CN111378823B - 一种高应变l485m海洋管线管用热轧钢板及制造方法 - Google Patents

一种高应变l485m海洋管线管用热轧钢板及制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高应变L485M海洋管线管用热轧钢板及制造方法，该钢板的成分按重量百分比计如下：C 0.03％～0.09％，Si 0.10％～0.40％，Mn 1.50％～1.90％，Nb 0.02％～0.08％，N 0.001％～0.004％，Ti 0.01％～0.04％，Al 0.025％～0.045％，P≤0.010％，S≤0.005％，Cu 0.10％～0.50％，Mo 0.05％～0.35％，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，包括冶炼、连铸、板坯再加热、控制轧制、控制冷却；应用本发明生产的钢板的纵向力学性能：均匀变形伸长率UEL≥10％，屈服强度Rt0.5为400～550MPa，抗拉强度Rm为550～700MPa，钢板屈强比Rt0.5/Rm为0.70～0.80。

Description

一种高应变L485M海洋管线管用热轧钢板及制造方法
技术领域
本发明属于金属材料领域，尤其涉及一种高应变L485M海洋管线管用热轧钢板及制造方法。
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。在现有技术中，尚不具备实用的技术方案能够同时实现强度、韧性、抗应变能力等性能指标。
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。钢中起到主要作用的元素含量为C 0.025～0.080％、Si 0.05～0.50％、Mn 1.20～1.60％、Mo 0.05～0.30％、Nb 0.03～0.06％、Ni≤0.30％、Cr≤0.30％、Cu≤0.08％、V≤0.05％；该方案通过TMCP工艺生产钢板，粗轧单道次压下量15～50％，精轧累积压下量65～75％；钢板组织为铁素体、贝氏体的复合组织，钢板表现出了低屈强比(Rt0.5/Rm≤0.85)、高均匀延伸(uEL≥10％)的特征，但是其生产过程中需要经历两次弛豫阶段，水冷前20～60s、水冷后40～60s，生产效率低。
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。该方法要求轧制分两阶段进行，粗轧展宽阶段总压下率为5～20％，粗轧展宽后至待温前总压下率60～75％，同时确保展宽后至待温前的纵轧道次压下率逐渐上升，且单道次压下率为15～32％，最后2个道次压下量为25～32％；精轧阶段总压下率为65～80％，单道次压下率逐渐减少，且最后1道次压下率为10～13％；轧后钢板冷却采用超快冷+层流冷却联动工艺，冷却速率28～35℃/s，对冷却水温度有要求10～16℃；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％；钢板组织以针状铁素体为主，纵向屈强比0.80、均匀延伸率12.6％，管体纵向屈强比0.80、均匀延伸率7.3％。该论文所展现的现有技术不适用于生产大厚径比钢管用钢板。
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不适合生产大厚径比钢管用钢板等缺点。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L485M热轧钢板，并且钢板具有高应变特征。
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应变L485M海洋管线管用热轧钢板及制造方法；所生产的钢板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。
为了保证海洋环境铺设的油气输送管线管的安全，需要使用具有高应变特征的大壁厚钢板来制作钢管。本发明通过合理的成分设计、控轧控冷等工艺匹配，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适合生产大厚径比钢管用钢板等缺点。
一种高应变L485M海洋管线管用热轧钢板，该钢板的成分按重量百分比计如下：C0.03％～0.09％，Si 0.10％～0.40％，Mn 1.50％～1.90％，Nb 0.02％～0.08％，N0.001％～0.004％，Ti 0.01％～0.04％，Al 0.025％～0.045％，P≤0.010％，S≤0.005％，Cu 0.10％～0.50％，Mo 0.05％～0.35％，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。
所述钢板显微组织为铁素体、贝氏体复合组织，铁素体体积分数为15％～45％，铁素体晶粒尺寸5～8μm，钢板屈强比Rt0.5/Rm为0.70～0.80。
所述热轧钢板厚度t≥31.8mm，采用该钢板制造直径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0.03％～0.09％。
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1.50％～1.90％。
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％。
N：钢中N元素除了形成细小的TiN颗粒细化奥氏体晶粒外，并没有其它明显的作用，因此需要保持在一个较低的含量水平，本发明选取的N含量范围0.001％～0.004％。
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 0.05～0.35％、Cu 0.10％～0.50％、Ni0.10％～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应变L485M海洋管线管用热轧钢板的制造方法，包括冶炼、连铸、板坯再加热、控制轧制、控制冷却；
(1)板坯再加热：本发明采用的连铸坯厚度t'为250-300mm，钢坯经过清理后，进行再加热，钢坯出炉温度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℃；粗轧阶段单道次变形率εr范围为15％～23％，且(εrmax-εrmin)/εrmax≤0.2；精轧开轧温度Tfs范围为800～850℃，精轧终轧温度Tff范围为780～820℃；精轧阶段单道次变形率εf范围为9％～19％，，累积变形率εtf范围为50％～75％，且(εfmax-εfmin)/εfmax≤0.2；
其中εrmax为粗轧阶段单道次最大变形率，εrmin为粗轧阶段单道次最小变形率，εfmax为精轧阶段单道次最大变形率，εfmin为精轧阶段单道次最小变形率；
轧制过程中即粗轧及精轧各阶段中最大道次变形率与最小道次变形率之差不超过20％可以保证轧制变形每个道次都传递到钢板厚度的相同位置，有助于保证变形抗力均匀分布，降低轧制抗力与优化板形；
进一步，所述步骤(2)控制轧制过程中压缩比t'/t不超过9.43。
(3)控制冷却：开冷温度Tcs范围为670～740℃，终冷温度Tcf范围为150～550℃，冷却速度Sc范围为5～20℃/s；
采用本发明生产的高应变L485M海洋管线管用热轧钢板厚度t≥31.8mm的钢板，压缩比t'/t不超过9.43；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。
采用上述的成分、控轧控冷方案，克服了现有技术存在的缺陷，实现了满足高应变海管用L485M钢板的生产与应用。
为了满足高应变海洋管用L485M钢板所需的性能，本发明采用了低C低Mn，Nb与Ti复合微合金化，Cr、Mo、Cu与Ni复合合金化，不添加V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、控制冷却技术，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。
本发明的有益效果在于：
(1)采用低C低Mn，复合添加Cu、Ni、Cr、Mo、Nb、Ti，不添加V的成分设计，有效地降低了生产成本。
(2)采用两阶段控轧的TMCP工艺来生产铁素体、贝氏体为主要组织的热轧钢板。
(3)钢板横向力学性能可以达到如下要求：屈服强度Rt0.5为485～630MPa，抗拉强度Rm为570～760MPa，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400～550MPa，抗拉强度Rm为550～700MPa；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→空冷至室温。
(1)板坯再加热：连铸坯厚度为250-300mm，连铸坯经过清理后进行再加热，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℃；粗轧阶段单道次变形率εr为15％～23％，且(εrmax-εrmin)/εrmax≤0.2；精轧开轧温度范围为800～850℃，精轧终轧温度为780～820℃；精轧阶段单道次变形率εf为9％～19％，累积变形率为50％～75％，且(εfmax-εfmin)/εfmax≤0.2；
其中εrmax为粗轧阶段单道次最大变形率，εrmin为粗轧阶段单道次最小变形率，εfmax为精轧阶段单道次最大变形率，εfmin为精轧阶段单道次最小变形率；
(3)控制冷却：开冷温度为670～740℃，终冷温度为150～550℃，冷却速度为5～20℃/s。
所述步骤(2)控制轧制过程中压缩比不超过9.43。
本发明实施例钢的成分见表1。本发明实施例钢控扎主要工艺参数见表2。本发明实施例钢控冷主要工艺参数见表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。应用本发明生产的管线钢管径及管径比见表6。
表1本发明实施例钢的成分(wt％)
Figure BDA0002416956560000081
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
Figure BDA0002416956560000082
Figure BDA0002416956560000091
表3本发明实施例钢本发明实施例钢控冷主要工艺参数
Figure BDA0002416956560000092
表4本发明实施例钢的横向力学性能
Figure BDA0002416956560000093
表5本发明实施例钢的纵向力学性能
Figure BDA0002416956560000094
Figure BDA0002416956560000101
表6应用本发明生产的管线钢管径及管径比
实施例 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)

