CN109957710B - 一种含v大变形x80m管线钢板及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种含V大变形X80M管线钢板及其制造方法，钢板的成分按重量百分比计如下：C 0.02％‑0.09％，Si 0.05％‑0.40％，Mn 1.55％‑1.95％，Cu 0.05％‑0.35％，Cr 0.05％‑0.35％，Ni 0.05％‑0.35％，Mo 0.05％‑0.35％，Nb 0.036％‑0.100％，V 0.01％‑0.07％，Ti0.010％‑0.025％，Al 0.01％‑0.04％，P≤0.010％，S≤0.005％，其余为Fe及不可避免的杂质元素。制造方法包括转炉或电炉冶炼、炉外精炼、铸造、再加热、控制轧制、控制冷却，采用本发明有效地降低了生产成本，该钢板经制管后可以满足大变形X80M钢管的各项力学性能要求，低温韧性尤其良好。
Description
技术领域
本发明属于金属材料领域，尤其涉及一种含V大变形X80M级输送油气管线管用热轧钢板及其制造方法。
背景技术
随着油气资源需求日益增加，新的油气田的投资建设逐渐增多。由于油气的生产地与消费地往往需要穿越永久冻土带、地震带等地质条件恶劣地区，因此需要长输油气管道满足基于应变设计的要求：钢管的横向性能满足传统的基于应力设计的要求，纵向性能具有抗大变形的特征。表征抗大变形特征的典型性能参数是屈强比低(如Rt0.5/Rm≤0.80)，均匀延伸率高(如uEL≥10％)。
为了达到基于应变设计所需的抗大变形性能，采用两种手段：1)采用厚壁钢管；2)采用双相组织的钢板生产钢管。在实际应用过程中，这两种方法不是孤立的。若仅采用增加壁厚的方式来提高抗大变形能力，钢板厚度往往特别厚，工业化生产难度大且投资成本高。基于此，目前抗大变形钢管同时具有厚壁与双相的特点。
目前，生产大变形管线厚壁双相钢板，有两种工艺路线，一是控轧控冷(TMCP)后热轧态供货，一种是控轧控冷后的钢板进行热处理后再使用。后者因为增加了热处理的工序，增加了生产成本，性价比不佳。而使用TMCP工艺生产往往需要进行低温大压下的技术来细化晶粒，用于增加低温韧性。低温大压下对轧机的负荷很大，在生产宽厚板时受到诸多限制。
目前，使用TMCP方式且添加V元素生产大变形管线钢的公开文献尚不多见。专利CN201410480781.9提供了一种X80级抗大变形管线钢板及其制造方法，该方法使用2个不同冷速的水冷工艺，水冷工艺复杂。
发明《一种大应变X80HD2管线钢管和管线钢管用钢板》(CN201610425241.X)、《基于应变设计地区用高性能抗大变形管线钢及制备方法》(CN201510674487.6)提供的管线用钢板生产方法，需要2道次不小于20％的粗轧单道次压下量，轧机负载大，不适合生产宽厚板。
专利JP2009161824、JP2009174020、《一种具有优异抗时效性的抗大变形管线钢及其生产方法》(CN201110054270.7)、《一种热处理方法制备的抗大变形管线钢及其制备方法》(CN201010266539.3)、发明《一种X70抗大变形管线钢及制造方法》(CN201510338315.1)、《一种X80抗大变形管线钢及制造方法》《CN201510336908.4》公开的生产大变形的技术方案需要使用热处理方法，生产效率低，生产成本高。
两阶段水冷、粗轧大压下以及热处理，都是目前含V双相管线钢生产工艺上的不足之处，为了克服这些不足，本发明利用TMCP工艺实现了X80M大变形管线宽厚板高性价比的生产与应用。
发明内容
本发明的目的在于克服上述问题和不足而提供一种可以在地质条件复杂地区使用，满足油气输送的安全要求的低温韧性优良的含V大变形X80M管线钢板及其制造方法。
本发明目的是这样实现的：
