CN112126849A - 一种具有高强韧性的含稀土La和Ce元素的X90管线钢及其轧制方法 - Google Patents

一种具有高强韧性的含稀土La和Ce元素的X90管线钢及其轧制方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于钢铁材料领域，具体涉及一种具有高强韧性的含稀土La和Ce元素的X90管线钢及其轧制方法。该钢的化学成分如下：C：0.040～0.055％；Si：0.20～0.30％；Mn：1.6～1.8％；Cu：0.20～0.30％；Ni：0.30～0.40％；Mo：0.20～0.30％；Cr：0.30～0.40％；Nb：0.07～0.09％；Ti：0.01～0.03％；La+Ce：0.0040～0.0060％；P≤0.0050％；S≤0.0010％；O≤0.0010％；余量为Fe。本发明通过在超纯净钢(超低O和S含量)中添加稀土La和Ce元素，控制冶炼、铸造、轧制以及冷却工艺得到的管线钢具有良好的拉伸性能、低温冲击性能。热轧钢板组织为超细针状铁素体组织，有效晶粒尺寸小于2μm。

Description

一种具有高强韧性的含稀土La和Ce元素的X90管线钢及其轧 制方法
技术领域
本发明属于钢铁材料领域，具体涉及一种具有高强韧性的含稀土La和Ce元素的X90管线钢及其轧制方法。
背景技术
管线输送是长距离输送石油、天然气最经济、高效、安全和环保的运输方式。20世纪80年代以来，天然气管线敷设的增长速度已经超过石油等液体输送管线的增长速度，并呈不断增长的趋势。目前，全世界管道总长度已超过280多万公里，并以平均每年超过5000km左右的速度增长，每年用于管道建设的工程投资达400亿美元。
管道运输以便捷、经济和安全的特点用于高压、长距离输送石油和天然气。近几年来，高钢级、大口径管线钢被应用于长距离输送，以提高输送效率，节约经济成本。
由于全世界对能源需求的不断增加，人们正在偏远地区寻找和开发新的油气田，与此相配套的管道多是在气候恶劣、人烟稀少、地质地貌极其复杂的地区建设。如美国横穿阿拉斯加的管道，途径冰冻土地区，气温低达-70℃。前苏联1985年所建的西西伯利亚-中央输气管线，途经常年冻土区，气温达-63℃，积雪70～90cm，在全长4451km的线路中，有959km通过沼泽，749km通过水障碍。近年来我国正进一步加快“东北、西北、西南、海上”四大油气能源战略通道建设。其中，东北、西北通道途经高寒地区，严酷的低温施工和服役条件要求管道必须具备优良的低温韧性。我国在高钢级、厚规格管线钢等方面已取得长足进步，但适用于高寒地区的高钢级管线钢领域尚属空白，亟待开发，以满足我国油气开采与储运发展的迫切需求，保障国家能源发展战略安全实施。
只有具备优良的韧性和高强度，才能防止输气管道爆破等灾难性事故的发生，从而保证低温高压环境下安全输送能源。管道韧性断裂行为是管道设计中保障管线钢在高压环境安全工作的首要考虑的问题。在钢铁工业中，常用夏比冲击试验或落锤撕裂试验来表征钢的韧性断裂抗力。在实际应用中往往会出现随着管线钢强度的提高，低温韧性降低的情况。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超纯净、组织均匀细小、同时拥有高强度和高韧性的含稀土La和Ce元素的X90管线钢及其轧制方法，在保证高强度的同时拥有良好的低温韧性，能够在低温高压环境下安全输送能源。
本发明的技术方案是：
一种具有高强韧性的含稀土La和Ce元素的X90管线钢，按重量百分比计，该钢的化学成分如下：
C：0.040～0.055％；Si：0.20～0.30％；Mn：1.6～1.8％；Cu：0.20～0.30％；Ni：0.30～0.40％；Mo：0.20～0.30％；Cr：0.30～0.40％；Nb：0.07～0.09％；Ti：0.01～0.03％；La+Ce：0.0040～0.0060％；P≤0.0050％；S≤0.0010％；O≤0.0010％；余量为Fe。
