CN110184530B - 低温及酸性条件下使用的管件用正火态钢板及其制造方法 - Google Patents

低温及酸性条件下使用的管件用正火态钢板及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种低温及酸性条件下使用的管件用正火态钢板及其制造方法，该钢板的化学成分按重量百分比计为：C：0.13～0.16％，Si：0.2～0.4％，Mn：0.9～1.3％，P：≤0.01％，S：≤0.001％，Al：0.02～0.04％，Nb：0.01～0.02％，Ti：0.01～0.02％，V：0.005～0.01％，Mo：≤0.3％，Cr+Ni+Cu：0.35～0.70％，余量为Fe及不可避免的杂质元素，碳当量Ceq≤0.43，碳当量计算公式为：Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15。本发明采用中低碳+微合金复合添加的成分设计，采用控轧控冷+离线正火工艺生产，确保钢板具有良好低温冲击性能和抗酸性能，能满足‑60℃低温及酸性条件下使用。

Description

低温及酸性条件下使用的管件用正火态钢板及其制造方法
技术领域
本发明一种低温及酸性条件下使用的管件用正火态钢及制造方法，属于冶金技术领域。
背景技术
目前国际和国内油气输送及储存发展很快，特别是后期开采的酸性油气及寒冷地带的油气显著增多，为了满足发展需求，必须建设更多抗低温及抗酸性的压气站、输配气站场、储备库等设施，因此需要大量的抗低温及抗酸性的管件用钢。在需要经过一些严寒地带，例如加拿大、俄罗斯等在低温及酸性环境中使用的管件用钢，这些地方的极限温度在-50℃以内，所以在管件用钢的设计时就要考虑到低温性能、抗酸性能以及管件用钢的可焊接性能，以此可更好的满足工程需要，提升工程安全。管件用钢在生产过程中，需要经过焊接、加热成型、校型、热处理等工序，因此，需要材料在经过正火后，仍旧能够满足管件用钢的性能要求。
通常管件用钢采用中高碳的成分设计，以保证热处理后性能，如专利公告号CN101358316A提出了一种油气输送大型高压管件用钢及其所制作的钢管、管件及焊接材料，可满足-30℃条件下冲击功达到40J，C的范围在≤0.24％，但是由于其碳含量较高，冲击功值较低，材料的焊接性能及抗低温较差，同时该专利中产品不具备抗酸性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种低温及酸性条件下使用的管件用正火态钢板及其制造方法，其采用中低碳+微合金复合添加的成分设计，采用控轧控冷+离线正火工艺生产，确保钢板具有良好低温冲击性能和抗酸性能，能满足-60℃低温及酸性条件下使用。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种低温及酸性条件下使用的管件用正火态钢板，该钢板的化学成分按重量百分比计为：C：0.13～0.16％，Si：0.2～0.4％，Mn：0.9～1.3％，P：≤0.01％，S：≤0.001％，Al：0.02～0.04％，Nb：0.01～0.02％，Ti：0.01～0.02％，V：0.005～0.01％，Mo：≤0.3％，Cr+Ni+Cu：0.35～0.70％，余量为Fe及不可避免的杂质元素，碳当量Ceq≤0.43，碳当量计算公式为：Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15。
优选的，C：0.14～0.16％，Si：0.34～0.4％，Mn：1.13～1.3％，P：≤0.008％，S：≤0.0007％，Al：0.032～0.04％，Nb：0.015～0.02％，Ti：0.016～0.02％，V：0.007～0.01％，Mo：≤0.19％，Cr+Ni+Cu：0.50～0.70％，余量为Fe及不可避免的杂质元素，碳当量Ceq≤0.43，碳当量计算公式为：Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15。
