CN111304534B - 一种高均质l485海洋管线管用高应变钢板及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高均质L485海洋管线管用高应变钢板及制造方法，该钢板的成分按重量百分比计如下：C 0.02％～0.08％，Si 0.10％～0.40％，Mn 1.40％～1.80％，Nb 0.02％～0.08％，V 0.01％～0.05％，Ti 0.01％～0.04％，Al 0.025％～0.045％，P≤0.010％，S≤0.005％，Cu 0.10％～0.50％，Mo 0.02～0.40％，Cr 0.06％～0.45％，Ni 0.10％～0.50％，其余为Fe以及不可避免的杂质元素。制造方法包括钢水冶炼→炉外精炼→铸造→板坯再加热→控制轧制→控制冷却→热处理→空冷至室温；应用本发明实现了低温韧性、高应变性能优良的L485海洋管用高均质钢板的高性价比生产。
Description
技术领域
本发明属于金属材料领域，尤其涉及一种高均质L485海洋管线管用高应变钢板及制造方法。
背景技术
随着全球经济的高速发展，各国油气资源用量激增，陆上资源逐渐枯竭，导致油气开采重心已转向海洋。作为具有广阔领海的国家，为了安全、有效的利用海底油气资源，特别是深海油气资源，开发海底油气输送用钢材意义重大。
众所周知，海洋洋流运动复杂多变，海底地质条件恶劣，在这种工况下服役的油气输送管需要具备高应变的特征，即屈强比低、均匀延伸率高。另外，为了应对深水压力对钢管的不利影响，需要钢管具有大厚径比特征，即壁厚大、管径小。综合这些要求，现有的陆上管线钢，包括陆上用大变形管线钢、浅海用管线钢均不能满足深海油气输送的要求。
为了实现高应变的特征，现有技术通常采用软相、硬相复合的组织结构来实现钢板同时具备强度、韧性与抗应变等性能特点。这种复合结构的获得，通常采用钢板轧后空冷+水冷的TMCP工艺实现。因为钢板表层与心部的温度、冷速的差异，造成钢板横截面上的组织结构出现差异。距离表层越近，软相的含量越高。组织差异对性能的影响巨大，特别是低温韧性的影响特别明显。为了克服这种组织不均匀性，特别提出了采用热处理的方式解决现有技术的不足。与现有技术相比，本方案增加了免清理直装的技术特征，简化了生产工序、降低了生产成本，克服了现有技术存在的无法同时保证复合组织结构的钢板同时具备强度、韧性、高应变等性能特点的缺陷。
专利申请文献CN201110232809.3公开了一种深海用≥25mm厚的管线钢及其制造方法。该技术方案虽然实现了钢板具有低屈强比(Rt0.5/Rm≤0.85)、高均匀延伸(uEL≥10％)的特征，但是要求按照洁净钢工艺冶炼并连铸成钢坯；对连铸坯进行加热厚采用TMCP工艺进行两阶段轧制生产钢板，钢板的组织为铁素体、贝氏体的复合组织。该技术方案不具备连铸坯免清理直接装炉加热轧制的技术特征，钢板组织也不具备高均质的特点。
专利申请文献CN201410073983.1公开了一种提高海底管线钢低温止裂韧性的生产方法。该方法要求轧制分粗轧、精轧两阶段进行，粗轧纵轧道次压下率逐渐上升，精轧单道次压下率逐渐减少；轧后钢板冷却采用超快冷+层流冷却联动工艺，终冷结束后的钢板需要堆垛12～20h缓冷。该方法工序复杂，使用条件苛刻，产品实物规格虽然能达到25.4～31.8mm且具有较高的低温韧性，但是不具备高应变的性能特征。
期刊论文《深海用36.5mm厚X70钢板及其大口径直缝埋弧焊管的开发》(机械工程材料2016年12期P47-52)公开了规格为36.5mm的X70钢板与规格为D1016mm×36.5mm的直缝埋弧焊管的成分、组织与性能。该钢的主要成分为C0.036％、Si0.23％、Mn1.54％、Ni0.25％、Cr0.25％、Cu0.014％、Nb0.06％、V0.005％、Ti0.014％、Mo0.15％；未提供有关钢坯免清理与直装的技术方案。该论文所展现的现有技术对使用直装方式生产的热处理态钢板没有启发作用。
综上，可见现有技术存在生产工艺复杂、设备能力要求高以及钢坯需要清理不能直装等缺点。使用本发明提供的技术方案，可以有效的克服上述缺点，实现使用300mm及其以下厚度的连铸坯生产31.8mm及其以上厚度的L485钢板，并且直装生产的钢板具有高应变特征，钢板全截面组织结构均匀，差异度小。
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高均质L485海洋管线管用高应变钢板及制造方法，可以保证海洋环境铺设的油气输送管线管的安全，具有高应变特征的大壁厚管线用钢板。
本发明通过合理的成分设计、控轧控冷、热处理等工艺匹配，实现了满足海底输送天然气、石油等用途的L485高应变钢板的高性价比生产。克服了现有技术存在的生产工艺复杂、设备能力要求高以及不能直装生产、组织沿钢板厚度方向差异大等缺点。
一种高均质L485海洋管线管用高应变钢板，该钢板的成分按重量百分比计如下：C0.02％～0.08％，Si 0.10％～0.40％，Mn 1.40％～1.80％，Nb 0.02％～0.08％，V 0.01％～0.05％，Ti 0.01％～0.04％，Al 0.025％～0.045％，P≤0.010％，S≤0.005％，Cu0.10％～0.50％，Mo 0.02～0.40％，Cr 0.06％～0.45％，Ni 0.10％～0.50％，其余为Fe以及不可避免的杂质元素。
