CN112126865A - 一种x80管线钢板的轧制方法 - Google Patents

Abstract

一种X80管线钢板的轧制方法，钢的化学成分质量百分数为C=0.03~0.08，Mn=1.40~1.7，S≤0.001，P≤0.01，Si=0.015~0.25，Nb≤0.1，V≤0.04，Ti=0.015~0.03，Alt=0.025~0.06，Mo+Ni+Cu+Cr=0.6~1.0，其余为Fe和不可避免的杂质元素；关键工艺包括加热与轧制。本发明采用低碳、低硫、低硅、低磷、Mo+Ni+Cu+Cr等微合金元素复合的化学成分设计理念，粗轧采用温度梯度轧制，精轧采用低温大压下轧制，轧后冷却采用三段式冷却方式，能生产出以QF+BF为主，少量MA，弥散分布，晶粒度11~12级，且厚度方向上不同位置组织大小均匀的微观组织，屈服强度500~550Mpa，‑20℃实验温度下DWTT单个值≥70%，均值≥85%的厚度38.5mm、宽度4336mm钢级为X80的低温（‑20℃）止裂性能优良的管线钢板。

Description

一种X80管线钢板的轧制方法

技术领域

本发明属于冶金技术领域，涉及一种大板宽大厚度低温止裂性能优良的X80管线钢板的轧制方法。

背景技术

在通过管道长距离输送大量原油和天然气的过程中，为了提高效益，降低成本，国际上较常用的一种方式就是扩大钢管的管径和增大壁厚。如中国1958年建设的第一条天然气输送管道，钢级是Gr.B，板宽500mm，厚度7.8mm，输送压力4.8Mpa。经过60多年的发展，中国正在建设的中俄东线黑河—上海天然气输送管道项目，钢级为X80，是目前安全运行最高钢级，板宽4330~4380，国际上最大板宽，同时也是中国首次采用，钢板厚度32.1mm，年输送量300亿m³/a。最近两年来，困扰天然气输送管道技术工作者们的一个难题是，板宽4330~4380mm，管径1422mm、厚度30mm以上的X80管线钢板止裂性能难以满足设计要求。行业有句话“厚度增加1公分，止裂性能难度就要增加100寸”。可想而知，对厚度38.5mm钢板止裂性能要求有多高。

管线钢板的止裂性能，根据美国石油协会APISPEC5L-2018管线钢规范，采用落锤撕裂实验（Drop-Weight Tear Test，简称“DWTT”，如图1所示）的方法，将一组（两个）尺寸为305±5mmⅹ76±3mmⅹ钢板公称厚度±1mm（长度ⅹ宽度ⅹ钢板公称厚度）的试样从缺口尖部至锤头接触处一次性完全断裂，试样断口韧性纤维面积占整个断面的百分比，该百分比大小来考察管线钢板的止裂性能，百分比越大其止裂性能越好。如西气东输四线管道工程项目用38.5mmⅹ4336mmX80管线钢板要求-20℃条件下，DWTT实验值要求单个值≥70%，均值≥85%，与中俄东线用钢板的要求相同。

西气东输四线管道工程项目用38.5mmⅹ4336mmX80管线钢板在低温-20℃实验条件下DWTT断口形貌如图2，韧性纤维面积占比60%~70%（黑色圈外的面积为韧性纤维面积），技术要求≥85%，合格率仅有45.8%。通过金相和扫描电镜对不合格DWTT试样微观组织进行分析，图3为试样1/4和1/2厚度位置在200倍下的金相组织。根据《X80管线钢带状组织评定方法》，1/4厚度位置有0.5级带状组织，1/2厚度位置的带状组织较严重，评定为1.5级，试样不同厚度位置硬相带状组织的差异与DWTT断口韧性纤维面积的差异存在对应关系，这主要是DWTT试样为横向，即垂直于带状组织的方向，当试样在锤击受力时在硬相带状组织处形成应力集中，产生裂纹，裂纹源沿带状组织的边界迅速扩展，呈现出脆性断口。图4为DWTT试样厚度方向1/4和1/2在扫描电镜下的显微组织。从SEM照片中可明显看出， 1/4和1/2位置均存在少量的准多边形铁素体（QF）、粒状贝氏体（GB）、板条状铁素体（BF）、退化的珠光体(P^，)和马奥岛（MA）等组织，且两位置均存在形变不充分，存在大块原奥氏体晶粒，在1/4厚度有30~40um的大尺寸多边形铁素体（PF），在1/2位置，尽管晶粒尺寸较1/4位置小，但MA量较多，且大小不一，分布不均。特别是存在PF组织晶粒度极不均匀性，容易引起裂纹的萌生和扩展，导致DWTT韧性纤维面积降低，同时GB是以铁素体为基的、晶内有碳化物析出的、对韧性不利的一种组织，且1/2处MA数量较多，对提高强度有好处，但降低冲击韧性，更能降低DWTT韧性纤维面积。