一种含V大变形X80M管线钢板，该钢板的成分按重量百分比计如下：C 0.02％-0.09％，Si 0.05％-0.40％，Mn 1.55％-1.95％，Cu 0.05％-0.35％，Cr 0.05％-0.35％，Ni0.05％-0.35％，Mo 0.05％-0.35％，Nb 0.036％-0.100％，V 0.01％-0.07％，Ti 0.010％-0.025％，Al 0.01％-0.04％，P≤0.010％，S≤0.005％，其余为Fe以及若干不可避免的杂质元素。
本发明成分设计理由如下：
C：钢中最经济、最基本的强化元素，通过固溶强化和析出强化对提高钢的强度有明显作用，但提高C含量对钢的塑性、韧性和焊接性有负面影响。为此，本发明将C含量范围设定为0.02％-0.09％。
Si：Si具有脱氧炼钢与提高基体强度的作用。如果Si过量，会降低母材焊接热影响区的韧性，恶化野外焊接施工性能；提高Si的含量，可以净化铁素体，减小珠光体的含量，有利于减少基体材料的包辛格效应。因此，Si含量在本发明中设定为0.05％-0.40％。
Mn：通过固溶强化提高钢的强度，是管线钢中补偿因C含量降低而引起强度损失的最主要且最经济的强化元素。Mn有助于获得细小的低温相变产物，可提高钢的韧性。提高Mn的含量，会加剧连铸坯中心偏析，不利于钢板低温韧性的提高。因此，本发明的Mn含量范围设计为1.55％-1.95％。
Nb：Nb是现代微合金化管线钢中最主要的元素之一，晶粒细化作用明显。Nb可以使钢的轧制过程在更高的温度范围内完成，从而降低钢板内应力，减少高温产物中位错的密度，对降低材料的应变时效性能有好处。本发明选取Nb含量范围0.036％-0.100％。
V：V与Nb相比，沉淀强化效果更好，析出温度更低，可以弥补高温轧制对材料强度的不利影响，提高强度韧性的匹配程度；V的固溶强化及其碳氮化合物在铁素体基体上析出后，可以在不明显影响铁素体均匀延伸性能的前提下，提高其屈服强度；过量的V会增加连铸过程工艺控制难度。本发明选取Nb含量范围V含量范围0.01％-0.07％。
Ti：是强的固N元素，在板坯连铸中以TiN形式存在。细小的TiN粒子可有效地抑制板坯再加热时的奥氏体晶粒长大，有助于提高Nb在奥氏体中的固溶度，改善焊接热影响区的冲击韧性。当Ti添加量超过某一定值，TiN颗粒就会粗化，提升颗粒界面与基体的应力集中水平。因此，本发明选取Ti含量范围0.010％-0.025％。
Al：通常作为钢中脱氧剂，如果形成AlN还有细化组织的作用。当Al的含量超过0.04％，过量的氧化铝夹杂会降低钢的洁净度。Al含量过低则脱氧不充分，Ti等易氧化元素就会形成氧化物，因此Al的含量下限设定为0.01％。
Cr、Mo、Cu、Ni：Cr、Mo是推迟铁素体形成、促进针状铁素体形成的主要元素，对控制相变组织起重要作用，在一定的冷却条件和终轧温度下加入，可获得明显的针状铁素体及贝氏体组织，有利于强度、塑性与韧性的合理搭配。而Cu、Ni是通过固溶强化作用提高钢的强度，同时Cu还可以改善钢的耐蚀性，Ni的加入主要是改善低温韧性，同时降低Cu在钢中所引起的热脆倾向。针对这4种合金元素，本发明选取相同的含量范围，均为0.05％-0.35％。
P、S：是钢中不可避免的杂质元素，希望越低越好。出于冶炼成本的考虑，又不能无限制的低。因此，本发明将P、S含量上限设定为0.010％与0.005％。
本发明技术方案之二是提供一种含V大变形X80M管线钢板的制造方法，包括备料→转炉或电炉冶炼→炉外精炼→铸造→板坯再加热→控制轧制→控制冷却，
(1)板坯再加热：钢坯经过清理后，进行再加热，钢坯出炉温度控制在1150-1220℃；
(2)控制轧制：粗轧终轧温度Trf≥1000℃，单道次变形量ε＝5％-19％、最后三道次的单道次变形量ε’＝12％-19％；中间待温坯厚度t’＝2.5t-4.0t，t为成品钢板厚度；精轧开轧温度Tfs＝800-900℃，精轧终轧温度Tff＝720-820℃；
(3)控制冷却：开冷温度Tcs、终冷温度Tcf依据冷却水温度Tw调节，
