CN111206185B - 一种高强度低屈强比钢及其制备方法、应用 - Google Patents
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Abstract
本发明具体涉及一种高强度低屈强比钢及其制备方法、应用,属于冶钢技术领域,本发明提供的高强度低屈强比钢,按质量分数计,所述钢的化学成分包括:C:0.055~0.065%,Si:0.10~0.30%,Mn:1.80~2.10%,P:≤0.008%,S:≤0.0015%,Alt:0.02~0.04%,Nb:0.07~0.08%,Ti:0.010~0.020%,Ni:0.20~0.50%,Cr:0.15~0.30%,Cu:0.15~0.30%,Mo:0.15~0.30%,余量为Fe和不可避免的杂质元素;本发明提供的高强度低屈强比钢,具备如下性能:抗拉强度为760~800MPa、屈强比为0.70~0.75、韧性为‑40℃的夏比冲击功≥400J,以及优异的抗动载疲劳性能,‑40℃的夏比冲击剪切面积≥90%。
Description
技术领域
本发明属于冶钢技术领域,具体涉及一种高强度低屈强比钢及其制备方法、应用。
背景技术
低屈强比钢是指材料的屈强比即屈服强度Rel与拉伸强度Rm之比值(Rel/Rm)明显低于常规钢种的钢。较低的屈强比,意味着较高的加工硬化指数,钢的屈强比是关系结构安全性的一个重要的力学性能指标,其严重影响如下几方面:1、框架结构的变形能力和极限承载能力,2、焊接结构安全性,3、连续梁结构安全性等。
低屈强比钢常被用于桥梁、建筑、管线、海洋平台等设施,随着技术水平的不断提高,对钢的强度、韧性和焊接性能等提出了更高的要求,目前,低屈强比钢不能同时满足高强度、高韧性、低屈强比、高抗疲劳性能、高尺寸精度和优异的焊接性能等性能。本领域亟需研发一种兼具高强度、高韧性、低屈强比、高抗疲劳性能、高尺寸精度和优异的焊接性能的钢。
发明内容
鉴于上述问题,提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的高强度低屈强比钢及其制备方法、应用。
本发明实施例提供一种高强度低屈强比钢,按质量分数计,所述钢的化学成分包括:C:0.055~0.065%,Si:0.10~0.30%,Mn:1.80~2.10%,P:≤0.008%,S:≤0.0015%,Alt:0.02~0.04%,Nb:0.07~0.08%,Ti:0.010~0.020%,Ni:0.20~0.50%,Cr:0.15~0.30%,Cu:0.15~0.30%,Mo:0.15~0.30%,余量为Fe和不可避免的杂质元素。
可选的,所述钢的金相组织包括板条贝氏体和粒状贝氏体,其中,所述板条贝氏体的体积分数为60~80%。
基于同一发明构思,本发明实施例还提供一种高强度低屈强比钢的制备方法,用于制备上述高强度低屈强比钢,包括钢水冶炼工序、轧制工序和冷却工序;
所述轧制工序依次包括第一轧制和第二轧制;
所述冷却工序依次包括第一冷却和第二冷却。
可选的,所述钢水冶炼工序中,钢水中的A类、B类、C类和D类非金属夹杂物均≤1.0级,且所述钢水中的A类、B类、C类和D类非金属夹杂物总和≤2.0级。
可选的,所述第一轧制中,开轧温度为1050~1150℃,终轧温度为960~1060℃。
可选的,所述第二轧制中,开轧温度为850~880℃,终轧温度为780~800℃。
可选的,所述冷却工序中,冷却速度为25~35℃/s。
可选的,所述第一冷却中,开冷温度为750~770℃,终冷温度为520~530℃,所述第二冷却中,开冷温度为510~520℃,终冷温度为250~300℃。
基于同一发明构思,本发明实施例还提供一种高强度低屈强比钢的应用,所述应用包括:将如权利要求1或2所述的高强度低屈强比钢应用于在高压高腐低温环境中使用的钢制产品,所述高压高腐低温环境包括如下至少一种:压力10-50MPa、腐蚀强度PH值≤4.0、温度≤-40℃。
可选的,所述钢制产品包括X90钻井隔水管。
本发明实施例中的一个或多个技术方案,至少具有如下技术效果或优点:
本发明实施例提供的高强度低屈强比钢,具备如下性能:抗拉强度为760~800MPa、屈强比为0.70~0.75、韧性为-40℃的夏比冲击功≥400J,以及优异的抗动载疲劳性能,尤其可避免钻井隔水管在深海作业时,发生变形断裂和疲劳失效的风险,具有良好的应用前景。
