CN112981226A - 一种大壁厚x70级抗酸管线钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大壁厚X70级抗酸管线钢及其制备方法，制备方法包括：分别对铁水进行脱硫、脱磷和脱硅处理；转炉冶炼采取顶吹和底部搅拌同时进行，出钢时采用挡渣操作防止回磷；LF炉精炼，采用硅钙合金粉末以氩气作为载气向钢水底部喷射处理；RH炉精炼；板坯浇注。本发明在保证材料抗HIC性能的前提下大幅降低材料成本。

Description

一种大壁厚X70级抗酸管线钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及热轧管线钢技术领域，具体涉及一种大壁厚X70级抗酸管线钢及其制备方法。
背景技术
由于我国幅员广阔、资源分布不均，为响应国家提出的节能减排新要求，油气输送正朝着原气原油、高压高速的趋势发展。管线钢作为油气输运的主要载体，势必对管线钢的强度、耐腐蚀性以及抗氢致开裂性能有了更高的要求。因此，开发高钢级耐酸管线钢，提高石油输送效率、保障油气管线服役寿命及安全具有重要的意义。
厚规格高强管线钢的技术难点在于低温韧性，其性能的不达标主要由板厚中心部位与其他部位的组织不均匀所导致。
公开号为CN108570600A，名为“一种大壁厚X80管线钢的生产方法”专利，公开了一种采用模铸锭和通过二火轧制成材的大壁厚管线钢生产方法，获得了较好的低温韧性及低温止裂性能。但其主要通过控制轧制多火加热的方法，其工艺流程复杂，受限于连轧设备状况，且二火轧制将消耗大量能源，不符合低成本高效率工艺原则。
公开号为CN101994059A，名为“一种低成本生产厚壁X70管线钢卷板的方法”专利，公开了一种通过无V微合金化和连铸连轧短流程生产的X70管线钢卷板，其显示出了较好的强度和低温韧性。以及，公开号为CN107442568A，名为“一种大壁厚管线钢的轧制方法”，公开了一种通过控制轧制调整相关轧制工艺参数的方法，获得了具有优良止裂性能的X80级热轧管线钢。但是，上述公开的内容不涉及材料抗氢致开裂性能，在酸性环境下其性能未知。
随着油气资源的不断开采，对管线钢的抗酸性能提出了更高的要求。国外有关技术标准提出，耐酸管线钢应能适用于pH值为2.8～3.0能前酸性环境。目前，我国的X60、X65耐酸管线钢目前主要适用于pH值为5.2的弱酸性环境。更高级别的耐酸管线钢都还处在研发阶段，在管线钢材料的耐酸性方面还有着很大的差距。国内主要生产的是X52、X60级别，所有钢厂的耐酸管线均采用低C、低Mn体系，具有超低S、P含量，同时添加适量Nb、Ti、Ni、Mo等合金元素。超低Mn(≤0.6％)的合金成分设计体系有利于减少MnS夹杂生成，降低材料氢致开裂风险。但是，超低Mn元素添加将导致其他合金元素Nb、Cr、Ti等的消耗，增加了管线钢成本。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种大壁厚X70级抗酸管线钢及其制备方法，旨在保证材料抗HIC性能的前提下大幅降低材料成本。
作为本发明的一种大壁厚X70级抗酸管线钢，包括如下重量百分比的组份，C:0.02～0.06wt％、Si:0.05～0.35wt％、Mn:1.0～1.4wt％、P≤0.018wt％、S≤0.003wt％、Cr:0.10～0.50wt％、Ti:0.005～0.10wt％、Nb:0.005～0.10wt％、V:0.02～0.05wt％、Mg:0.001～0.005wt％，其他为Fe和不可避免的微量杂质。
作为本发明的一种大壁厚X70级抗酸管线钢的制备方法，包括如下步骤：
(1)铁水预处理：分别对铁水进行脱硫、脱磷和脱硅处理，使得铁水中的S含量降低到≤0.05wt％，Si含量降低到≤0.2wt％，P含量降低到≤0.01wt％；
(2)转炉冶炼：转炉冶炼采取顶吹和底部搅拌同时进行，出钢时采用挡渣操作防止回磷，控制C含量0.02wt％～0.03wt％，P含量低于0.005wt％；
(3)LF炉精炼：采用硅钙合金粉末以氩气作为载气向钢水底部喷射处理，保持底部吹氩流量350～550NL/min，吹氩喷粉时间30～40min，降低硫含量至≤0。003wt％；
(4)RH炉精炼：钢水RH进站后控制炉中真空度≤1mbar，根据成分设计分批次加入对应的合金及脱氧元素，RH出站时钢液中H含量≤0.0001wt％，N含量≤0.002wt％；
(5)板坯浇注：全保护浇注，浇铸后采用铸坯凝固末端动态轻压，深入时长水口及钢包-中间包-结晶器之间的严密封闭，控制过热度20-30℃。
优选地，所述RH炉精炼时脱氧元素的加入顺序依次为Si、Mn、Ti和Mg，其中Ti脱氧剂加入1～5min后再加入Mg。
优选地，加入的Mg脱氧剂为Ni-Mg合金，所述Ni-Mg合金的化学成分重量百分比为：Mg，35wt％；Ni，65wt％。
本发明的有益效果体现在：
