg反应，生成复合的(Ti、Mg)氧化物夹杂，其熔化温度高，在高温时可作为形核核心，抑制奥氏体晶粒长大，在低温时可促进针状铁素体生长。本发明限定Ti含量为0.010-0.025％。
镁：镁与钢水中的Al2O3形成镁铝尖晶石，由于接触角大，不容易聚焦长大，达到细化夹杂物的效果，提高钢水的洁净度，改善钢板的综合力学性能。含Mg夹杂物的熔点高，与Ti复合作用，发挥夹杂物粒子的氧化物冶金作用，细化铸坯边部晶粒，减少铸坯角部裂纹，使得热轧钢板表面良好。Mg的添加为碳氮化物的析出提供了更多的形核位置，在冷却过程中作为形核中心，促进针状铁素体生长，同时Mg处理可以降低开始相变温度，有利于抑制奥氏体高温转变，促进过冷奥氏体中温转变，因此有提高钢板力学性能的效果。也就是替代部分价格昂贵的Nb、Ti等微合金强化元素，起到降低成本的作用。钢水中的镁含量在0.0010％开始就可起到细化夹杂物的作用，如果添加的镁含量超过0.003％，容易形成纯MgO夹杂，恶化钢水的洁净度。本发明限定Mg含量为0.0010～0.0030％。
铝：铝是强脱氧剂，和钢中氧和其他氧化物形成复合的氧化物在炼钢时大部分去除。本发明限定Al含量为0.02％～0.03％。
氮：氮含量高会恶化材料的塑性和韧性，特别是对于Ti微合金化高强钢，由于N与Ti的结合力很强，在连铸时过早出现，形成大尺寸的TiN颗粒，消耗Ti元素，降低韧性，同时减少热轧TiC析出相，降低强度；因此，本发明限定N≤0.006％。
上述基于镁处理的低成本X65管线钢的制造方法，该方法包括：
1)通过转炉熔炼得到符合本发明钢化学成分要求的钢水，控制入炉铁水中硫的重量百分含量≤0.002％，转炉冶炼的铁水比≥90％，转炉吹炼终点钢水中氧的重量含量小于800ppm，转炉出钢时的钢水温度为1650-1680℃，转炉出钢过程中向钢包中的钢水内加入铝基脱氧剂0.5-1.5kg/吨钢，加入石灰2-3kg/吨钢；
2)将钢包中的钢水运至精炼炉进行钢水温度调控和合金成分调控，将锰铁合金按设计含量全部加入，钢包底吹氩气时间≥5min后结束精炼炉钢水精炼；
3)将钢包中的钢水运至RH炉进行精炼处理，对钢水进行真空脱气处理，RH炉的真空度≤270Pa，纯脱气时间≥10min，后加入钛铁合金、铌铁合金调控钢水中Nb、Ti至设计含量，环流量为1600～3000L/min的情况下循环时间≥5min；RH炉解除真空后，以1.5-4m/s的喂线速度向钢包中的钢水内喂入铝镁合金线调控钢水的化学成分至设计含量，钢包底吹氩气时间≥5min；所述铝镁合金线化学成分的重量百分比为：Mg：8％-15％，Al：30％-50％，余量为Fe及不可避免的杂质；
4)将经RH炉精炼处理后钢水进行板坯连铸得到连铸板坯，连铸过程中的板坯拉速为0.8-2.4m/min，连铸板坯化学成分的重量百分比为：C：0.07-0.09％，Si：0.1-0.3％，Mn：1.35-1.45％，S≤0.006％，P≤0.015％，Nb：0.035-0.045％，Ti：0.010-0.025％，Mg：0.0010-0.0030％，Al：0.020-0.030％，N≤0.006％，余量为Fe及不可避免的杂质；
5)连铸板坯于1220℃～1260℃，加热180～240min后进行热轧，所述的热轧为两段式轧制工艺，粗轧为6道次连轧，在奥氏体再结晶温度以上轧制，粗轧结束温度为1010℃～1050℃；精轧为7道次连轧，在奥氏体未再结晶温度区轧制，精轧结束温度为840～880℃；精轧后，钢板厚度为10.0～15.0mm，层流冷却采用前段冷却，卷取温度为540～580℃时卷取得热轧钢卷。
本发明采取的生产工艺的理由如下：
1、RH炉精炼处理过程中，向钢水中添加镁铝合金，采用镁处理的方法对夹杂物进行改性。镁处理工艺控制夹杂物，生成的夹杂物为镁铝尖晶石，其不易聚合长大，可细化夹杂物；同时Mg和Ti形成的复合氧化物和氮化物细小、弥散，促进晶内铁素体形成，具备氧化物冶金的效果，同时固定部分氮、释放Ti的有效强化作用，生产出钢的屈服强度能提高20-40MPa。
2、连铸板坯加热工艺设定