进一步讲，钢板的厚度为12-32mm，屈服强度为290～450MPa，抗拉强度为450～585MPa，延伸率为≥30％，屈强比Rt0.5/Rm≤0.90，-60℃夏比冲击功≥120J；HIC性能：裂纹敏感率(CSR)≤0.5％、裂纹长度率(CLR)≤5.0％、裂纹厚度率(CTR)均为≤2％；SSCC无任何裂纹。
本发明中所含有所有成分的作用及其含量选择理由具体说明如下：
C：碳是钢中最经济、最基本的强化元素，通过固溶强化和析出强化可明显提高钢的强度，但对钢的韧性以及焊接性能带来不利影响，例如：碳过高，韧性及焊接性差；碳过低，强度变低。本发明C含量控制在0.13-0.16％。
Si：硅可以强化铁素体，提高强度、弹性极限和淬透性，但是硅使钢中的过热敏感性、裂纹倾向增大。本发明Si含量控制在0.2-0.4％。
Mn：通过固溶强化提高钢的强度，是管件用钢中弥补因C含量降低而引起强度损失的最主要的元素，锰同时还是扩大γ相区的元素，可降低钢的γ→α相变温度，有助于获得细小的相变产物，可提高钢的韧性，降低韧脆性转变温度，锰也是提高钢淬透性的元素。考虑到检验过程中发现锰偏析对抗酸性能产生不利影响，同时兼顾到强度要求。本发明中Mn含量控制在0.9～1.3％。
P：鳞是有害元素，增加钢的冷脆性，使塑性和焊接性能变差，应尽量降低，本发明P含量控制在0.010％以下。
S：硫是有害元素，增加钢的热脆性，降低韧性和延展性，对焊接性能不利，应尽量降低。本发明S含量控制在0.001％以下。
Al：铝是脱氧元素，起到细化晶粒的作用。本发明Al含量控制在0.02-0.04％。
Nb：铌是现代微合金化钢特别是低合金钢中最主要的微合金化元素之一，对晶粒细化的作用非常明显。在正火处理过程中，固溶的铌会形成NbC以弥散强化的形式析出，能够提高强度而不损害韧性。本发明Nb含量控制在0.01-0.02％。
Ti：钛是固氮元素，0.02％的钛就可以固定钢中60ppm以下的N，并通过形成TiN起到析出强化和细晶强化的作用，有效细化晶粒。但钛含量过多容易出现粗大的析出相，对韧性不利。本发明Ti含量控制在0.01-0.02％。
V：钒是碳氮化物形成元素，主要以细晶强化和析出强化为主，通过形成V(C，N)以弥散强化和析出强化的方式细化晶粒，提高钢的强度和韧性。本发明V含量控制在0.005-0.01％。
Cr、Ni、Cu：Cr铬能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀能力，Cr能在钢表面形成致密的氧化膜，提高钢的钝化能力，但同时降低低温冲击韧性；Ni镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力，但是比较稀缺，价格贵；Cu铜能提高耐大气腐蚀能力，可以改善材料的耐腐蚀性能，但加入Cu后，钢有热脆倾向，加入适量的Ni可改善含Cu钢的热脆倾向。综合考虑，本发明采用Cr、Ni、Cu复合添加，Cr+Ni+Cu总含量控制在0.35～0.70％。
本发明另一目的是提供一种低温及酸性条件下使用的管件用正火态钢板的制造方法，它包括以下工序：
(1)冶炼工序
冶炼原料依次经KR铁水预处理、转炉冶炼、LF精炼、RH真空脱气处理生产出高纯净钢水，然后通过板坯连铸工序连铸出150～370mm的连铸坯，连铸完成后对连铸坯进行加罩堆垛缓冷扩氢处理，堆垛缓冷时间≥120小时；
(2)加热工序
将连铸坯加热至1160～1250℃，均热段保温≥30min，使钢中的合金元素充分固溶以保证性能的均匀性，出炉后使用高压水除鳞除去氧化铁皮；
(3)轧制工序
包括两阶段轧制，第一阶段为粗轧阶段，开轧温度在950-1100℃，累计综合压下率≥60％；第二阶段为精轧阶段，开轧温度为850-950℃，累计道次压下率≥40％；轧后钢板进行轧后钢板进行ACC快冷，冷速控制在5-15℃/s，出水温度600-700℃；然后进行热矫直-空冷；
(4)正火工序：离线正火温度为870-920℃，在炉时间1.5-2.5min/mm，出炉后空冷至室温。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明采用中低碳、微合金(Nb、V、Cr、Ni、Cu、Ti)复合添加的成分设计，确保钢板具有良好的焊接性能、低温冲击性能和抗酸性能(HIC及SSCC)；