上述说明仅是本发明技术方案的概述,为了能够更清楚了解本发明的技术手段,而可依照说明书的内容予以实施,并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂,以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述,各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的,而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中,用相同的参考图形表示相同的部件。在附图中:
图1是本发明实施例中高强度低屈强比钢的金相组织图;
图2是本发明实施例中高强度低屈强比钢的扫描组织图。
具体实施方式
下文将结合具体实施方式和实施例,具体阐述本发明,本发明的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解,这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明,而非限制本发明。
在整个说明书中,除非另有特别说明,本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此,除非另有定义,本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾,本说明书优先。
除非另有特别说明,本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等,均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
还需要说明的是,本发明中的术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
如前所述,目前,低屈强比钢不能同时满足高强度、高韧性、低屈强比、高抗疲劳性能、高尺寸精度和优异的焊接性能等性能。
钻井隔水管是从钻井平台一直延伸到水下防喷器,形成钻井液的循环通道,其主要作用是隔离海水,支撑各种控制管线(主要包括节流和压井管线、钻井液补充管线、液压传输管线等),吊装水下防喷器,为钻杆、钻具顺利下入井口提供导向。隔水管作为海洋工程结构的一个重要组成结构,其处于风、浪、流、海水腐蚀、深海低温、深水高压等极其恶劣环境下,对材料提出了更高的要求。隔水管需要采用国际标准API Spec 5L和DNV-OS-F101制造以便保证隔水管的安全性。目前深海钻井隔水管技术仅掌握在美国、挪威、日本等国。
深海钻井隔水管受水深、波浪、海流的影响很大,会导致发生大的塑性变形断裂失效,而且长期服役会造成隔水管的疲劳损伤,隔水管一般采用直缝埋弧焊钢管,正在向高强度级别的X90-X100发展,产品生产技术难度很大,材料要求具备高强度、高韧性、低屈强比、疲劳性能、高尺寸精度,以及优良的焊接性能。我国尚无成熟的钢铁品种供东海和南海安全服役,急需研发深海钻井隔水管用低屈强比高韧性X90钢。
本发明实施例中的技术方案为解决上述技术问题,总体思路如下:
本发明实施例提供一种高强度低屈强比钢,按质量分数计,所述钢的化学成分包括:C:0.055~0.065%,Si:0.10~0.30%,Mn:1.80~2.10%,P:≤0.008%,S:≤0.0015%,Alt:0.02~0.04%,Nb:0.07~0.08%,Ti:0.010~0.020%,Ni:0.20~0.50%,Cr:0.15~0.30%,Cu:0.15~0.30%,Mo:0.15~0.30%,余量为Fe和不可避免的杂质元素。
本实施例中,钢的化学成分作用如下:
C元素通过固溶强化提高材料的强度性能,碳含量的高低对强度性能、屈强比、低温韧性和焊接性能影响较大。本发明经过大量的试验证明,C含量控制在0.055~0.065%窄范围内,才能得到窄范围的强度性能控制、低屈强比,以及稳定的-40℃的夏比冲击性能,以及良好的焊接性能。
Mn元素能够显著提高强度性能,Mn含量太低,材料的抗拉强度不够,Mn含量太高,焊接性能、低温韧性降低。因此,本发明经过大量试验得出,Mn控制在1.80~2.10%窄范围,既保证材料的抗拉强度,又不恶化焊接性能和低温韧性,获得较低的屈强比性能,以及稳定的-40℃夏比冲击性能。
P、S元素是钢中杂质元素,且易偏析,影响连铸坯内部质量,P、S含量越低越好,为了获得良好的低温韧性和焊接性能,本发明进行了大量试验,发现杂质元素控制在P:≤0.008wt%,S:≤0.0015wt%,才能得到稳定的-40℃的夏比冲击性能和焊接性能。