通过对该钢的金相和扫描电镜分析，影响该钢板DWTT实验值不能满足技术要求的主要问题点有：

1) 该钢板厚度方向不同位置存在硬相带状组织。

2)该钢板制造过程中有效压缩比较低，仅为3.82，采用铸坯厚度300mm、宽度

2270mm断面轧制板宽4336mm、厚度38.5mm钢板；变形不充分，特别是粗轧阶段的未再结晶区轧制，钢板厚度方向形变不充分，原奥氏体晶粒较大，导致最后钢板内部晶粒度大小严重不均匀。日本三本俊郎等研究表明，管线钢板要具有良好的止裂性能，轧制有效压缩比≥6，如果有效压缩比5~6，止裂性能不稳定，有效压缩比4~5，止裂性能极不稳定，有效压缩比小于4，不能实现止裂性能良好。

3) 该钢板厚度1/4位置存在30~40umPF，不同位置存在较多QF、GB和MA组织，

且分布不均匀，大小不一。这主要是原奥氏体晶粒粗大，同时精轧对原奥氏体晶粒的扁平化效果不佳，轧后冷却速度偏低和驱动力不足。

现有技术关于钢板止裂性能优良的制造方法主要有以下几种：

第一种，采用止裂韧度Kca值大小来考量钢板的止裂性能优劣的制造方法。该方法以大约只是在止裂和扩展之间的边界值6000N/mm1.5作为止裂韧度Kca值，大于该值就说明止裂性能良好，反之则止裂性能不良，如CN109055856A“止裂韧性钢板及制备方法”、CN109957721A“一种具有止裂性能的深海管线钢板及轧制工艺”、CN109576585A“一种大型集装箱船用EH47止裂钢及制造方法”、CN109023137A“一种脆性裂纹止裂性能优异的高强度钢板及其制造方法”等公开的专利技术，均采用Kca值大小来考量。该方法检测繁琐，实验结构复杂，实验结果稳定性不太高，同时钢板制造方法均采用传统的控轧控冷（ThermalMechanical Controll Processing，TMCP）两阶段轧制后进行快冷，轧制过程中钢坯绝大部分都在空气中冷却，组织调控手段较单一，但轧制压缩比均偏大，可以确保组织细化，满足钢板各项性能稳定，而对于压缩比偏小的钢板，采用传统的TMCP工艺，止裂性能及其不稳定。

第二种，采用冲击韧性、NDTT和CTOD等试验值来考察钢板的止裂性能。如CN102994874A“屈服强度500Mpa级高止裂性能钢板及其生产方法”和CN109128065A“一种深海管道用中厚钢板的生产方法”等，这些指标实验试样取自钢板厚度方向的1/4位置加工而成，不能真实反映钢板实物性能，不具备科学性和严谨性，同时轧制方法均采用常规TMCP工艺，对于压缩比偏小的钢板心部变心难以充分，原奥氏体晶粒较大，最后组织难以细化，钢板厚度方向的性能差异较大。

第三种，采用DWTT实验指标来检验钢板止裂性能的制造方法。

CN108396229A “一种X80管线钢宽厚板的生产方法”，其轧制方法采用常规两阶段轧制，即粗轧轧制温度≥1100℃，精轧采用低温低速低道次压下率轧制，终轧温度750~730℃，轧制速度≤4m/s，道次压下率，冷却采用前段快冷后段慢冷方式，前12m水冷却与后12m水冷区水量1.2:1，平均冷速12~16℃/S，返红温度320~380℃。该轧制方法粗轧轧制温度偏高，轧后原奥氏体晶粒粗大，精轧促使粗轧轧后奥氏体晶粒扁平化的效果有限，导致钢板晶粒度大小不均，低温止裂性能不稳定，同时精轧采用小于4m/s的轧制速度和道次压下率≤10%，生产节奏极慢，生产效率极低。另外冷却方法采用前快后慢，且冷速不高，对薄钢板没有问题，如果对厚度在35mm以上钢板，容易导致钢板心部冷不透，出现大量的铁素体，除强度难以满足外，DWTT断口容易出现分离沟，止裂性能难以保证。