2、本发明采用控轧控冷+离线正火工艺生产，能满足-60℃低温条件下使用，且-60℃下管件用钢的1/2厚度处夏比冲击功均值≥120J，具有良好的低温冲击韧性；
3、本发明微合金复合添加+正火工艺生产，能够满足钢板的抗HIC、SSCC性能；HIC性能：裂纹敏感率(CSR)≤0.5％、裂纹长度率(CLR)≤5.0％、裂纹厚度率(CTR)均为≤2％；SSCC无任何裂纹。
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。
实施例1：
本实施例钢板的厚度为12mm，其化学成分按重量百分比计为：C：0.13％，Si：0.34％，Mn：1.13％，P：0.008％，S：0.0007％，Al：0.02％，Nb：0.02％，Ti：0.02％，V：0.005％，Mo：0.3％，Cr+Ni+Cu：0.5％，余量为Fe及不可避免的杂质元素，碳当量Ceq：0.41％，该钢板的制造工艺为如下：
主要生产工序包括冶炼工序、加热工序、轧制工序和正火工序，主要工序的具体操作如下：
(1)冶炼工序
冶炼原料依次经KR铁水预处理、转炉冶炼、LF精炼、RH真空脱气处理生产出高纯净钢水，然后通过板坯连铸工序连铸出150mm的连铸坯，连铸完成后对连铸坯进行加罩堆垛缓冷扩氢处理，堆垛缓冷时间≥120小时；
(2)加热工序：将150mm厚度连铸坯加热至1160℃，均热段保温30min，连铸坯出炉后使用高压水除鳞除去氧化铁皮；
(3)轧制工序：包括两阶段轧制，第一阶段粗轧阶段，其开轧温度950℃，累计综合压下率为60％，中间坯厚度42mm；第二阶段为精轧阶段，其开轧温度为850℃，累计道次压下率40％；
轧后进行快速冷却，冷速5℃/s，出水温度600℃，之后进行热矫直，热矫直后钢板进行空冷；
(4)正火工序：空冷后进行离线正火处理，正火温度为870℃，在炉时间1.5min/mm，出炉后空冷至室温即得钢板成品。
经由上述制造工艺制得的厚度为12mm管件用钢板，其力学性能见表1，抗酸性能见表2。
实施例2：
本实施例钢板的厚度为24mm，其化学成分按重量百分比计为：C：0.16％，Si：0.2％，Mn：0.9％，P：0.007％，S：0.001％，Al：0.032％，Nb：0.01％，Ti：0.01％，V：0.007％，Mo：0.19％，Cr+Ni+Cu：0.35％，余量为Fe及不可避免的杂质元素，碳当量Ceq：0.43％，该钢板的制造工艺为如下：
主要生产工序包括冶炼工序、加热工序、轧制工序和正火工序，主要工序的具体操作如下：
(1)冶炼工序
冶炼原料依次经KR铁水预处理、转炉冶炼、LF精炼、RH真空脱气处理生产出高纯净钢水，然后通过板坯连铸工序连铸出280mm的连铸坯，连铸完成后对连铸坯进行加罩堆垛缓冷扩氢处理，堆垛缓冷时间≥120小时；
(2)加热工序：将280mm厚度连铸坯加热至1200℃，均热段保温40min，连铸坯出炉后使用高压水除鳞除去氧化铁皮；
(3)轧制工序：包括两阶段轧制，第一阶段粗轧阶段，其开轧温度1050℃，累计综合压下率为65％，中间坯厚度66mm；第二阶段为精轧阶段，其开轧温度为910℃，累计道次压下率为45％；
轧后进行快速冷却，冷速9℃/s，出水温度660℃，之后进行热矫直，热矫直后钢板进行空冷；
(4)正火工序：空冷后进行离线正火处理，正火温度为900℃，在炉时间2.1min/mm，出炉后空冷至室温即得钢板成品。
经由上述制造工艺制得的厚度为24mm管件用钢板，其力学性能见表1，抗酸性能见表2。
实施例3：
本实施例钢板的厚度为32mm，其化学成分按重量百分比计为：C：0.14％，Si：0.4％，Mn：1.3％，P：0.01％，S：0.0008％，Al：0.04％，Nb：0.015％，Ti：0.016％，V：0.01％，Mo：0.18％，Cr+Ni+Cu：0.70％，余量为Fe及不可避免的杂质元素，碳当量Ceq：0.32％，该钢板的制造工艺为如下：
主要生产工序包括冶炼工序、加热工序、轧制工序和正火工序，主要工序的具体操作如下：
(1)冶炼工序
冶炼原料依次经KR铁水预处理、转炉冶炼、LF精炼、RH真空脱气处理生产出高纯净钢水，然后通过板坯连铸工序连铸出370mm的连铸坯，连铸完成后对连铸坯进行加罩堆垛缓冷扩氢处理，堆垛缓冷时间≥120小时；
