CN111876696B - 一种服役温度可达-60℃以下的x100管件用钢板及其制造方法 - Google Patents

一种服役温度可达-60℃以下的x100管件用钢板及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种服役温度可达‑60℃以下的X100管件用钢板，元素成分为C：0.07～0.09％、Mn：1.9～2.1％，Si：≤0.45％，S：≤0.001％，P：≤0.008％，Nb：0.04～0.07％、Ti：≤0.015％、V：0.04～0.10％，Alt：≤0.06％，N:≤0.0040％，O：≤0.004％，Mo：0.5～0.7％，Cu：≤0.30％、Ni：0.65～1.0％，Cr：≤0.55％，余量为Fe及不可避免的杂质元素，碳当量Ceq：0.56～0.60，冷裂纹敏感指数：Pcm：0.23～0.28。产品微观组织以低碳贝氏体为主+少量马氏体，‑55℃横向冲击功≥150J，‑60℃横向冲击功≥148J。制造流程：配比备料→进行转炉或电炉冶炼→炉外精炼→连铸→板坯再加热→特定TMCP工艺→调质处理。

Description

一种服役温度可达-60℃以下的X100管件用钢板及其制造 方法
技术领域
本发明涉及X100管线钢，尤其涉及一种服役温度可达-60℃下X100管件用钢板及其制造方法。
背景技术
世界需求的能源中石化能源还占能源结构中的主体地位，经济的增长极大得带动了化石能源需求的急速增长，这也促进了长距离输送管线的发展，为提高输送效率，降低投资，长距离石油天然气输送管线用钢的发展趋势是向高强度或超高钢级发展以及大口径方向发展。目前广泛使用的管线钢最高钢级为X80钢级。一项管道工程除直管段外，还包括用来改变管道方向的弯管和管件等。由于管件的特殊性，为确保管道安全，管件通常需要足够的安全系数进行设计，通常要求更高钢级或更厚的钢板制造，但采用更厚的钢板时，因受到连铸等因素，最终壁厚将受到较大限制，因而提高钢级成为发展主题。以中俄东管道工程为例，其管件用钢的最大壁厚达到57mm，这对连铸而言是较大挑战，若采用X100钢丝的钢板，则壁厚将可以减小到46mm左右。因此，无论从成分和可行性方面，提高钢级将是一项不错的选择。但采用X100管件用钢时，其低温韧性特别是服役温度达到-50℃甚至更低的环境对X100管件用钢而言是一大挑战。
申请专利号为CN 104328357A公开了一种Ni-Mo低温高韧性X100管件用钢板及其制造方法，该专利解决了低温环境的冲击性能波动问题，并具有较好的低温高韧性，但其提到的服役温度为-46℃，不具备更低的服役环境。
为确保超高钢级在更低服役温度下的使用，除在组织上可能需要优化外，更需要通过冶炼和连铸工艺来进一步净化钢液，从而确保钢的最终冲击韧性。
发明内容150L/min
本发明的目的是要提供一种服役温度可达-60℃的X100管件用钢板及其制造方法。
本发明的技术方案为：本发明的X100管件用钢板，采用的元素成分按质量百分比计为C：0.07～0.09％、Mn：1.9～2.1％，Si：≤0.45％，S：≤0.001％，P：≤0.008％，Nb：0.04～0.07％、Ti：≤0.015％、V：0.04～0.10％，Alt：≤0.06％，N:≤0.0040％，O：≤0.004％，Mo：0.5～0.7％，Cu：≤0.30％、Ni：0.65～1.0％，Cr：≤0.55％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。
本发明X100钢板的生产厚度为22-58mm；微观组织以低碳贝氏体(回火贝氏体)为主+少量马氏体，屈服强度725-810MPa；抗拉强度825-880MPa，屈强比≤0.93，板样延伸率≥34％，-55℃横向冲击功≥150J，-60℃横向冲击功≥148J。有横向冲击功数值确保其服役极限温度可达到-60℃。