所述高均质L485海洋管线管用高应变钢板显微组织为细小均匀的铁素体、贝氏体复合组织，铁素体体积分数vF范围为15％～45％，且钢板心部、四分之一与表层位置的铁素体体积分数差值不超过30％，铁素体晶粒尺寸范围3～7μm，且钢板心部、四分之一与表层位置的铁素体晶粒尺寸之差不超过3μm，所述钢板屈强比为0.70～0.80。
所述钢板厚度t≥31.8mm，应用所述钢板制造直径D≤750mm的钢管，钢管厚径比t/D不低于0.0424。
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％～0.08％。
Si：具有炼钢脱氧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0.10％～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，不利于保证钢板横截面组织均匀性。因此，本发明的Mn含量范围设计为1.40％～1.80％。
Nb：是现代微合金化管线钢中常用元素之一，具有良好的细晶强化与沉淀强化效果；过量的Nb会增加成本与连铸工艺控制难度。本发明选取Nb含量范围0.02％～0.08％。
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0.01％～0.04％。
V：与Nb一样，是微合金化常用元素之一。与Nb相比，具有更好的沉淀强化作用与较弱的细化晶粒的作用；过量的V会增加成本与生产工艺控制难度，本发明选取的V含量范围0.01％～0.05％。
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0.045％，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0.025％。
Cr、Mo、Cu、Ni：Cr、Mo是推迟铁素体形成、促进贝氏体形成的主要元素，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，本发明选取的含量范围为Cr 0.06％～0.45％、Mo 0.02～0.40％、Cu 0.10％～0.50％、Ni 0.10％～0.50％。
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高均质L485海洋管线管用高应变钢板的制造方法，包括钢水冶炼→炉外精炼→铸造→板坯再加热→控制轧制→控制冷却→热处理→空冷至室温；
(1)板坯再加热：本发明连铸坯厚度t'为250-300mm，连铸坯进行直装加热，钢坯装炉温度Tsi不低于300℃，出炉温度Tso控制在1160～1210℃；
(2)控制轧制：粗轧开轧温度Trs范围为1050～1150℃，粗轧终轧温度Trf范围为950～970℃；粗轧阶段累计变形率εtr范围为55％～65％；精轧开轧温度Tfs范围为850～900℃，精轧终轧温度Tff范围为800～850℃；精轧阶段累积变形率εtf范围为50％～75％；
进一步，钢板的压缩比t'/t不超过9.43。
(3)控制冷却：钢板轧制完成后，直接入水加速冷却，冷却速度Sc范围为10～25℃/s，终止冷却温度Tcf范围650～750℃；
(4)热处理：水冷结束后的钢板进行等温热处理，保温温度T范围为630～750℃，等温时间H范围为0.5～4.5h，随后水冷至500℃以下，冷速不超过15℃/s。
本发明轧制后钢板厚度t≥31.8mm，压缩比t'/t不超过9.43；应用所生产的钢板用于制造直径D≤750mm的钢管，钢管厚径比t/D不低于0.0424。
为了满足高应变海洋管用L485高均质钢板所需的性能，本发明采用了低C低Mn，Nb、Ti与V复合微合金化，Cr、Mo、Cu与Ni复合合金化；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钢坯免清理直装的加热技术、两阶段控制轧制技术、控制冷却技术、热处理技术，获得细小铁素体、贝氏体构成的复相结构，钢板高应变特征明显，强韧性匹配良好，组织构成比例及尺寸沿厚度方向差异小。
本发明的有益效果在于：
(1)通过合理的成分设计与工艺制度匹配，实现了低温韧性、高应变性能优良的L485海洋管用高均质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，可以在海底等地质条件复杂地区使用，满足油气输送的安全要求。
(2)采用低C低Mn，复合添加Cu、Ni、Cr、Mo、Nb、Ti、V的成分设计；连铸坯免清理，热坯装炉，有效地降低了生产成本。
(3)采用两阶段控轧的TMCP+热处理工艺来生产铁素体、贝氏体为主要组织的热轧钢板，钢板组织与性能均匀稳定。
(4)钢板横向力学性能可以达到如下要求：屈服强度Rt0.5为485～550MPa，抗拉强度Rm为600～700MPa，屈强比Rt0.5/Rm≤0.85，-20℃冲击吸收能KV8大于200J，-20℃DWTT剪切面积SA不低于85％；钢板的纵向力学性能可以达到如下要求：均匀变形伸长率UEL≥10％，屈服强度Rt0.5为450～520MPa，抗拉强度Rm为570～670MPa；所述钢板屈强比Rt0.5/Rm为0.70～0.80。
