CN110629001A - 一种特厚管线钢用钢板的制造方法 - Google Patents

一种特厚管线钢用钢板的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种特厚管线钢用钢板的制造方法，采用超低碳微合金设计与超级控轧、控冷工艺相结合，钢板获得了超细铁素体+贝氏体的组织结构，获得良好的强韧性匹配，保证了性能的均匀性。

Description

一种特厚管线钢用钢板的制造方法
技术领域
本发明涉及管线用钢板制造领域，具体是一种特厚管线钢用钢板的制造方法。
背景技术
管道输送是最经济、高效和环保的能源介质输送方法，正在建设的中俄东线以及规划中的“西气东输四线”等项目，采用X80钢级，管径分别1422mm，表明了大口径、高压力输气管道建设是现代高效、低成本长距离输送的基本特点，为了保障管道安全，大口径高压力的管线钢对强韧性匹配有更严格的要求，如西气东输四线针对四类地区设计采用X80钢级，钢管的尺寸为φ1422×38.5mm，此类大壁厚超宽的X80管线钢的关键技术难点在于强度、屈强比以及韧性控制，屈强比是衡量钢板强度储备的重要系数，屈强比越高则材料的塑性变形能力较差，管道安全运行隐患增大，冲击韧性和DWTT则是衡量钢板脆性断裂止裂性能的关键指标，对于输油/输气管道，一旦发生脆性断裂后果往往是灾难性的，故从管道安全运行的角度着想，往往对冲击韧性及DWTT提出严格的要求。
西气东输四线项目采用的钢板厚度达到38.5mm，同时要求钢板的屈服强度≥520MPa，抗拉强度≥625MPa，屈强比≤0.90，-20℃冲击功≥300J，-20℃DWTT≥85％。钢管的尺寸规格及性能要求远远超出了之前的任何规格的X80管线钢。因此，此类钢板在生产制造中必须要全面评估成分、加热工艺、轧钢工艺、组织设计等多方面因素，才能获得良好的综合性能。
目前，国内及国外均未有类似极限规格管线钢的生产及相关技术的报道。
发明内容
本发明针对上述技术问题，提出一种特厚管线钢用钢板的制造方法，该管线钢用钢板能够保证获得具有超细铁素体+贝氏体为主的复相组织，晶粒度级别＞11级，满足钢板强韧性要求。
为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
一种特厚管线钢用钢板的制造方法，其以质量百分比计分别含有：
C：0.01～0.05％、
Si：0.10～0.30％、
Mn：1.40～1.70％、
Al：0.020～0.060％、
Nb：0.05～0.06％、
Ti：超过0％且0.020％以下、
Cr：超过0％且0.20％以下、
Cu：超过0％且0.30％以下、
Ni：超过0％且0.30％以下、
Mo：超过0％且0.15％以下、
P：超过0％且0.012％以下、
S：超过0％且0.003％以下、
N：超过0％且0.006％以下，余量为铁及不可避免的杂质，
碳当量Ceq[＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15]≤0.41％、
焊接裂纹敏感性指数
CEpcm[＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B]≤0.20％。
本发明进一步公开了一种如所述特厚管线钢用钢板的制造方法的制造工艺，包括以下步骤：
(1)KR脱硫处理后，铁水S含量≤0.005％
(2)在LF精炼炉处理后，钢液S含量≤0.003％；
(3)RH真空处理后，在钢中H含量小于2ppm；
(4)RH真空处理结束后喂入纯Ca线150-500m，并进行软搅拌，时间不小于10min；
(5)板坯连铸阶段，进行无氧化保护浇注，中间包过热度控制在25±5℃，拉速0.5-0.7m/min；
(6)板坯再加热阶段，温度控制在1100～1180℃，在炉时间不小于1.1min/mm；
(7)奥氏体再结晶区轧制阶段，奥氏体再结晶区轧制温度开始温度控制在1000～1050℃，奥氏体再结晶区轧制后中间坯厚度大于3.5钢板厚度，奥氏体再结晶区轧制结束后立即采用中间冷却，将待温坯快速冷却至奥氏体非再结晶区轧制开轧温度区间；