若冷却水温度Tw≤15℃时，开冷温度Tcs＝670±20℃、终冷温度Tcf＝350±20℃，
若冷却水温度Tw≥20℃时，开冷温度Tcs＝720±20℃、终冷温度Tcf＝270±20℃；
若15℃＜冷却水温度＜20℃时，开冷温度Tcs＝695±20℃、终冷温度Tcf＝310±20℃；
以上三种情况冷却速度均控制在15-24℃/s，得到细小均匀的以铁素体、贝氏体为主的多相组织。
为了克服这些技术缺陷，本发明通过全新的成分设计以及与之匹配的控轧控冷工艺，实现了满足X80M大变形钢管要求的热轧宽厚板的生产与应用。同时为了满足大变形用X80M所需的性能，本发明采用了低碳低锰、Nb、V、Ti复合微合金化、控制组织的Mo、Cr合金化及适当加入Cu、Ni的成分设计；连铸坯生产采用了纯净钢冶炼技术以及高品质板坯生产技术；钢板生产过程中采用了两阶段控制轧制技术，该阶段的中间坯厚度为最终钢板厚度的2.5-4.0倍；钢板轧后在层流冷却过程中，采用指定的温度范围配合相应的冷却速度，获得以贝氏体(包括针状铁素体)、多边形铁素体为主的显微组织结构，具有良好的强韧性匹配和抗大变形性能。
本发明的的有益效果在于：
(1)采用低C低Mn，复合添加Cu、Ni、Cr、Mo的低碳当量的成分设计，有效地降低了生产成本。
(2)采用两阶段控制轧制的方法，变形过程中，采用合适的变形温度与变形量，使奥氏体晶粒得到有效细化；中间坯空冷待温阶段，铌碳氮化物有效钉扎了奥氏体晶界，晶粒尺寸稳定性良好。铁素体析出后，钒的固溶与钒碳氮化物的析出实现了在不降低均匀延伸的情况下提高了强度。
(3)终轧后，对钢板进行层流冷却，得到以贝氏体(包括针状铁素体)、铁素体为主的复合显微组织结构。
(4)层流冷却后的钢板空冷至室温，经制管后可以满足大变形X80M钢管的各项力学性能要求，低温韧性尤其良好。
(5)钢板横向力学性能可以达到如下要求：屈服强度Rt0.5为470-570MPa，抗拉强度Rm为650-750MPa，屈强比Rt0.5/Rm≤0.85，-30℃冲击功CVN≥200J，-20℃DWTT剪切面积SA≥85％，HV10≤260；钢板纵向力学性能可以达到如下要求：Rt0.5为460-560MPa，抗拉强度Rm为640-740MPa，屈强比Rt0.5/Rm≤0.80，均匀延伸uEL≥12％，应力比Rt1.5/Rt0.5≥1.20。
(6)使用上述组织与性能的钢板，制成的大变形X80M直缝埋弧焊管横向性能满足如下要求：屈服强度Rt0.5为560-600MPa，抗拉强度Rm为640-760MPa，屈强比Rt0.5/Rm≤0.88，-20℃冲击功CVN≥200J，-10℃DWTT剪切面积SA≥85％，HV10≤270；钢管纵向力学性能可以达到如下要求：Rt0.5为530-590MPa，抗拉强度Rm为640-750MPa，屈强比Rt0.5/Rm≤0.85，均匀延伸uEL≥8％，应力比Rt1.5/Rt0.5≥1.15。
(7)通过合理的成分设计与工艺制度匹配，实现了低温韧性优良的大变形X80M钢管用热轧钢板的高性价比生产。使用本发明生产的钢板所制造的钢管，可以在地质条件复杂地区使用，满足油气输送的安全要求。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步的说明。
本发明实施例根据技术方案的组分配比，进行转炉或电炉冶炼→炉外精炼→铸造→板坯再加热→控制轧制→控制冷却,
(1)板坯再加热：钢坯经过清理后，进行再加热，钢坯出炉温度控制在1150-1220℃；
(2)控制轧制：粗轧终轧温度≥1000℃，单道次变形量5％-19％、最后三道次的单道次变形量12％-19％；中间待温坯厚度2.5t-4.0t，t为成品钢板厚度；精轧开轧温800-900℃，精轧终轧温度720-820；
(3)控制冷却：
若冷却水温15℃时，开冷温度670±20℃、终冷温度350±20℃，