连铸板坯加热温度和时间的设定在于保证连铸坯中粗大的TiN、TiC等颗粒的溶解。粗大的TiN、TiC等粒子充分溶解于奥氏体晶粒中，在轧后的冷却过程析出弥散的、细小的TiC、TiN等粒子，起到析出强化的效果。加热温度过低或加热时间过短，连铸板坯中原始粗大的TiN、TiC等粒子不能充分溶解；但加热温度过高或加热时间过长，板坯原始组织粗大、表面氧化脱碳严重，不利于钢板最终性能和表面质量，同时也消耗能源。本发明设定连铸板坯加热温度为1220～1260℃，加热时间为180～240min。
3、粗轧结束温度设定
粗轧轧制过程控制在奥氏体再结晶温度以上轧制，确保奥氏体经变形和再结晶后得到均匀细小的奥氏体晶粒。本发明成分设计的在结晶温度约为1000℃，因此本发明设定粗轧结束温度为1010℃～1050℃。
4、精轧结束温度设定
本发明的精轧温度设定依据有两个，一为精轧温度设定不能过高，而是在奥氏体未再结晶区轧制，得到变形、拉长的奥氏体晶粒，在冷却过程中转变成细小的铁素体晶粒，起细晶强化作用；二为精轧温度设定不能过低，低的精轧温度容易使TiC等粒子提前在变形奥氏体内析出，颗粒粗大，而在铁素体中析出的细小弥散TiC粒子减少，影响析出强化效果。本发明中设计了镁处理工艺，Mg的添加为碳氮化物的析出提供了更多的形核位置，在冷却过程中作为形核中心，促进针状铁素体生长，同时Mg处理可有利于抑制奥氏体高温转变，促进过冷奥氏体中温转变，因此本发明的Ar3温度低于传统工艺，为820℃，传统工艺的Ar3温度约为830-840℃。本发明设定精轧结束温度为840～880℃，较现有工艺低10-20℃。在高于Ar3温度的前提下，设置较低的精轧温度，有利于提高钢板力学性能。
5、热轧卷取温度设定
热轧卷取温度的设定主要使考虑二次析出粒子相的强化效果和晶粒度长大，其表现为材料的性能和组织。卷取温度高有利于Ti、Nb合金碳、氮的粒子二次相析出，但容易导致基体铁素体组织长大，Nb、Ti微合金碳、氮化物析出物粗化，降低钢板的韧性；卷取温度过低，Ti、Nb合金碳、氮的粒子二次相析出被抑制，提高钢板强度的析出强化效果不佳。综合考虑，本发明设定热轧卷取温度为540～580℃。
本发明的低成本管线金相组织为细晶铁素体+针状铁素体+珠光体，组织晶粒度级别为11～12级，厚度10～15mm热轧钢板上屈服强度ReH≥450Mpa，抗拉强度Rm≥550Mpa，断后伸长率A≥24％。
本发明相比现有技术具有如下积极效果：1、本发明RH炉钢水精炼工序，采用夹杂物改性技术镁处理代替传统的夹杂物改性技术钙处理，镁处理具备夹杂物改性和氧化物冶金双重功能，使钢中夹杂物细小弥散，提高钢水的洁净度。2、本发明采用的镁处理，形成尺寸细小的高熔点含Mg夹杂物，与Ti复合作用，发挥夹杂物粒子的氧化物冶金作用，为碳氮化物的析出提供了更多的形核位置，在冷却过程中作为形核中心，促进针状铁素体生长，同时Mg处理可以降低开始相变温度，有利于抑制奥氏体高温转变，促进过冷奥氏体中温转变，因此有提高钢板力学性能的效果。也就是替代部分价格昂贵的Nb、Ti等微合金强化元素，起到降低成本的作用。3、本发明采用镁处理工艺，在连铸过程中，在连铸坯角部生成细小的含镁夹杂物，细化角部晶粒，提高高温塑性，减少连铸坯角部横裂纹，达到减少热轧板表面翘皮的发生，提高热轧板表面质量。4、本发明采用镁处理工艺，形成的含Mg夹杂物，可促进针状铁素体生长，可提高X65管线钢大线能焊接时粗晶热影响区的韧性。5、在铁水预处理和转炉控制硫含量，保证在精炼炉(LF炉)不脱硫，减少N增加，减少连铸坯角部横裂纹发生，同时控制自由氧含量，减少脱氧夹杂物生成。
附图说明
图1为本发明实施例1热轧钢板的金相组织照片
具体实施方式
下面结合实施例1～3对本发明做进一步说明；本发明实施例中的用于盛装铁水的铁水包容量为250吨。表1为本发明实施例钢的化学成分(按重量百分比计)，余量为铁及不可避免杂质。
表1 本发明实施例钢的化学成分，单位：重量百分比。
通过转炉熔炼得到符合化学成分要求的钢水，钢水经精炼炉精炼工序吹Ar处理，RH炉进行真空循环脱气处理和成分微调，后进行板坯连铸得到连铸板坯；连铸板坯厚度为210～230mm，宽度为900～1600mm，长度为8500～11000mm。
炼钢生产的定尺板坯送至加热炉再加热，出炉除鳞后送至热连轧机组轧制。通过粗轧和精轧连轧机组控制轧制，经层流冷却后进行卷取，层流冷却采取前段冷却，产出合格热轧钢卷。热轧钢板的厚度为10.0～15.0mm；热轧工艺控制参数见表2。