CN108531814A公布了“一种大口径X80直缝埋弧焊管的制备方法”，粗轧温度≥1020℃，精轧温度≤920℃，终轧温度780~720℃，轧后弛豫30~50S，冷速10~16℃/S，返红400~500℃，最后还有回火处理。该轧制方法是常规的这两阶段控轧控冷方法，轧后弛豫，组织难以把握，极易导致先共析铁素体组织晶粒长大，不利于钢板各项性能的稳定，同时还要回火处理，增加制造成本。

CN104694850B“一种止裂性能优异的厚钢板及其制造方法”，该制造方法是实验室完成的，主要是“在钢板轧制的同时实施多次水冷，保证每次轧制时钢板表面的温度降至400~800℃，轧制结束后采用超快冷把钢板以≥15℃/s的冷速冷却至600~700℃”。该轧制方法是从加热炉出来后直接轧制到成品厚度，没有避开部分再结晶区轧制，容易出现混晶组织，同时每次轧制时钢板表面温度降至400~800℃，在轧制第一道次之前钢板表面奥氏体晶粒十分粗大时就发生了铁素体相变，这对钢板表面各项性能不利。但是在轧制道次较多情况下，厚度方向上的不同位置的晶粒度会细小，混晶现象不明显，对止裂性能影响不太大，而对于有效压缩比偏小，其轧制道次较少，混晶组织就会严重，对止裂性能影响较大，导致各项性能不稳定，所以该制造方法适用于厚度不大于30mm薄钢板。

总之，从目前已有发明专利的技术查阅来看，对板宽4336mm、厚度38.5mmX80管线钢的低温止裂性能（-20℃DWTT性能）优良的轧制方法缺少记载。

发明内容

本发明旨在提供一种大板宽大厚度低温止裂性能优良的X80管线钢板的轧制方法，满足对板宽4336mm、厚度38.5mmX80管线钢-20℃DWTT低温止裂性能要求。

本发明的技术方案：

一种X80管线钢板的轧制方法，钢的化学成分质量百分数为C=0.03~0.08，Mn=1.40~1.7，S≤0.001，P≤0.01，Si=0.015~0.25，Nb≤0.1，V≤0.04，Ti=0.015~0.03，Alt=0.025~0.06，Mo+Ni+Cu+Cr=0.6~1.0，其余为Fe和不可避免的杂质元素，关键轧制工艺步骤：

（1）加热：炉膛温度≤1150℃，铸坯表面温度1100℃出炉，且表面与心部温差≤30℃。

（2）轧制：粗轧采用温度梯度轧制，轧制7道次，第一道次铸坯表面温度1070~1090℃到最后一道次表面温度为890~910℃，温度梯度为28~32℃，每道次轧制压下率≥25%，轧制结束时铸坯厚度90~95mm；精轧开轧温度830℃, 轧制速度0.5~1.5m/s，每道次压下率≥15%，终轧温度650~720℃；冷却采用三段式冷却，开始冷却温度600~700℃，第一段冷却速度5~10℃/s，表面温度450~550℃，第二段为空冷至表面温度400~500℃，第三段为快速冷却，冷却速度30~50℃/s终冷温度300~350℃。

本发明的技术原理：本发明生产的目前最大板宽最大厚度的X80管线钢具有-20℃低温止裂性能优良的特点，组织为贝氏体铁素体+准多边形铁素体+少量弥散MA，晶粒度11~12级，细小均匀，无硬相带状组织。

轧制：粗轧采用温度梯度不但每道次铸坯表面比心部温度低30~50℃，而且下道次比上道次表面温度低30℃，每道次轧前铸坯表面将形成一层硬壳，这将更有利于轧制力的传递与渗透，促使铸坯中的树枝晶充分破碎，奥氏体组织细化到极致，在轧制过程中，更容易促进铸坯心部形变充分，完全再结晶更充分，随着轧制温度的逐渐降低，道次压下率不低于25%，完全保证了在再结晶临界压下率13%之上，使再结晶发生更完全，奥氏体晶粒更加细小，可以达到30~40um，精轧开轧温度830℃，属于未再结晶区轧制，主要原理是将原奥氏体晶粒拉长拉薄，形成密集型的细长变形带，增加铁素体形核率，细化铁素体晶粒，同时采用接近于两相区轧制，显著增加铁素体的形核点，通过位错强化和低温区微合金元素Nb、V等碳化物的形变诱导析出来提高强度。同时精轧采用低速轧制，上道次与下道次间隔短暂停留，将变形晶体发生回复及多变化，变形位错将重新排列或消失，回复过程导致在变形奥氏体中形成较小直径的位错胞状亚结构（或亚晶），同时析出相的体积分数逐渐增大，而基体中位错组态改变，密度逐渐下降。