当冷却水温度≥20℃时，开冷温度720±20℃、终冷温度270±20℃；
若15℃＜冷却水温度＜20℃时，开冷温度695±20℃、终冷温度310±20℃；以上三种情况冷却速度均控制在15-24℃/s。
本发明实施例钢的成分见表1。本发明实施例钢的主要工艺参数见表2。本发明实施例钢的横向性能见表3。本发明实施例钢的纵向性能见表4。本发明实施例钢制成的钢管横向性能见表5。本发明实施例钢制成的钢管纵向性能见表6。
表1本发明实施例钢的成分(wt％)
| C<sup>*</sup> | Si | Mn | Cu | Cr | Mo | Ni | Nb | V<sup>*</sup> | Ti<sup>*</sup> | Al<sup>*</sup> | P<sup>*</sup> | S<sup>*</sup> | |
| 1 | 22 | 0.38 | 1.94 | 0.06 | 0.30 | 0.07 | 0.33 | 0.037 | 65 | 24 | 15 | 9 | 2 |
| 2 | 55 | 0.33 | 1.57 | 0.09 | 0.27 | 0.33 | 0.15 | 0.050 | 55 | 19 | 25 | 8 | 3 |
| 3 | 89 | 0.22 | 1.65 | 0.12 | 0.29 | 0.29 | 0.12 | 0.060 | 45 | 14 | 35 | 7 | 4 |
| 4 | 25 | 0.30 | 1.73 | 0.33 | 0.07 | 0.27 | 0.09 | 0.070 | 35 | 12 | 39 | 8 | 3 |
| 5 | 65 | 0.08 | 1.78 | 0.15 | 0.33 | 0.30 | 0.06 | 0.080 | 25 | 17 | 29 | 9 | 2 |
| 6 | 85 | 0.12 | 1.82 | 0.07 | 0.15 | 0.06 | 0.30 | 0.090 | 15 | 22 | 19 | 5 | 4 |
| 7 | 33 | 0.19 | 1.87 | 0.29 | 0.12 | 0.09 | 0.27 | 0.085 | 12 | 18 | 11 | 6 | 4 |
| 8 | 45 | 0.35 | 1.56 | 0.27 | 0.09 | 0.12 | 0.29 | 0.065 | 22 | 17 | 21 | 7 | 2 |
| 9 | 74 | 0.15 | 1.62 | 0.30 | 0.06 | 0.15 | 0.07 | 0.045 | 32 | 16 | 31 | 8 | 2 |
| 10 | 59 | 0.25 | 1.80 | 0.18 | 0.21 | 0.11 | 0.22 | 0.060 | 42 | 15 | 26 | 7 | 3 |
| 11 | 60 | 0.27 | 1.70 | 0.21 | 0.24 | 0.14 | 0.25 | 0.050 | 52 | 20 | 27 | 7 | 2 |
| 12 | 62 | 0.29 | 1.75 | 0.24 | 0.18 | 0.12 | 0.18 | 0.040 | 62 | 21 | 24 | 7 | 3 |
注：*表示该数值需乘以10-3
表2本发明实施例钢的主要工艺参数
表3本发明实施例钢的横向性能
| Rt0.5，MPa | Rm，MPa | Rt0.5/Rm | -30℃CVN，J | -20℃DWTT，％ | HV10 | |
| 1 | 502 | 665 | 0.75 | 240 | 90 | 220 |
| 2 | 485 | 660 | 0.73 | 264 | 90 | 230 |
| 3 | 503 | 670 | 0.75 | 268 | 90 | 215 |
| 4 | 477 | 665 | 0.72 | 256 | 90 | 220 |
| 5 | 511 | 695 | 0.74 | 276 | 95 | 215 |