本发明采用低含量碳C、高含量锰Mn，即“低碳高锰设计”，通过加入微量Nb、Ti等微合金化元素，同时加入一定量Mo、Cu、Ni等元素，特别采用钢的净化技术并结合TMCP工艺，以最终保证各项力学性能，尤其是高碳当量系列低温冲击韧性，其主要的基本元素作用如下：
C：C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，但对钢的韧性及延性以及焊接性能带来不利影响，因此管线钢的发展趋势是近可能降低C含量，但考虑到热煨工艺及强度及韧性的匹配关系，将C含量控制在0.07～0.09％。
Mn：通过固溶强化提高钢的强度，是管线钢中弥补因C含量降低而引起强度损失的最主要的元素，Mn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，Mn也是提高钢的淬透性元素。考虑到检验过程中发现Mn偏析对抗HIC性能不利，但同时考虑到热煨工艺同时兼顾到强度要求，本发明中Mn含量设计在1.90～2.10％范围,为缓解因Mn较高所带来的中心偏析，连铸时采用轻压下。
Nb：是现代微合金化钢特别是管线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。通过Nb的固溶拖曳及热轧过程中的Nb(C，N)应变诱导析出可阻碍形变奥氏体的回复、再结晶，经TMCP使未再结晶区轧制的形变奥氏体在相变时转变为细小相变产物，以使钢具有高强度和高韧性。
V：具有较高的析出强化和较弱的晶粒细化作用，在Nb、V、Ti三种微合金化元素中复合使用时，V主要起析出强化作用。
Ti：是强的固N元素，Ti/N的化学计量比为3.42，利用0.02％左右的Ti就可固定钢中60ppm以下的N，在板坯连铸过程中即可形成TiN析出相，这种细小的析出相可有效阻止板坯在加热过程中奥氏体晶粒的长大，有助于提高Nb在奥氏体中的固溶度，同时可改善焊接热影响区的冲击韧性，是管线钢中不可缺少的元素，但过高的Ti会形成大的TiN质点，影响落锤性能，因此本申请专利将Ti控制在≤0.015％，同时考虑到Ti对焊接有利，因此Ti含量不低于0.09％。
Mo：可推迟γ→α相变时先析出铁素体相的形成，促进针状铁素体形成的主要元素，对控制相变起到重要作用，同时也是提高钢的淬透性元素。在一定的冷却速度和终冷温度下通过添加一定Mo即可获得明显的针状铁素体或贝氏体组织，考虑到TMCP工艺和后续调质处理，Mo的最低含量控制在0.5-0.6％。
S、P：是管线钢中不可避免的杂质元素，希望越低越好，通过超低硫及Ca处理改变硫化物形态可使管线钢具有很高的冲击韧性。
Cu、Ni：可通过固溶强化提高钢的强度，Ni的加入一方面可提高钢的韧性，同时改善Cu在钢中易引起的热脆性，Ni含量控制在0.65-1.0％。
Cr：Cr的加入可提高钢的淬透性，且相对经济。
其中：
碳当量Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15＝0.56～0.60。
冷裂纹敏感指数：Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Mo/15+V/10+5B＝0.23～0.28。
本发明X100管件用钢板的制造方法，包括如下步骤：
(1)钢水冶炼：将冶炼原料依次经KR铁水预处理、转炉冶炼、LF精炼、RH真空精炼得到钢水，其中，精炼时采用Ca处理，Ca/S不低于1，RH真空精炼结束后钢水采用软吹氩，让钢水经Ca处理后产生的夹杂物充分上浮；
(2)连铸：将钢水浇注成连铸坯，连铸坯厚度不小于350mm，连铸时采用高碱度中间包保护渣，碱度R＝CaO/SiO2为6-8，确保钢在进入中间包时利用钢液上浮时对其中的夹杂物进行吸附，从而将钢中夹杂物直径控制在20um以下，且夹杂物含量得以大幅降低，B类夹杂评级不高于0.5级且A+B+C+D总评级不高于1.5级；
(3)板坯再加热：使连铸坯组织完全奥氏体化，元素充分固溶；