Nb元素有固溶强化和细化晶粒的作用,可以提高强度性能和低温韧性,因此本发明中Nb含量控制在0.07~0.08%窄范围内,可以获得较高的抗拉强度和较低的屈强比性能,以及稳定的-40℃夏比冲击性能。
Ti元素在本发明中进行了大量试验,发现:当Ti含量大于0.020wt%时,颗粒尺寸较大的TiN粒子会影响材料的低温韧性和焊接性能等。因此本发明中Ti含量控制在0.010~0.020wt%窄范围内,可以得到较高的强度和较低的屈强比性能,以及稳定的-40℃夏比冲击性能和焊接性能。
Ni、Cr、Cu、Mo元素既能提高钢的抗拉强度,降低屈强比,又能提高钢的低温韧性,最重要的是这些合金元素的添加可以保障焊接性能的稳定性。但过多的合金元素会大幅增加成本。因此,本发明进行了大量试验,发现当控制Ni:0.20~0.50%,cr:0.15~0.30%,Cu:0.15~0.30%,Mo:0.15~0.30%范围内,材料可以得到较高的抗拉强度和低屈强比性能,以及稳定的-40℃夏比冲击性能,最重要的是材料的焊接性能优异、稳定,Ni、Cr、Cu、Mo元素的复合添加可以有效保证制管埋弧焊和环缝焊的焊缝、热区夏比冲击韧性,如果不添加或者少添加这些元素,焊接性能会出现较大波动。
在一些可选的实施例中,所述钢的金相组织包括板条贝氏体和粒状贝氏体,其中,所述板条贝氏体的体积分数为60~80%。
板条贝氏体组织具有较高的硬度值和较高的可移动位错密度,限定金相组织构成及板条贝氏体的体积分数,可通过板条贝氏体和粒状贝氏体的搭配,达到良好的技术效果,获得高抗拉强度:760~800MPa,低屈强比:0.70~0.75、高韧性-40℃夏比冲击功≥400J。
如果板条贝氏体的体积分数过低,抗拉强度就是偏低,屈强比就会偏高;如果板条贝氏体的体积分数过高,-40℃低温韧性指标就会偏低。
基于同一发明构思,本发明实施例还提供一种高强度低屈强比钢的制备方法,用于制备上述高强度低屈强比钢,包括钢水冶炼工序、轧制工序和冷却工序;
所述轧制工序依次包括第一轧制和第二轧制;
所述冷却工序依次包括第一冷却和第二冷却。
在一些可选的实施例中,所述钢水冶炼
工序中,钢水中的A类、B类、C类和D类非金属夹杂物均≤1.0级,且所述钢水中的A类、B类、C类和D类非金属夹杂物总和≤2.0级。
主要是因为夹杂物会造成裂纹起裂和裂纹扩展,尤其是大尺寸的夹杂物,因此,本发明限定夹杂物的级别,达到了良好的技术效果,获得高韧性-40℃夏比冲击功≥400J,以及优异的抗动载疲劳性能。
在一些可选的实施例中,所述第一轧制中,开轧温度为1050~1150℃,终轧温度为960~1060℃。
限定粗轧较低的开轧温度和终轧温度,低温轧制实现更好的细化效果,可获得完全再结晶的细小均匀奥氏体晶粒。如果温度太高,就会造成奥氏体晶粒长大,如果温度太低,就会造成奥氏体晶粒混晶不均匀,都会对材料的-40℃低温韧性和抗疲劳性能不利。
在一些可选的实施例中,所述第二轧制中,开轧温度为850~880℃,终轧温度为780~800℃。
限定精轧较低的开轧温度和终轧温度,低温轧制获得充分压扁硬化的奥氏体晶粒,为后续相变细化晶粒提供更多的形核点,可以得到较高的抗拉强度和低屈强比性能,以及稳定的-40℃夏比冲击性能。如果温度太高,压扁奥氏体晶粒就会发生回复,造成晶粒粗化,如果温度太低,进入铁素体相变区,生成铁素体组织,无法获得本发明的板条贝氏体和粒状贝氏体组织目标组织,都会对材料的抗拉强度、屈强比和低温韧性等性能不利。
在一些可选的实施例中,所述冷却工序中,冷却速度为25~35℃/s。
限定较大冷速可以充分细化相变组织,避免高温相变区,快速进入低温相变区,发生切变型相变,获得更多比例的板条贝氏体组织,对于钢板的高抗拉强度、低屈强比性能非常有益。如果冷速过低,就会在高温相变区发生扩散型相变,生成铁素体组织,对综合性能不利。
在一些可选的实施例中,所述第一冷却中,开冷温度为750~770℃,终冷温度为520~530℃,所述第二冷却中,开冷温度为510~520℃,终冷温度为250~300℃。
钢板轧后进行两阶段冷却,主要是为了获得粒状贝氏体和板条贝氏体的复合组织,第一冷却工艺,是为了获得粒状贝氏体组织;第二冷却工艺,是为了获得板条贝氏体组织及其体积分数。如果采用其它的冷却工艺窗口,无法获得本发明的目标组织和比例,对综合性能不利。
基于同一发明构思,本发明实施例还提供一种高强度低屈强比钢的应用,所述应用包括:将如权利要求1或2所述的高强度低屈强比钢应用于在高压高腐低温环境中使用的钢制产品,所述高压高腐低温环境包括如下至少一种:压力10-50MPa、腐蚀强度PH值≤4.0、温度≤-40℃。