所述的具有高强韧性的含稀土La和Ce元素的X90管线钢，Nb+Ti≤0.12％。
所述的具有高强韧性的含稀土La和Ce元素的X90管线钢，Cu+Ni+Mo+Cr：1.20～1.30％。
所述的具有高强韧性的含稀土La和Ce元素的X90管线钢的轧制方法，包括如下步骤：
(1)加热：铸坯直接加热到1100～1200℃，保温1～1.5小时；
(2)再结晶区轧制：开轧温度1000～1050℃，累计压下量60～65％；
(3)非再结晶区轧制：开轧温度920～930℃，终轧温度740～760℃，累计压下量70～75％；
(4)控制冷却：冷却速度为15～25℃/s，终冷温度450～500℃。
所述的具有高强韧性的含稀土La和Ce元素的X90管线钢的轧制方法，X90管线钢的微观组织为超细针状铁素体组织，有效晶粒尺寸小于2μm。
所述的具有高强韧性的含稀土La和Ce元素的X90管线钢的轧制方法，X90管线钢的性能指标如下：屈服强度达到625MPa以上(优选为625～640MPa)，抗拉强度达到780MPa以上(优选为780～820MPa)，断后伸长率20～26％，断面收缩率72～78％，冲击吸收功达到250J以上(优选为250～280J)。
本发明的设计思想是：
本发明中稀土在钢中的作用主要为微合金化作用。净化作用是稀土在钢中的通用特点，主要表现在脱氧、脱硫和减少夹杂物等。还可以减少MnS夹杂，形成细小球状的稀土硫化物和氧硫化物。而稀土在已经相当纯净(超低O和S含量)的管线钢中将表现出不同于常规稀土钢的特点，即在微合金化作用方面起主要作用，主要表现为稀土原子在晶界偏聚与其他元素交互作用，引起晶界结构、化学成分和能量的变化，并影响其他元素扩散和新相形核长大，最终导致组织和性能发生变化。固溶稀土可以提高强度和硬度，还能够有效阻碍奥氏体中C的析出和扩散，从而细化组织。本发明控制稀土含量在0.0040～0.0060wt％。
C是微合金钢中有效的强化元素，还可以与微合金元素Nb、Ti形成细小弥散的碳化物，起到细化晶粒，进一步提高强度和韧性的作用。但是碳含量过高会影响材料的焊接性能以及低温韧性，所以碳含量不能过高，本发明控制碳在0.040～0.055wt％较为适宜。
Mn有固溶强化作用，还可降低γ-α相变温度，进而细化铁素体晶粒。添加1.0～1.5wt％Mn，γ-α相变温度降低50℃，还可细化铁素体晶粒并保持多边形；当添加1.5～2.0wt％Mn时，可获得针状铁素体组织。Mn还可提高韧性、降低韧脆转变温度，但是Mn含量过大会加速控轧钢板的中心偏析，从而引起钢板和钢管力学性能的各向异性，且导致抗氢致裂纹(HIC)性能的降低，本发明控制锰含量在1.6～1.8wt％较为适宜。
微合金元素Nb和Ti在控轧再热过程中，未溶的微合金元素Nb、Ti的碳、氮化物通过钉扎晶界而使奥氏体晶粒细化。在控轧过程中，可以阻止形变奥氏体的再结晶，从而通过由未再结晶奥氏体发生的相变而获得细小的相变组织。在冷却过程中，阻碍新相形成，降低铁素体转变温度，抑制多边形铁素体形成，促进针状铁素体形成。但Nb、Ti含量过高会引起成本明显增加，本发明控制Nb含量在0.07～0.09wt％，Ti含量在0.01～0.03wt％。
P、S在本发明中为有害元素，含量越低越好，本发明将P含量控制在0.0050wt％以下，S含量控制在0.0020wt％以下。
本发明的优点及有益效果是：
1、本发明的新型超纯净管线钢中添加了稀土La和Ce元素，起到细化晶粒的作用。
2、本发明采取低C高Nb合金化，在细化晶粒的同时，保证良好的焊接性能。
3、采取低的终轧温度和较快冷却速度，结合稀土和Nb等元素作用，有效晶粒尺寸小于2μm。
附图说明