冷却：位错与应变诱导析出颗粒都可能成为新相形核的优选位置，从而细化转变组织。轧后冷却采用三段式，第一段进行低冷速方式进行水冷，一是抑制奥氏体晶粒长大，二是可降低或消除硬相带状组织，促进准多边形铁素体形成而抑制珠光体相变，从而提高韧性。第二段冷却方式是空冷，由于此时表面温度450~550℃，心部为500~600℃，采用空冷，相当于自回火原理，消除部分应力，同时部分奥氏体已转变为细小的准多边形铁素体，当表面温度400~500℃时，立即采用30~50℃/s超大冷速快速冷却至300~350℃，超强的相变驱动力，对未相变的奥氏体细窄变形带进行最大限度的切割，形成细小均匀分布的晶粒，相变形成更细小贝氏体铁素体和有效的微合金析出物，即第二相离子析出和MA细小弥散分布，从而即达到韧性与强度最佳匹配，-20℃低温止裂性能优良。

本发明利用铸坯断面尺寸300mmⅹ2280mm，有效压缩比只有3.82条件下，采用低碳、低硫、低硅、低磷、Mo+Ni+Cu+Cr等微合金元素复合的化学成分设计理念，铸坯良好加热质量，粗轧采用温度梯度轧制，精轧采用低温大压下轧制，轧后冷却采用三段式冷却方式，产出以QF+BF为主，少量MA，弥散分布，晶粒度11~12级，且厚度方向上不同位置组织大小均匀的微观组织，屈服强度500~550Mpa，-20℃实验温度下DWTT单个值≥70%，均值≥85%的厚度38.5mm、宽度4336mm钢级为X80的低温（-20℃）止裂性能优良的管线钢板，其有益效果包括：

1）采用原有铸坯尺寸生产出-20℃低温止裂性能优良的目前最大板宽最大厚度的X80管线钢板，没有将设备升级改造，节约了大量资金。

2）粗轧采用温度梯度轧制和较大的压下率，精轧的低速轧制和三段式冷却方式，各关键控制参数固化，窗口较窄，最终以QF+BF为主，存在少量且弥散分布MA，没有硬相带状组织且晶粒度11~12级的微观组织，屈服强度稳定控制在500~550Mpa，各项性能稳定，合格率较高。

3）不仅粗轧采用大压下，精轧也采用大压下，轧制道次减少，轧制节奏加快，生产效率提高，为公司和社会效益最大化。

4）为大板宽大厚度管线钢板的各项性能提供强有力的技术支持，特别是止裂性能的稳定，极大改善了目前厚度32.1~38.5mm钢的止裂性能。

附图说明

图1 为DWTT试样及锤头和砧座尺寸图。

图2为板宽4336mm厚度38.5mmX80DWTT断口形貌图（-20℃）。

图3为试样不同厚度位置带状组织图（X200），其中图3（a）为厚度1/4 金相组织，图3（b）为厚度1/2 金相组织。

图4为试样不同厚度位置SEM照片（X1000），其中图4（a）o为厚度1/4 SEM照片，图4(b)为厚度1/2 SEM照片。

图5为板宽4346mm、厚度32.1mmX80管线钢板DWTT断口形貌图。

图6为板宽4340mm、厚度35.7mmX80管线钢板DWTT断口形貌图。

图7为板宽4336mm、厚度38.5mmX80管线钢板心部金相组织图。

图8为板宽4336mm、厚度38.5mmX80管线钢板心部电镜扫描SEM照片。

图9为板宽4336mm、厚度38.5mmX80管线钢板拉伸曲线图。

图10为板宽4336mm、厚度38.5mmX80管线钢板DWTT断口形貌图。

具体实施方式

下面结合实施例进一步说明本发明的内容：

实施例1：板宽4346mm、厚度32.1mmX80管线钢板的轧制方法

化学成分如表1，铸坯规格尺寸（厚ⅹ宽ⅹ长）300mmⅹ2770mmⅹ3850mm，其轧制关键工艺参数如下：

1）加热：

炉膛温度1088~1130℃，铸坯表面温度1100℃，心部1079℃。

2）轧制：

粗轧：轧制7道次，轧制结束时铸坯厚度85mm。各道次轧制温度及压下率如表2。

精轧：开轧温度830℃,共轧制9道次，各道次轧制速度分别是1.33 m/s、1.29 m/s、1.07 m/s、0.85 m/s、0.86 m/s、0.79 m/s、0.68 m/s、0.65 m/s和0.54 m/s，道次压下率15.4~21.3%，终轧温度687℃，成品厚度32.16mm（厚度公差-0.45~+1.3mm）。