(8)奥氏体非再结晶区轧制阶段，奥氏体非再结晶区轧制开始温度控制在≤880℃，终轧温度750～800℃，奥氏体非再结晶区轧制阶段总压缩比≥70％；
(9)析出及组织细化控制阶段，钢板轧后到进入ACC的时间＞20秒，进入ACC后按照＞14℃/S的冷速进行快去冷却，开冷温度≤740℃，终冷温度≤350℃，ACC内冷却速率控制≥14℃/s；
(10)钢板快速冷却后，上冷床自然冷却到50℃以下经超声探伤-剪切-入库。
所述钢板的厚度≥35mm，宽度≥4200mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果至少在于：
(1)本发明严格控制过程及成品S含量、H含量、P含量，采用纯Ca线进行夹杂物变形处理，软搅拌时间保证不小于10min，保证了钢质纯净度及洁净度，对于低温韧性起到了关键作用。
(3)本发明在总压缩比一定的前提下开发出超级控轧工艺，总结为“2低1快1高”，具体为低司炉温度、低开轧温度、快速待温、高奥氏体非再结晶区轧制压缩比，保证了更细、更扁平的奥氏体晶粒，由于待温时间缩短，显著提高的轧制效率，降低了轧钢制造成本。
(4)本发明在冷却能力一定的前提下开发出超级控冷工艺，具体为钢板慢速进入ACC、低开冷温度、低终冷温度、ACC内快冷速，保证获得具有超细铁素体+贝氏体为主的复相组织，晶粒度级别＞11级，满足钢板强韧性要求，同板性能差＜40MPa。
(5)本发明通过控制加热温度、奥氏体再结晶区轧制开始温度，缩短待温等待时间控制奥氏体晶粒长大，采用中间坯厚度＞3.5的钢板厚度，确保奥氏体非再结晶区轧制阶段的压缩比≥70％，严格控制终轧温度在750～800℃之间，获得更细、更扁平的奥氏体晶粒，使钢板具有优良的CTOD性能，兼具海底管线钢的关键指标。
附图说明
图1为本发明实施例的超细铁素体+贝氏体组织照片；
图2为本发明实施例的超细铁素体+贝氏体组织照片；
图3为本发明实施例钢板DWTT韧脆转变曲线图照片。
具体实施方式
本发明的目的在于开发一种特厚管线钢用钢板的制造方法，满足特厚管线钢用钢板的制造方法的使用需求或者相近强度级别的结构钢的使用需求。
为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：
C 0.01～0.05％，Si 0.10～0.30％，Mn 1.50～1.70％，Al 0.020～0.060％，Nb0.05～0.06％，Ti≤0.020％，Cr≤0.20％，Cu≤0.30％，Ni≤0.30％，Mo≤0.15％，P≤0.012％，S≤0.003％，N≤0.006％，其余为铁及不可避免的杂质元素；碳当量Ceq[＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15]≤0.41％，焊接裂纹敏感性指数CEpcm[＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B]≤0.20％
本发明为达到上述目的而进行的化学成分设计思路如下：
碳(C)：碳是影响强度、韧性、硬度及焊接性能的主要元素，可以与Nb、Ti、Cr、Mo、Fe形成碳化物，起到析出强化和晶粒细化韧化材料的作用。碳含量的增加，对提高钢的强度和硬度有明显作用，但碳含量的增加会增加M/A的含量和尺寸，对钢的延性、韧性有负面影响。所以，本发明选择超低碳设计，含量为0.01～0.05％，成分设计考虑钢板的韧性及优良的焊接性能。
锰(Mn)：锰是固溶强化元素，既可以提高钢的强度和硬度，也能够改善钢的韧性，在超低碳钢中，通常采取添加Mn的办法来减少C含量降低造成的强度损失。锰还能提高微合金元素铌(Nb)在钢中的溶解度，抑制碳氮化铌的析出。但过多的Mn会导致铸坯中心Mn偏析，对厚板的韧性有较大伤害，也不利于控制厚规格管线钢的带状组织。因此，本发明钢采用的锰含量为1.50～1.70％。