表2 本发明实施例热轧工艺控制参数
本发明采用镁处理的方法对夹杂物进行改性，促进了晶内铁素体形成，热轧钢板的夹杂物细小弥散；利用上述方法得到的低成本X65管线钢，参见图1，热轧钢板的金相组织为细晶铁素体+针状铁素体+珠光体，组织晶粒度级别为10～12级；其10.0～15.0mm厚热轧钢板上屈服强度ReH≥450Mpa，抗拉强度Rm≥550Mpa，断后伸长率A≥24％，表面质量和焊接性能良好。
将本发明得到的热轧钢板按照《GB/T228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》进行拉伸试验，其力学性能见表3。
表3 本发明实施例热轧钢板的力学性能
性能指标 上屈服强度/MPa 抗拉强度/MPa 断后伸长率A/％
本发明 ≥450 ≥550 ≥24
实施例1 552 654 26
实施例2 535 631 29
实施例3 506 626 28
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于镁处理的低成本X65管线钢，其化学成分重量百分比为：C：0.07-0.09％，Si：0.1-0.3％，Mn：1.35-1.45％，S≤0.006％，P≤0.015％，Nb：0.035-0.045％，Ti：0.010-0.025％，Mg：0.0010-0.0030％，Al：0.020-0.030％，N≤0.006％，余量为Fe及不可避免的杂质；热轧钢板的金相组织为细晶铁素体+针状铁素体+珠光体，组织晶粒度级别为10～12级。
2.如权利要求1所述的基于镁处理的低成本X65管线钢，其特征是，10.0～15.0mm厚热轧钢板的上屈服强度ReH≥450Mpa，抗拉强度Rm≥550Mpa，断后伸长率A≥24％。
3.一种基于镁处理的低成本X65管线钢的制造方法，该方法包括：
1)通过转炉熔炼得到符合本发明钢化学成分要求的钢水，控制入炉铁水中硫的重量百分含量≤0.002％，转炉冶炼的铁水比≥90％，转炉吹炼终点钢水中氧的重量含量小于800ppm，转炉出钢时的钢水温度为1650-1680℃，转炉出钢过程中向钢包中的钢水内加入铝基脱氧剂0.5-1.5kg/吨钢，加入石灰2-3kg/吨钢；
2)将钢包中的钢水运至精炼炉进行钢水温度调控和合金成分调控，将锰铁合金按设计含量全部加入，钢包底吹氩气时间≥5min后结束精炼炉钢水精炼；
3)将钢包中的钢水运至RH炉进行精炼处理，对钢水进行真空脱气处理，RH炉的真空度≤270Pa，纯脱气时间≥10min，后加入钛铁合金、铌铁合金调控钢水中Nb、Ti至设计含量，环流量为1600～3000L/min的情况下循环时间≥5min；RH炉解除真空后，以1.5-4m/s的喂线速度向钢包中的钢水内喂入铝镁合金线调控钢水的化学成分至设计含量，钢包底吹氩气时间≥5min；所述铝镁合金线化学成分的重量百分比为：Mg：8％-15％，Al：30％-50％，余量为Fe及不可避免的杂质；
4)将经RH炉精炼处理后钢水进行板坯连铸得到连铸板坯，连铸过程中的板坯拉速为0.8-2.4m/min，连铸板坯化学成分的重量百分比为：C：0.07-0.09％，Si：0.1-0.3％，Mn：1.35-1.45％，S≤0.006％，P≤0.015％，Nb：0.035-0.045％，Ti：0.010-0.025％，Mg：0.0010-0.0030％，Al：0.020-0.030％，N≤0.006％，余量为Fe及不可避免的杂质；
5)连铸板坯于1220℃～1260℃，加热180～240min后进行热轧，所述的热轧为两段式轧制工艺，粗轧为6道次连轧，在奥氏体再结晶温度以上轧制，粗轧结束温度为1010℃～1050℃；精轧为7道次连轧，在奥氏体未再结晶温度区轧制，精轧结束温度为840～880℃；精轧后，层流冷却采用前段冷却，卷取温度为540～580℃时卷取得热轧钢卷。
4.如权利要求3所述的基于镁处理的低成本X65管线钢的制造方法，其特征是，精轧后，控制钢板厚度为10.0～15.0mm。
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