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，进行钢水冶炼→炉外精炼→铸造→板坯再加热→控制轧制→控制冷却→热处理→空冷至室温。
(1)板坯再加热：连铸坯厚度为250-300mm，连铸坯直装加热，装炉温度不低于300℃，出炉温度控制在1160～1210℃；
(2)控制轧制：粗轧开轧温度范围为1050～1150℃，粗轧终轧温度范围为950～970℃；粗轧阶段累计变形率范围为55％～65％；精轧开轧温度范围为850～900℃，精轧终轧温度范围为800～850℃；精轧阶段累积变形率范围为50％～75％；
(3)控制冷却：轧制后直接入水加速冷却，冷却速度范围为10～25℃/s，终止冷却温度范围650～750℃；
(4)热处理：水冷结束后的钢板进行等温热处理，保温温度范围为630～750℃，等温时间范围为0.5～4.5h，随后水冷至500℃以下，冷速不超过15℃/s。
步骤(3)控制冷却过程中，钢板的压缩比不超过9.43。
本发明实施例钢的成分见表1。本发明实施例钢控扎控冷主要工艺参数见表2。本发明实施例钢热处理主要工艺参数见表3。本发明实施例钢的横向力学性能见表4。本发明实施例钢的纵向力学性能见表5。本发明实施例钢的组织高均质特性见表6。应用本发明生产的管线钢管径及管径比见表7。
表1本发明实施例钢的成分(wt％)
注：*表中数字为乘以103后的结果
表2本发明实施例钢控扎控冷主要工艺参数
表3本发明实施例钢热处理主要工艺参数
表4本发明实施例钢的横向力学性能
表5本发明实施例钢的纵向力学性能
| 序号 | Rt0.5,MPa | Rm,MPa | Rt0.5/Rm | UEL,％ |
| 1 | 470 | 635 | 0.74 | 11 |
| 2 | 465 | 610 | 0.76 | 12 |
| 3 | 490 | 635 | 0.77 | 11 |
| 4 | 475 | 600 | 0.79 | 11 |
| 5 | 495 | 625 | 0.79 | 10 |
| 6 | 480 | 640 | 0.74 | 10 |
| 7 | 505 | 645 | 0.78 | 10 |
| 8 | 500 | 630 | 0.79 | 10 |
| 9 | 485 | 615 | 0.79 | 10 |
表6本发明实施例钢的高均质特性
表7应用本发明生产的管线钢管径及管径比
| 序号 | D,mm | t/D |
| 1 | 750 | 0.0424 |
| 2 | 750 | 0.0424 |
| 3 | 620 | 0.0526 |
| 4 | 620 | 0.0516 |
| 5 | 559 | 0.0612 |
| 6 | 559 | 0.0608 |
| 7 | 559 | 0.0601 |
| 8 | 620 | 0.0519 |
| 9 | 750 | 0.0559 |
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)
1.一种高均质L485海洋管线管用高应变钢板，其特征在于，该钢板的成分按重量百分比计如下：C 0.02%~0.08%，Si 0.10%~0.40%，Mn 1.40%~1.80%，Nb 0.040%~0.080%，V 0.01%~0.05%，Ti 0.01%~0.04%，Al 0.025%~0.045%，P≤0.010%，S≤0.005%，Cu 0.40%~0.50%，Mo0.02%~0.40%，Cr 0.40%~0.45%，Ni 0.40%~0.50%，其余为Fe以及不可避免的杂质元素；所述钢板显微组织为铁素体、贝氏体复合组织，铁素体体积分数范围为15％～45％，且钢板心部、四分之一与表层位置的铁素体体积分数差值不超过30％，铁素体晶粒尺寸范围3～7μm，且钢板心部、四分之一与表层位置的铁素体晶粒尺寸之差不超过3μm，所述钢板屈强比为0.70～0 .80；所述钢板厚度t≥31.8mm，应用所述钢板制造直径D≤750mm的钢管，钢管厚径比t/D不低于0.0424；所述钢板的制造方法，包括钢水冶炼→炉外精炼→铸造→板坯再加热→控制轧制→控制冷却→热处理→空冷至室温；
（1）板坯再加热：连铸坯厚度为250-300mm，钢坯连铸完成后不经清理，进行直装加热，钢坯装炉温度不低于300℃，钢坯出炉温度控制在1160~1210℃；
（2）控制轧制：粗轧开轧温度范围为1050~1150℃，粗轧终轧温度范围为950~970℃；粗轧阶段累计变形量范围为55%~65%；精轧开轧温度范围为850~900℃，精轧终轧温度范围为830~850℃；精轧阶段累积变形量范围为50%~75%；
（3）控制冷却：钢板轧制完成后，直接入水加速冷却，冷却速度范围为10~25℃/s，终止冷却温度范围650~750℃；
（4）热处理：水冷结束后的钢板直接进行等温热处理，保温温度范围为630~750℃，等温时间范围为0.5~4.5h，随后水冷至500℃以下，冷速不超过15℃/s。
Priority Applications (1)
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2020
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