| 6 | 515 | 690 | 0.75 | 280 | 95 | 230 |
| 7 | 503 | 675 | 0.75 | 257 | 95 | 235 |
| 8 | 509 | 685 | 0.74 | 284 | 95 | 220 |
| 9 | 503 | 670 | 0.75 | 237 | 90 | 215 |
| 10 | 508 | 670 | 0.76 | 231 | 95 | 225 |
| 11 | 497 | 670 | 0.74 | 291 | 90 | 227 |
| 12 | 478 | 660 | 0.72 | 270 | 95 | 223 |
表4本发明实施例钢的纵向性能
| Rt0.5，MPa | Rm，MPa | Rt0.5/Rm | uEL，％ | Rt1.5/Rt0.5 | |
| 1 | 505 | 695 | 0.73 | 14.5 | 1.23 |
| 2 | 493 | 680 | 0.73 | 13.0 | 1.22 |
| 3 | 499 | 690 | 0.72 | 14.2 | 1.23 |
| 4 | 493 | 675 | 0.73 | 13.5 | 1.23 |
| 5 | 498 | 690 | 0.72 | 13.4 | 1.24 |
| 6 | 487 | 665 | 0.73 | 13.2 | 1.23 |
| 7 | 468 | 650 | 0.72 | 14.8 | 1.25 |
| 8 | 492 | 670 | 0.73 | 14.0 | 1.25 |
| 9 | 475 | 645 | 0.74 | 15.2 | 1.23 |
| 10 | 493 | 685 | 0.72 | 13.4 | 1.25 |
| 11 | 466 | 645 | 0.72 | 13.8 | 1.23 |
| 12 | 501 | 685 | 0.73 | 12.6 | 1.23 |
表5本发明实施例钢制成的钢管横向性能
| Rt0.5，MPa | Rm，MPa | Rt0.5/Rm | -20℃CVN，J | -10℃DWTT，％ | HV10 | |
| 1 | 589 | 689 | 0.85 | 263 | 92 | 260 |
| 2 | 566 | 685 | 0.83 | 247 | 97 | 251 |
| 3 | 589 | 691 | 0.85 | 262 | 93 | 239 |
| 4 | 562 | 692 | 0.81 | 252 | 92 | 256 |
| 5 | 600 | 721 | 0.83 | 297 | 97 | 245 |
| 6 | 589 | 711 | 0.83 | 292 | 97 | 244 |
| 7 | 587 | 700 | 0.84 | 249 | 95 | 243 |
| 8 | 594 | 710 | 0.84 | 290 | 99 | 240 |
| 9 | 589 | 695 | 0.85 | 289 | 97 | 259 |
| 10 | 599 | 691 | 0.87 | 231 | 97 | 236 |
| 11 | 584 | 693 | 0.84 | 250 | 97 | 244 |
| 12 | 564 | 687 | 0.82 | 269 | 94 | 257 |
表6本发明实施例钢制成的钢管纵向性能
| Rt0.5，MPa | Rm，MPa | Rt0.5/Rm | uEL，％ | Rt1.5/Rt0.5 | |
| 1 | 555 | 690 | 0.80 | 9.9 | 1.19 |
| 2 | 543 | 685 | 0.79 | 11.5 | 1.21 |
| 3 | 549 | 690 | 0.80 | 10.7 | 1.21 |