(4)TMCP控轧：包括两阶段轧制：第一阶段为再结晶区轧制，开轧温度不低于1100℃，再结晶区轧制时控制连续两至三道次的单道次压下率不低于20％；中间坯的厚度为不低于3.0h，h为成品厚度；第二阶段为非再结晶区轧制，开轧温度不高于880℃，终轧温度控制在760-850℃，此终轧温度区间能够实现利用累积变形效应产生相变从而有利于软相的析出；
(5)轧后冷却：以水冷方式冷却钢板，开始冷却温度不高于810℃，终止水冷的冷却温度不高于500℃，冷却速度为10～35℃/s；冷却后矫直，最后空冷至室温；
(6)热处理：包括淬火和回火，淬火加热温度为880-950℃，淬火在炉时间为3.5-4.0min/mm，回火加热温度为500-700℃，回火在炉时间为4.5-21min/mm，出炉后空冷至室温获得钢板成品，钢板成品组织主要为回火贝氏体，或并存马氏体，晶粒度在10级以上。
优选地，步骤(1)软吹氩的净吹时间不低于25min，且吹氩强度为100-150L/min。
优选地，步骤(2)连铸时控制浇注过热度为10-17℃，连铸过程中采用轻压下，压下量不低于14mm，由此控制连铸坯中心偏析，中心偏析不得高于C0.5。
优选地，步骤(3)将连铸坯放入加热炉内加热，加热炉分预约段、加热段和均热段，其中二加段温度控制在1250-1300℃，均热段控制在1180-1220℃。
优选地，步骤(4)中，再结晶区轧制的开轧温度为1050-1080℃，非再结晶区轧制的开轧温度为810-850℃。
优选地，步骤(5)中水冷的终冷温度区间是400-500℃。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明钢水冶炼和连铸时采用的措施能够确保B类夹杂评级不高于0.5级且A+B+C+D总评级不高于1.5级外，确保夹杂物直径经轧制后的直径不高于20um。
(2)本发明的X100钢级属于超强度管线钢，且厚度达到58mm，本发明优选以低碳贝氏体为主的微观组织设计，实现了在如此厚度的情况下满足超高强度需求。进一步地，为了要满足-60℃低温服役条件，根据断裂理论，需要进一步净化钢液，消除较大的夹杂物颗粒，降低低温冲击裂纹敏感性和提高裂纹扩展阻力，从而依然获得回火贝氏体组织下依然具有较高的低温冲击韧性。基于该设计思路，要获得更高韧性需要进一步在精炼和连铸方面进一步净化钢液。
(3)本发明碳当量和冷裂纹敏感指数显示，本发明的X100钢板作为连接管件与主体管道焊接匹配性理想。
附图说明
图1为本发明X100管件用钢板的典型金相组织。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
实施例1
本实施例X100管件用钢板厚度为58mm，其元素成分按照质量百分比计量具体是C：0.07％、Mn：2.1％，Si：0.30％，S：0.0005％，P：0.005％，Nb：0.045％、Ti：0.015％、V：0.05％，Alt：0.045％，N:0.0035％，O：0.0015％，Mo：0.55％，Cu：0.25％、Ni：0.95％，Cr：0.30％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。
制造工艺为：按照上述钢板成品的化学组分配置冶金原料并依次进行KR铁水预处理，转炉冶炼、精炼、RH、连铸，精炼时采用Ca处理，Ca/S不低于1，RH真空精炼结束后钢水采用软吹氩，净吹时间30min，吹氩强度为100L/min，让钢水经Ca处理后产生的夹杂物充分上浮。连铸时采用高碱度中间包保护渣，碱度R＝CaO/SiO2为6-8，确保钢在进入中间包时利用钢液上浮时对其中的夹杂物进行吸附，从而将钢中夹杂物直径控制在20um以下，降低夹杂物含量，B类夹杂评级不高于0.5级且A+B+C+D总评级不高于1.5级。连铸时控制浇注过热度为10-17℃，连铸过程中采用轻压下，压下量不低于14mm，由此控制连铸坯中心偏析，中心偏析不得高于C0.5，连铸坯厚度350mm。