图1为实施例1的钢板显微组织形貌图，显微组织为超细的针状铁素体。
图2为实施例2的钢板显微组织形貌图，显微组织为超细的针状铁素体。
图3为对比例1的钢板显微组织形貌图，显微组织为较细的针状铁素体。
图4为实施例1的钢板电子背散射衍射(EBSD)结果处理得到的组织中的大角度晶界分布图，根据该图计算得到的有效晶粒尺寸为1.68μm。
图5为实施例2的钢板组织中的大角度晶界分布图，根据该图计算得到的有效晶粒尺寸为1.75μm。
图6为对比例1的钢板组织中的大角度晶界分布图，根据该图计算得到的有效晶粒尺寸为2.45μm。
具体实施方式
在具体实施过程中，本发明通过在超纯净钢(超低O和S含量)中添加稀土La和Ce元素，控制冶炼、轧制以及冷却工艺得到的管线钢具有良好的拉伸性能、低温冲击性能。进一步地，对添加稀土La和Ce元素的实施例和未添加稀土元素的对比例，TMCP工艺基本相同的情况下，对热轧钢板进行拉伸和低温冲击性能测试。实施例的热轧钢板组织为超细的针状铁素体组织，有效晶粒尺寸小于2μm。对比例的热轧钢板组织为较细的针状铁素体组织，有效晶粒尺寸为2.4～3μm。
其中，TMCP工艺是指热机械控制工艺(Thermo Mechanical Control Process)，热轧过程中，在控制加热温度、轧制温度和压下量的控制轧制(CR Control Rolling)的基础上，实施控制冷却(加速冷却/ACC：Accelerated Cooling)。
下面，通过实施例和附图对本发明进一步详细阐述。
实施例1
本实施例中，X90管线钢采用真空感应炉进行冶炼。在冶炼时，添加La和Ce的混合稀土，La与Ce的质量比例为1:2，X90管线钢的化学成分如表1所示。
表1实施例1钢板的化学成分(wt％，余量为Fe)
C Si Mn P S O Nb Ti Cu Ni Mo Cr RE(La+Ce)
0.045 0.25 1.70 0.0040 0.0006 0.0005 0.09 0.03 0.28 0.32 0.28 0.35 0.0047
本实施例中，X90管线钢浇注铸坯经锻造后，直接加热到1200℃，保温1小时；保温后通过TMCP轧制成钢板，钢板的TMCP工艺表2所示。
表2实施例1钢板的TMCP工艺
Figure BDA0002644149950000041
经过检测，本实施例钢板的拉伸和冲击性能如表3所示。
表3实施例1钢板的拉伸和低温冲击性能
Figure BDA0002644149950000051
在轧板上切取金相试样，对纵截面进行磨制、抛光后，用浓度3wt％的硝酸酒精腐蚀，采用光学显微镜对显微组织进行观察。如图1所示，稀土X90管线钢显微组织为超细针状铁素体。如图4所示，对纵截面进行EBSD分析，对数据处理后得到大角度晶界分布图，计算可得有效晶粒尺寸为1.68μm。并且由表3可知，实施例1钢板的强度达到X90级别，低温冲击韧性良好，在-40℃时还拥有262J的冲击吸收功。
实施例2
本实施例中，X90管线钢采用真空感应炉进行冶炼。在冶炼时，添加La和Ce的混合稀土，La与Ce的质量比例为1:2，本实施例中X90管线钢的化学成分如表4所示。
表4实施例2钢板的化学成分(wt％，余量为Fe)
C Si Mn P S O Nb Ti Cu Ni Mo Cr RE(La+Ce)
0.055 0.21 1.64 0.0045 0.0007 0.0006 0.09 0.03 0.26 0.36 0.25 0.33 0.0058
本实施例中，X90管线钢浇注铸坯经锻造后，直接加热到1200℃，保温1小时；保温后通过TMCP轧制成钢板，钢板的TMCP工艺如表5所示。
表5实施例2钢板的TMCP工艺
Figure BDA0002644149950000052
经过检测，本实施例钢板的拉伸和冲击性能如表6所示。
表6实施例钢板的拉伸和低温冲击性能
Figure BDA0002644149950000053