| 4 | 543 | 670 | 0.81 | 11.9 | 1.19 |
| 5 | 548 | 685 | 0.80 | 10.1 | 1.21 |
| 6 | 537 | 670 | 0.80 | 10.5 | 1.19 |
| 7 | 548 | 655 | 0.84 | 9.3 | 1.19 |
| 8 | 542 | 670 | 0.81 | 11.2 | 1.19 |
| 9 | 545 | 660 | 0.83 | 9.7 | 1.18 |
| 10 | 543 | 680 | 0.80 | 10.9 | 1.19 |
| 11 | 535 | 655 | 0.82 | 10.2 | 1.19 |
| 12 | 551 | 680 | 0.81 | 10.1 | 1.20 |
由表3～6可知，本发明钢板横向力学性能可以达到如下要求：屈服强度Rt0.5为470-570MPa，抗拉强度Rm为650-750MPa，屈强比Rt0.5/Rm≤0.85，-30℃冲击功CVN≥200J，-20℃DWTT剪切面积SA≥85％，HV10≤260；钢板纵向力学性能可以达到如下要求：Rt0.5为460-560MPa，抗拉强度Rm为640-740MPa，屈强比Rt0.5/Rm≤0.80，均匀延伸uEL≥12％，应力比Rt1.5/Rt0.5≥1.20。
使用上述组织与性能的钢板，制成的大变形X80M直缝埋弧焊管横向性能满足如下要求：屈服强度Rt0.5为560-600MPa，抗拉强度Rm为640-760MPa，屈强比Rt0.5/Rm≤0.88，-20℃冲击功CVN≥200J，-10℃DWTT剪切面积SA≥85％，HV10≤270；钢管纵向力学性能可以达到如下要求：Rt0.5为530-590MPa，抗拉强度Rm为640-750MPa，屈强比Rt0.5/Rm≤0.85，均匀延伸uEL≥8％，应力比Rt1.5/Rt0.5≥1.15。
为了表述本发明，在上述中通过实施例对本发明恰当且充分地进行了说明，以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (1)
1.一种含V大变形X80M管线钢板，其特征在于，该钢板的成分按重量百分比计如下：C0.02%-0.033%，Si 0.05%-0.40%，Mn 1.87%-1.95%，Cu 0.05%-0.35%，Cr 0.05%-0.35%，Ni0.05%-0.35%，Mo 0.05%-0.09%，Nb 0.036%-0.100%，V 0.01%-0.07%，Ti 0.010%-0.025%，Al0.01%-0.04%，P≤0.010%，S≤0.005%，其余为Fe以及若干不可避免的杂质元素；所述含V大变形X80M管线钢板的制造方法，包括备料→转炉或电炉冶炼→炉外精炼→铸造→板坯再加热→控制轧制→控制冷却，
（1）板坯再加热：钢坯经过清理后，进行再加热，钢坯出炉温度控制在1150-1220℃；
（2）控制轧制：粗轧终轧温度≥1000 ℃，单道次变形量5%-19%、最后三道次的单道次变形量12%-19%；中间待温坯厚度2.5t-4.0t，t为成品钢板厚度；精轧开轧温800-900℃，精轧终轧温度720-733℃；
（3）控制冷却：
若冷却水温15℃时，开冷温度670±20℃、终冷温度350±20℃，
若冷却水温度≥20℃时，开冷温度720±20℃、终冷温度270±20℃；
若15℃＜冷却水温度＜20℃时，开冷温度695±20℃、终冷温度310±20℃；
以上三种情况冷却速度均控制在15-24℃/s；
所述钢板横向Rt0 .5/Rm=0.75-0.85，纵向Rt0 .5/Rm=0.72-0.8，所述钢板制成的大变形X80M直缝埋弧焊管横向Rt0 .5/Rm=0.84-0.88，纵向Rt0 .5/Rm=0.84-0.85。
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