(2)加热工序：将370mm厚度连铸坯加热至1250℃，均热段保温45min，连铸坯出炉后使用高压水除鳞除去氧化铁皮；
(3)轧制工序：包括两阶段轧制，第一阶段粗轧阶段，其开轧温度1100℃，累计综合压下率为68％，中间坯厚度75mm；第二阶段为精轧阶段，其开轧温度为910℃，累计道次压下率为47％；
轧后进行快速冷却，冷速15℃/s，出水温度700℃，之后进行热矫直，热矫直后钢板进行空冷；
(4)正火工序：空冷后进行离线正火处理，正火温度为920℃，在炉时间2.5min/mm，出炉后空冷至室温即得钢板成品。
经由上述制造工艺制得的厚度为32mm管件用钢板，其力学性能见表1，抗酸性能见表2。
表1各实施例所生产的管件用钢的力学性能
Figure GDA0001811658870000051
Figure GDA0001811658870000061
表2各实施例所生产的管件用钢的抗酸性能
Figure GDA0001811658870000062
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 (3)

1. 一种低温及酸性条件下使用的管件用正火态钢板的制造方法，该钢板的化学成分按重量百分比计为：C：0.13～0.16%，Si ：0.2～0.4%，Mn：0.9～1.3%，P：≤0.01%，S：≤0.001%，Al：0.02～0.04%，Nb：0.01～0.02%，Ti：0.01～0.02%，V：0.005～0.01%，Mo：≤0.3%，Cr+Ni+Cu：0.35～0.70%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素，碳当量Ceq≤0.43，碳当量计算公式为：Ceq=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15，其特征在于：所述方法包括以下工序：
（1）冶炼工序
冶炼原料依次经KR铁水预处理、转炉冶炼、LF精炼、RH真空脱气处理生产出高纯净钢水，然后通过板坯连铸工序连铸出150~370mm的连铸坯，连铸完成后对连铸坯进行加罩堆垛缓冷扩氢处理，堆垛缓冷时间≥120小时；
（2）加热工序
将连铸坯加热至1160～1250℃，均热段保温≥30min，使钢中的合金元素充分固溶以保证性能的均匀性，出炉后使用高压水除鳞除去氧化铁皮；
（3）轧制工序
包括两阶段轧制，第一阶段为粗轧阶段，开轧温度在950-1100℃，累计综合压下率≥60%；第二阶段为精轧阶段，开轧温度为850-950℃，累计道次压下率≥40%；轧后钢板进行轧后钢板进行ACC快冷，冷速控制在5-15℃/s，出水温度600-700℃；然后进行热矫直-空冷；
（4）正火工序：离线正火温度为870-920℃，在炉时间1.5-2.5min/mm，出炉后空冷至室温。
2.根据权利要求1所述的一种低温及酸性条件下使用的管件用正火态钢板的制造方法，其特征在于：C：0.14～0.16%，Si ：0.34～0.4%，Mn：1.13～1.3%，P：≤0.008%，S：≤0.0007%，Al：0.032～0.04%，Nb：0.015～0.02%，Ti：0.016～0.02%，V：0.007～0.01%，Mo：≤0.19%，Cr+Ni+Cu：0.50～0.70%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素，碳当量Ceq≤0.43，碳当量计算公式为：Ceq=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15。
3. 根据权利要求1所述的一种低温及酸性条件下使用的管件用正火态钢板的制造方法，其特征在于：所述钢板的厚度为12-32mm，屈服强度为290～450MPa，抗拉强度为450～585MPa，延伸率为≥30%，屈强比Rt0.5/Rm ≤ 0.90，-60℃夏比冲击功≥120J；HIC性能：裂纹敏感率（CSR）≤0.5%、裂纹长度率（CLR）≤5.0%、裂纹厚度率（CTR）均为≤2%；SSCC无任何裂纹。
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