铌(Nb)：铌是有效的晶粒细化元素，能够明显的抑制奥氏体晶粒长大，延迟γ→α转变，从而获得更加细小的组织。在热轧过程中，析出的碳氮化铌可以延迟再结晶及晶粒的长大过程，碳氮化铌通过钉扎位错，使得基体中可以保留更多的位错密度，提高钢的强度和韧性。固溶状态的铌可以延迟γ→α转变，细化铁素体晶粒，提高钢的韧性，在冷却过程中固溶的铌可以继续以Nb(CN)析出，进一步提高钢的强度。本发明钢采用的铌为0.05-0.06％。
钛(Ti)：钛是强的固氮元素，可以形成弥散分布的TiN颗粒，从而可以在坯料加热过程和轧制过程中抑制奥氏体晶粒粗化，起到细化晶粒的作用，提高钢的低温韧性；同样，TiN颗粒对焊接热影响区晶粒的长大能够起到很好的抑制作用，改善焊接性能。同时，钛又是强脱氧元素，加入量过高钢中会产生氧化钛夹杂，且TiN析出粗大，影响钢的韧性。本发明钢中钛的加入量为0.010-0.018％。
铬(Cr)：铬是碳化物形成元素，能够提高钢板硬度，起到沉淀强化的作用；铬作为铁素体形成元素，在高Nb钢中可以得到更多的针状铁素体组织；铬还能够提高钢的抗腐蚀及耐氢致开裂性能，但过量的铬将降低钢板的延伸性能，促进晶粒的长大而影响韧性，导致焊接区域的冷裂纹的产生。本发明钢中铬的加入量为0.10～0.20％。
铜(Cu)：铜能提高钢板及焊接热影响区的强度，铜的沉淀作用还可以提高钢的抗疲劳性能，本发明钢中铜的加入量为0.10～0.30％。
镍(Ni)：镍通过固溶强化提高钢的强度，且并不显著提高钢的硬度，从而对低温韧性有利；同时，镍还有助于改善钢中加铜引起的热脆性。本发明钢镍的加入量为0.10～0.30％。
钼(Mo)：钼可促进钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性。本发明钢镍的加入量为0.10～0.15％。
铝(Al)：Al为强固N元素，形成细小的AlN颗粒析出，可抑制板坯加热、轧制、淬火加热及焊接过程中的晶粒长大，达到细化晶粒、提高钢板的低温韧性及改善焊接性能。本发明选择的铝含量为0.02～0.06％。
硫(S)：硫是有害元素，其不仅增加钢的热脆性，且易与Mn结合形成MnS，在高温轧制后形成长条形MnS夹杂，不仅影响钢板的抗层状撕裂性能，且钢板中的H易扩散到MnS与基体界面，形成氢致开裂裂纹，形成分层缺陷，严重影响钢板的内在质量。因此，本发明选择的硫含量不大于0.003％。
磷(P)：磷是有害元素，能使钢的塑性及韧性明显下降，特别是在低温条件下，此种现象更为严重。因此，本发明选择的磷含量不大于0.012％。
一种特厚管线钢用钢板的制造方法的成分、及生产制造方法，应用于管线钢或者高强结构钢领域，该方法适用的厚度≥35mm，宽度≥4200mm，该制造方法的控制参数为：
(1)KR脱硫处理后，铁水S含量≤0.005％
(2)在LF精炼炉处理后，钢液S含量≤0.003％；
(3)RH真空处理后，在钢中H含量小于2ppm；
(4)RH结束后喂入纯Ca线150-500m，并进行软搅拌，时间不小于10min；
(5)板坯连铸阶段，进行无氧化保护浇注，中间包过热度控制在25±5℃，拉速0.5-0.7m/min；
(6)板坯再加热阶段，温度控制在1100～1180℃，在炉时间不小于1.1min/mm；
(7)奥氏体再结晶区轧制阶段，奥氏体再结晶区轧制温度开始温度控制在1000～1050℃，奥氏体再结晶区轧制后中间坯厚度大于3.5钢板厚度，奥氏体再结晶区轧制结束后立即采用中间冷却，将待温坯快速冷却至奥氏体非再结晶区轧制开轧温度区间；
(8)奥氏体非再结晶区轧制阶段，奥氏体非再结晶区轧制开始温度控制在≤880℃，终轧温度750～800℃，奥氏体非再结晶区轧制阶段总压缩比≥70％；
(9)钢板轧后到进入ACC的时间＞20秒，进入ACC后按照＞14℃/S的冷速进行快去冷却，开冷温度≤740℃，终冷温度≤350℃，ACC内冷却速率控制≥14℃/s；
(10)钢板快速冷却后，上冷床自然冷却到50℃以下经超声探伤-剪切-入库。