应用于“压力10-50MPa、腐蚀强度PH值≤4.0、温度≤-40℃”环境中的钢制品,需要具有优异的抗拉强度、韧性、抗动载疲劳性能和较低的屈强比,本实施例提供的高强度低屈强比钢具备的性能能满足上述环境要求。
在一些可选的实施例中,所述钢制产品包括X90钻井隔水管。
X90钻井隔水管,是指海洋油气钻采系统中的关键管材,连接海底井口和海面钻井平台,出于对海洋生态环境的保护,要求X90钻井隔水管具有良好的综合性能,具备高强度、高韧性、低屈强比、疲劳性能、耐磨蚀性能等。
下面将结合实施例和实验数据,对本发明实施例提供的高强度低屈强比钢及其制备方法、应用进行详细说明。
实施例1-5提供了高强度低屈强比钢的制备方法,包括如下步骤:
S1、采用高洁净冶炼工艺,控制钢中A/B/C/D类非金属夹杂物尺寸;得到满足化学成分要求的铸坯,具体化学成分如表1所示;
S2、采用两阶段轧制工艺轧制,实现更好的细化晶粒效果;
S3、钢板轧后进行两阶段冷却,获得板条贝氏体和粒状贝氏体组织。
该制备方法中涉及到的具体工艺条件如表2所示,所述工艺条件包括非金属夹杂物等级、钢板轧制的开轧温度和终轧温度、钢板冷却的开冷温度和终冷温度、冷却速度条件。
该制备方法中,关键工艺参数已在表2中列出,制备过程中涉及到的其他工艺参数及细节按照技术人员熟知的常规工艺处理,此处不再赘述。
对采用该高强度低屈强比钢制得的X90钻井隔水管进行性能测试,测试结果如表3所示。
实施例1-5中高强度低屈强比钢的化学成分(质量分数)如表1所示。
表1
实施例1-5中高强度低屈强比钢的制备工艺参数如表2所示。
表2
采用实施例1-5中的高强度低屈强比钢制得的X90钻井隔水管进行性能测试,测试结果如表3所示。
表3
从表3可以看出,本发明实施例提供的高强度低屈强比钢,具备如下性能:抗拉强度为760~800MPa、屈强比为0.70~0.75、韧性为-40℃的夏比冲击功≥400J,以及优异的抗动载疲劳性能,-40℃的夏比冲击剪切面积≥90%。
尽管已描述了本发明的优选实施例,但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念,则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以,所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然,本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样,倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内,则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (3)
1.一种高强度低屈强比钢,其特征在于,按质量分数计,所述钢的化学成分包括:C:0.055~0.065%,Si:0.10~0.30%,Mn:1.80~2.10%,P:≤0.008%,S:≤0.0015%,Alt:0.02~0.04%,Nb:0.07~0.08%,Ti:0.010~0.020%,Ni:0.20~0.50%,Cr:0.15~0.30%,Cu:0.15~0.30%,Mo:0.15~0.30%,余量为Fe和不可避免的杂质元素;
所述钢的金相组织包括板条贝氏体和粒状贝氏体,其中,所述板条贝氏体的体积分数为60~80%;
用于制备所述的高强度低屈强比钢,包括钢水冶炼工序、轧制工序和冷却工序;所述轧制工序依次包括第一轧制和第二轧制;
所述冷却工序依次包括第一冷却和第二冷却;
所述钢水冶炼工序中,钢水中的A类、B类、C类和D类非金属夹杂物均≤1.0级,且所述钢水中的A类、B类、C类和D类非金属夹杂物总和≤2.0级;
所述第一轧制中,开轧温度为1050~1150℃,终轧温度为960~1060℃;
所述第二轧制中,开轧温度为850~880℃,终轧温度为780~800℃;
所述冷却工序中,冷却速度为25~35℃/s;
所述第一冷却中,开冷温度为750~770℃,终冷温度为520~530℃,所述第二冷却中,开冷温度为510~520℃,终冷温度为250~300℃。
2.一种高强度低屈强比钢的应用,其特征在于,所述应用包括:将如权利要求1所述的高强度低屈强比钢应用于在高压高腐低温环境中使用的钢制产品,所述高压高腐低温环境包括如下至少一种:压力10-50MPa、腐蚀强度p H值≤4.0、温度≤-40℃。
3.根据权利要求2所述的一种高强度低屈强比钢的应用,其特征在于,所述钢制产品包括X90钻井隔水管。
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