制成的连铸坯入加热炉再加热，加热炉分预约段、加热段和均热段，其中二加段温度控制在1250-1300℃，均热段控制在1180℃，出炉后除鳞，而后进行两阶段轧制；第一阶段采用再结晶轧制，开轧温度不低于1100℃，终轧温度1050℃；待温厚度是钢板成品厚度的3倍以上，累积变形率为66％；第二阶段采用非再结晶轧制，开轧温度为820℃，终轧温度在780℃，轧至最终厚度，轧制完成后，将钢板冷却到500℃，冷却速率为17℃/s，矫直后空冷至室温。最后对钢板进行调质处理，淬火加热温度为930℃，淬火时间为3.7min/mm，回火加热温度为550℃，回火时间为12min/mm，出炉后空冷至室温获得钢板成品，经上述制造工艺获得的58mm厚的钢板，具有优异的高强度，低温高韧性，服役温度可达到-60℃，并与主体管线具有很好的焊接匹配性，综合性能优异，其力学性能详见表1。
实施例2
本实施例X100管件用钢板厚度为36mm，其化学成分按照质量百分比具体是C：0.09％、Mn：1.9％，Si：0.30％，S：0.0005％，P：0.006％，Nb：0.055％、Ti：0.015％、V：0.08％，Alt：0.045％，N:0.0035％，O：0.0015％，Mo：0.7％，Cu：0.30％、Ni：0.65％，Cr：0.45％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。
制造工艺为：按照上述钢板成品的化学组分配置冶金原料并依次进行KR铁水预处理，转炉冶炼、精炼、RH、连铸，精炼时采用Ca处理，Ca/S不低于1，RH真空精炼结束后钢水采用软吹氩，净吹时间25min，吹氩强度为150L/min，让钢水经Ca处理后产生的夹杂物充分上浮。连铸时采用高碱度中间包保护渣，碱度R＝CaO/SiO2为6-8，确保钢在进入中间包时利用钢液上浮时对其中的夹杂物进行吸附，从而将钢中夹杂物直径控制在20um以下，降低夹杂物含量，B类夹杂评级不高于0.5级且A+B+C+D总评级不高于1.0级。连铸时控制浇注过热度为10-17℃，连铸过程中采用轻压下，压下量不低于14mm，由此控制连铸坯中心偏析，中心偏析不得高于C0.5，连铸坯厚度350mm。
制成的连铸坯入加热炉再加热，充分固溶，均热段温度1180℃，出炉后进行两阶段轧制；第一阶段采用再结晶轧制，开轧温度不低于1100℃，终轧温度1080℃，连续两至三道次的单道次压下率不低于20％；待温厚度是钢板成品厚度的3倍以上，累积变形率为66％；第二阶段采用非再结晶轧制，开轧温度为820℃，终轧温度在780℃，轧制完成后，将钢板冷却到500℃，冷却速率为17℃/s，矫直后空冷至室温。最后对钢板进行调质处理，淬火加热温度为910℃，淬火时间为3.5min/mm，回火加热温度为550℃，回火时间为12min/mm，出炉后空冷至室温获得钢板成品，经上述制造工艺获得的36mm厚的钢板，具有优异的高强度，低温高韧性，服役温度可达到-60℃，并与主体管线具有很好的焊接匹配性，综合性能优异，其力学性能详见表1。
表1
Figure BDA0002598209290000061
尽管以上详细地描述了本发明的优选实施例，但是应该清楚地理解，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种服役温度可达-60℃以下的X100管件用钢板的制造方法，其特征在于：所述钢板的元素成分按质量百分比计为C：0.07～0.09%、Mn：1.9～2.1%，Si：≤0.45%，S：≤0.001%，P：≤0.008%，Nb：0.04～0.07%、Ti：≤0.015%、V：0.04～0.10%，Alt：≤0.06%，N: ≤0.0040%，O：≤0.004%，Mo：0.5～0.7%，Cu：≤0.30%、Ni：0.65～1.0%，Cr：≤0.55%，余量为Fe及不可避免的杂质元素，碳当量Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15=0.56～0.60，冷裂纹敏感指数：Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Mo/15+V/10+5B=0.23～0.28；