1.一种高应变L485M海洋管线管用热轧钢板，其特征在于，该钢板的成分按重量百分比计如下：C 0.03%~0.09%，Si 0.10%~0.40%，Mn 1.50%~1.90%，Nb 0.02%~0.03%，N 0.001%~0.004%，Ti 0.01%~0.04%，Al 0.025%~0.045%，P≤0.010%，S≤0.005%，Cu 0.10%~0.50%，Mo0.05%~0.35%，Cr 0.40%~0.45%，Ni 0.10%~0.50%，其余为Fe以及不可避免的杂质元素；该钢板的制造方法包括冶炼、连铸、板坯再加热、控制轧制、控制冷却；
（1）板坯再加热：连铸坯厚度为250-300mm，连铸坯经过清理后进行再加热，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℃；粗轧阶段单道次变形率εr为21%~23%，且(εrmax-εrmin)/ εrmax≤0.2；精轧开轧温度范围为800~850℃，精轧终轧温度为780~820℃；精轧阶段单道次变形率εf为9%~19%，累积变形率为50%-54.8%，且(εfmax-εfmin)/ εfmax≤0.2；
其中εrmax为粗轧阶段单道次最大变形率，εrmin为粗轧阶段单道次最小变形率，εfmax为精轧阶段单道次最大变形率，εfmin为精轧阶段单道次最小变形率；
（3）控制冷却：开冷温度为670~740℃，终冷温度为475~550℃，冷却速度为5~11℃/s；
所述热轧钢板显微组织为铁素体、贝氏体复合组织，铁素体体积分数为15%~45%，铁素体晶粒尺寸5~8µm，所述钢板屈强比为0.70~0.80；所述热轧钢板厚度t≥32mm，采用该钢板制造直径D≤750mm的钢管，钢管厚径比t/D不低于0.0424；钢板横向抗拉强度Rm570-645MPa；钢板纵向抗拉强度Rm550-635MPa；钢板横向-20℃冲击吸收能KV8大于380J；
所述步骤（2）控制轧制过程中压缩比不超过9.43。
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