冷却：精轧轧制结束后立即冷却，第一段开始冷却温度656℃，结束温度534℃，冷却速度8.3℃/s，第二段空冷至460℃时，又快速冷至350℃，冷速43.7℃/s。

经过拉伸实验和DWTT实验检测，屈服强度538Mpa，DWTT断口韧性纤维面积占比分别为89.3%和92.7%，均值91%，如图5。

实施例2：板宽4340mm、厚度35.7mmX80管线钢板的轧制方法

化学成分如表1，铸坯规格尺寸（厚*宽*长）300mm*2776mm*3770mm，其轧制关键工艺参数如下：

1）加热：

炉膛温度1069~1144℃，铸坯表面温度1100℃，心部1084℃。

2）轧制：

粗轧：轧制7道次，轧制结束时铸坯厚度90mm。各道次轧制温度及压下率如表3。

精轧：开轧温度830℃,共轧制9道次，各道次轧制速度分别是1.24 m/s、1.23 m/s、1.09 m/s、0.88 m/s、0.81 m/s、0.76 m/s、0.71 m/s、0.63 m/s和0.52 m/s，道次压下率在15.7~20.3%，终轧温度678℃，成品厚度35.73mm（厚度公差-0.45~+1.3mm）。

冷却：精轧轧制结束后立即冷却，第一段开始冷却温度658℃，结束温度530℃，冷却速度7.8℃/s，第二段空冷至470℃时，又快速冷至330℃，冷速38.8℃/s。

经过拉伸实验和DWTT实验检测，屈服强度533Mpa，DWTT断口韧性纤维面积占比分别为90.4%和93.5%，均值为92.0%，如图6。

实施例3：板宽4336mm、厚度38.5mmX80管线钢板的轧制方法

化学成分如表1，铸坯规格尺寸（厚ⅹ宽ⅹ长）300mmⅹ2780mmⅹ3780mm，其轧制关键工艺参数如下：

1）加热：

炉膛温度1080~1150℃，铸坯表面温度1100℃，心部1070℃。

2）轧制：

粗轧：轧制7道次，轧制结束时铸坯厚度95mm。各道次轧制温度及压下率如表4。

精轧：开轧温度830℃,共轧制9道次，各道次轧制速度分别是1.26 m/s、1.21 m/s、1.17 m/s、0.99 m/s、0.87 m/s、0.74m/s、0.65 m/s、0.58 m/s和0.50 m/s，道次压下率在15.1~20.0%，终轧温度664℃，成品厚度38.57mm（厚度公差-0.45~+1.3mm）。

冷却：精轧轧制结束后立即冷却，第一段开始冷却温度650℃，结束温度510℃，冷却速度7.3℃/s，第二段空冷至450℃时，又快速冷至310℃，冷速38.4℃/s。

经过微观金相组织、扫描电镜、拉伸实验和DWTT实验检测，组织为贝氏体铁素体+准多边形铁素体+少量退化珠光体，晶粒度11.5级，且MA细小而弥散分布，其金相组织和扫描电镜SEM照片如图7~8。屈服强度524Mpa，拉伸曲线如图9。DWTT断口韧性纤维面积占比分别为88.6%和90.3%，均值为89.5%，如图10。

表1 实施例化学成分（质量百分数，%）

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表2 实施例1 粗轧各道次轧制温度及压下率

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表3 实施例2 粗轧各道次轧制温度及压下率

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表4 实施例3 粗轧各道次轧制温度及压下率

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Claims (1)

1.一种X80管线钢板的轧制方法，其特征在于：钢的化学成分质量百分数为C=0.03~0.08，Mn=1.40~1.7，S≤0.001，P≤0.01，Si=0.015~0.25，Nb≤0.1，V≤0.04，Ti=0.015~0.03，Alt=0.025~0.06，Mo+Ni+Cu+Cr=0.6~1.0，其余为Fe和不可避免的杂质元素，关键轧制工艺步骤：

（1）加热：炉膛温度≤1150℃，铸坯表面温度1100℃出炉，且表面与心部温差≤30℃；

（2）轧制：粗轧采用温度梯度轧制，轧制7道次，第一道次铸坯表面温度1070~1090℃到最后一道次表面温度为890~910℃，温度梯度为28~32℃，每道次轧制压下率≥25%，轧制结束时铸坯厚度90~95mm；精轧开轧温度830℃, 轧制速度0.5~1.5m/s，每道次压下率≥15%，终轧温度650~720℃；冷却采用三段式冷却，开始冷却温度600~700℃，第一段冷却速度5~10℃/s，表面温度450~550℃，第二段为空冷至表面温度400~500℃，第三段为快速冷却，冷却速度30~50℃/s终冷温度300~350℃。

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