所述钢板的制造方法包括如下步骤：
（1）钢水冶炼：将冶炼原料依次经KR铁水预处理、转炉冶炼、LF 精炼、RH 真空精炼得到钢水，其中，精炼时采用Ca处理，Ca/S不低于1，RH真空精炼结束后钢水采用软吹氩，让钢水经Ca处理后产生的夹杂物充分上浮；
（2）连铸：将钢水浇注成连铸坯，连铸坯厚度不小于350mm，连铸时采用高碱度中间包保护渣，碱度R=CaO/SiO2为6-8，确保钢在进入中间包时利用钢液上浮时对其中的夹杂物进行吸附，从而将钢中夹杂物直径控制在20um以下，且夹杂物含量得以大幅降低，B类夹杂评级不高于0.5级且A+B+C+D总评级不高于1.5级；
（3）板坯再加热：使连铸坯组织完全奥氏体化，元素充分固溶；
（4）TMCP控轧：包括两阶段轧制：第一阶段为再结晶区轧制，开轧温度不低于1100℃，再结晶区轧制时控制连续两至三道次的单道次压下率不低于20%；中间坯的厚度为不低于3.0h，h为成品厚度；第二阶段为非再结晶区轧制，开轧温度不高于880℃，终轧温度控制在760-850℃，此终轧温度区间能够实现利用累积变形效应产生相变从而有利于软相的析出；
（5）轧后冷却：以水冷方式冷却钢板，开始冷却温度不高于810℃，终止水冷的冷却温度不高于500℃，冷却速度为10～35℃/s；冷却后矫直，最后空冷至室温；
（6）热处理：包括淬火和回火。
2. 根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：钢板的生产厚度为22-58mm；微观组织以低碳贝氏体为主+少量马氏体，屈服强度725-810MPa；抗拉强度825-880MPa，屈强比≤0.93，板样延伸率≥34%， -55℃横向冲击功≥150J，-60℃横向冲击功≥148J。
3.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：步骤（1）软吹氩的净吹时间不低于25min，且吹氩强度为100-150L/min。
4.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：步骤（2）连铸时控制浇注过热度为10-17℃，连铸过程中采用轻压下，压下量不低于14mm，由此控制连铸坯中心偏析，中心偏析不得高于C0.5。
5.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：步骤（3）将连铸坯放入加热炉内加热，加热炉分预约段、加热段和均热段，其中加热段温度控制在1250-1300℃，均热段控制在1180-1220℃。
6. 根据权利要求1所述的制造 方法，其特征在于：步骤（4）中，再结晶区轧制的开轧温度为1050-1080℃，非再结晶区轧制的开轧温度为810-850℃。
7.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：步骤（5）中水冷的终冷温度区间是400-500℃。
8. 根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：步骤（6）中淬火加热温度为880-950℃，淬火在炉时间为3.5-4.0min/mm，回火加热温度为500-700℃，回火在炉时间为4.5-21min/mm，出炉后空冷至室温获得钢板成品，钢板成品组织主要为回火贝氏体，或并存马氏体，晶粒度在10级以上。
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