如图2所示，显微组织为超细针状铁素体。大角度晶界分布如图5所示，计算可得有效晶粒尺寸为1.75μm。由表6可知，实施例2钢板的强度也达到X90级别，低温冲击韧性良好，在-40℃时还拥有278J的冲击吸收功。
对比例1
本对比例中，管线钢采用真空感应炉进行冶炼。管线钢的化学成分如表7所示。
表7对比例钢板的化学成分(wt％)
C Si Mn P S O Nb Ti Cu Ni Mo Cr Fe
0.051 0.24 1.73 0.0050 0.0006 0.0007 0.085 0.025 0.3 0.3 0.3 0.3 余
本对比例中，X90管线钢浇注铸坯经锻造后，直接加热到1200℃，保温1小时；保温后通过TMCP轧制成钢板，钢板的TMCP工艺如表8所示。
表8对比例钢板的TMCP工艺
Figure BDA0002644149950000061
经过检测，本对比例钢板的拉伸和冲击性能如表9所示。
表9对比例钢板的拉伸和冲击性能
Figure BDA0002644149950000062
如图3所示，对比例1显微组织为较细的针状铁素体。大角度晶界分布如图6所示，计算可得有效晶粒尺寸为2.45μm。从表3、表6和表9对比得到，加入0.0040～0.0060wt％的La+Ce稀土元素，可以在同样轧制工艺的情况下同时提高强度和低温韧性，使管线钢在低温高压条件下安全服役。
实施例和对比例结果表明，本发明在传统控轧控冷的C-Mn-Nb系管线钢基础上，添加稀土La和Ce，优化轧制工艺，得到超细针状铁素体组织，在保证强度提高的同时，保持良好的低温冲击韧性。这种新型管线钢有望成为兼具高强韧性的理想的石油天然气集输和输送用材料，具有重要的经济和社会意义。

Claims (6)

1.一种具有高强韧性的含稀土La和Ce元素的X90管线钢，其特征在于，按重量百分比计，该钢的化学成分如下：
C：0.040～0.055％；Si：0.20～0.30％；Mn：1.6～1.8％；Cu：0.20～0.30％；Ni：0.30～0.40％；Mo：0.20～0.30％；Cr：0.30～0.40％；Nb：0.07～0.09％；Ti：0.01～0.03％；La+Ce：0.0040～0.0060％；P≤0.0050％；S≤0.0010％；O≤0.0010％；余量为Fe。
2.按照权利要求1所述的具有高强韧性的含稀土La和Ce元素的X90管线钢，其特征在于，Nb+Ti≤0.12％。
3.按照权利要求1所述的具有高强韧性的含稀土La和Ce元素的X90管线钢，其特征在于，Cu+Ni+Mo+Cr：1.20～1.30％。
4.一种权利要求1至3之一所述的具有高强韧性的含稀土La和Ce元素的X90管线钢的轧制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)加热：铸坯直接加热到1100～1200℃，保温1～1.5小时；
(2)再结晶区轧制：开轧温度1000～1050℃，累计压下量60～65％；
(3)非再结晶区轧制：开轧温度920～930℃，终轧温度740～760℃，累计压下量70～75％；
(4)控制冷却：冷却速度为15～25℃/s，终冷温度450～500℃。
5.按照权利要求4所述的具有高强韧性的含稀土La和Ce元素的X90管线钢的轧制方法，其特征在于，X90管线钢的微观组织为超细针状铁素体组织，有效晶粒尺寸小于2μm。
6.按照权利要求4所述的具有高强韧性的含稀土La和Ce元素的X90管线钢的轧制方法，其特征在于，X90管线钢的性能指标如下：屈服强度达到625MPa以上，抗拉强度达到780MPa以上，断后伸长率20～26％，断面收缩率72～78％，冲击吸收功达到250J以上。
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