通过控制加热温度、奥氏体再结晶区轧制开始温度，缩短待温等待时间控制奥氏体晶粒长大，采用中间坯厚度＞3.5的钢板厚度，确保奥氏体非再结晶区轧制阶段的压缩比≥70％，严格控制终轧温度在750～800℃之间，获得更细、更扁平的奥氏体晶粒。
通过控制开冷、终冷温度和ACC冷速，钢板轧后慢速进入ACC快速冷却，开冷温度≤740℃，终冷温度≤350℃，ACC内冷却速率控制≥14℃/s，获得超细铁素体+贝氏体的组织。
图1为本发明实施例的超细铁素体+贝氏体组织照片，观察位置为钢板厚度的1/4，从照片中可以看出，超细铁素体的平均晶粒度＜4μm。
图2为本发明实施例的超细铁素体+贝氏体组织照片，观察位置为钢板厚度的1/2，从照片中可以看出，超细铁素体的平均晶粒度＜5μm。
图3为本发明实施例钢板DWTT韧脆转变曲线图，从曲线图中可以看到，韧脆转变温度均低于-20℃。
综上，本发明的主要技术方案为采用超低碳微合金设计与超级控轧、控冷工艺相结合，钢板获得了超细铁素体+贝氏体的组织结构，获得良好的强韧性匹配，保证了性能的均匀性。
表1：实施例冶炼炉次工艺过程控制参数
通过表1可以得到本发明中所用的高质量连铸板坯。
表2：实施例母板轧制工艺过程控制参数
通过表2可以得到本发明中典型的轧制工艺控制参数，充分提高轧制效果，获得扁平奥氏体及后续相变后的超细铁素体+贝氏体组织。
表3：实施例冶炼炉次熔炼成分
通过表3可以得到按照本发明设计思路的合金成分，结合表2的轧制控制参数，获得表4实施例所示的具有优良强韧性匹配的综合性能。
表4：实施例热轧母板的力学性能：

Claims (2)

1.一种特厚管线钢用钢板的制造方法，其特征在于，所述管线钢用钢板以质量百分比计分别含有：
C：0.01~0.05%、
Si：0.10~0.30%、
Mn：1.40~1.70%、
Al：0.020~0.060%、
Nb：0.05~0.06%、
Ti：超过0％且0.020%以下、
Cr：超过0％且0.20%以下、
Cu：超过0％且0.30%以下、
Ni：超过0％且0.30%以下、
Mo：超过0％且0.15%以下、
P：超过0％且0.012%以下、
S：超过0％且0.003%以下、
N：超过0％且0.006%以下，余量为铁及不可避免的杂质，
碳当量Ceq [=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15] ≤0.41%、
焊接裂纹敏感性指数CEpcm[=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B]≤0.20%；
包括以下步骤：
（1）KR脱硫处理后，铁水S含量≤0.005％
（2）在LF精炼炉处理后，钢液S含量≤0.003％；
（3）RH真空处理后，在钢中H含量小于2ppm；
（4）RH真空处理结束后喂入纯Ca线150-500m，并进行软搅拌，时间不小于10min；
（5）板坯连铸阶段，进行无氧化保护浇注，中间包过热度控制在25±5℃，拉速0.5-0.7m/min；
（6）板坯再加热阶段，温度控制在1100～1180℃，在炉时间不小于1.1min/mm；
（7）奥氏体再结晶区轧制阶段，奥氏体再结晶区轧制温度开始温度控制在1000～1050℃，奥氏体再结晶区轧制后中间坯厚度大于3.5钢板厚度，奥氏体再结晶区轧制结束后立即采用中间冷却，将待温坯快速冷却至奥氏体非再结晶区轧制开轧温度区间；
（8）奥氏体非再结晶区轧制阶段，奥氏体非再结晶区轧制开始温度控制在≤880℃，终轧温度750~800℃，奥氏体非再结晶区轧制阶段总压缩比≥70%；
（9）析出及组织细化控制阶段，钢板轧后到进入ACC的时间＞20秒，进入ACC后按照＞14℃/S的冷速进行快去冷却，开冷温度≤740℃，终冷温度≤350℃，ACC内冷却速率控制≥14℃/s；
（10）钢板快速冷却后，上冷床自然冷却到50℃以下经超声探伤-剪切-入库。
2.根据权利要求1所述特厚管线钢用钢板的制造方法，其特征在于，所述管线钢用钢板的厚度≥35mm，宽度≥4200mm。
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