(1)本发明通过Ti/Mg复合脱氧方法，一方面Ti脱氧产物与铁液之间的界面能低，具有较高的均相形核率，能够得到较多的初始脱氧夹杂，抑制初始脱氧夹杂以Ostwald熟化方式长大，减小脱氧夹杂粗化速率；另一方面，当采用强脱氧剂Mg脱氧时，钢液溶解氧的含量很低，而脱氧夹杂的长大速率取决于溶解氧的含量，使得脱氧夹杂长大速率较小，小尺寸夹杂物数量较大。
(2)另外，本发明采用先加Ti脱氧之后加Mg脱氧的方式，在Ti脱氧后生成大量原生TiOx夹杂。而在Mg加入后一方面脱氧生成MgO，另一方面Mg还原TiOx生成Mg-Ti-O夹杂物，此时夹杂物尺寸小且不易上浮。同时，由于TiOx原生夹杂物颗粒具有阳离子空位，可促进MnS、BN和TiN等粒子优先在TiOx夹杂物表面析出。增加了钢中有害的MnS等夹杂物的形核质点，在TiOx夹杂物周边将形成贫Mn层，使得钢中局部Mn元素浓度降低，抑制了MnS等夹杂物的长大。同时，吸附有TiN的TiOx夹杂也可以促进晶内铁素体的形核，细化了铁素体晶粒，提高了管线钢强度。
(3)就本发明的管线钢耐酸性能而言，引入大量的小尺寸非金属夹杂物，管线钢材料将获得有效数量的不可逆氢陷阱。小尺寸的非金属夹杂作为钢中良性不可逆氢陷阱，在不降低材料力学系能的前提下，将获得两方面的益处：一、替代碳化物析出对钢中可扩散氢的钉扎作用，分散了钢中局部氢浓度，降低了材料氢致开裂风险；二、减少了Nb等碳化物析出元素的添加，降低了管线钢生产成本。
(4)本发明方法结合了夹杂物冶炼方法，通过脱氧元素的合理添加，有效调控了钢中就夹杂物尺寸及数量。并通过夹杂物有效细化了晶粒尺寸，保证了管线钢材料低温韧性及力学性能的同时，增强了材料抗氢致开裂能力。且工艺简单，制备成本低，具有大规模生产及应用前景。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明一实施例所示一种大壁厚X70级抗酸管线钢制备方法的流程示意图；
图2为本发明实施例一制备方法制备的热轧板的金相组织结构图；
图3为本发明实施例二制备方法制备的热轧板的金相组织结构图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
下面参考图1-附图3描述根据本发明实施例的一种大壁厚X70级抗酸管线钢及其制备方法。
实施例1
本发明实施例的一种大壁厚X70级抗酸管线钢，包括以下重量百分比的成分，C:0.039wt％、Si:0.26wt％、Mn:1.10wt％、P0.0043wt％、S0.0025wt％、Cr:0.25wt％、Ti:0.012wt％、Nb:0.059wt％、V:0.043wt％、Mg:0.003wt％，其他为Fe和不可避免的微量杂质。
参阅附图1所示，本发明所示制备方法包括：
(1)铁水预处理，分别对铁水进行脱硫、脱磷和脱硅处理，使得铁水中的S含量为0.05％，Si含量降低到不高于0.2wt％，P含量降低到不高于0.01wt％；
(2)转炉冶炼，转炉冶炼采取顶吹和底部搅拌同时进行，出钢时采用挡渣操作防止回磷，控制碳含量不高于0.025wt％，P含量不高于0.0035wt％；
(3)LF炉精炼，采用硅钙合金粉末以氩气作为载气向钢水底部喷射处理，保持底部吹氩流量450NL/min，吹氩喷粉时间35min，降低硫含量至0.0023wt％；
(4)RH炉精炼，钢水RH进站后控制炉中真空度0.85mbar，根据成分设计分批次加入对应的合金及脱氧元素，RH炉精炼时脱氧元素的加入顺序为Si→Mn→Ti→Mg，其中Ti脱氧剂加入后，1min后再加入M.RH出站时钢液中H含量不高于0.0001wt％，N含量不高于0.002wt％；
(5)板坯浇注，采用全保护浇注技术，浇铸后采用铸坯凝固末端动态轻压下技术，采用深入时长水口及钢包-中间包-结晶器之间的严密封闭技术，控制过热度20℃；
(6)轧制，采用中薄板坯连铸连轧工艺，板坯厚度150mm，粗轧温度1150℃，精轧温度940℃，热轧板厚度25.2mm。
然后对上述实施例制得的热轧板进行HIC测试和力学性能测试，HIC测试结果和力学性能测试结果分别见表1和表2所示。本实施例所得热轧板的金相组织结构件附图2所示。
表1实施例1制得热轧板HIC测试结果
Figure BDA0002323279680000071
表2实施例1制得热轧板力学性能测试结果
Figure BDA0002323279680000072
本实施方式与现有技术相比具有如下积极效果：本具体实施方式通过添加Ti、Mg元素进行复合脱氧处理，简化了夹杂物去除工艺，使得原本有害的大尺寸夹杂物减少或消失，形成大量细小、弥散的TiOx和Mg-Ti-O作为夹杂物核心，有效降低钢中硫化物夹杂尺寸，并显著提高了硫化物夹杂的形核质点.为材料内部提供了大量有利不可逆氢陷阱，降低了钢中可逆氢含量，显著提高了材料抗氢致开裂性能.同时，夹杂物作为铁素体形核核心，有效细化了晶粒，促进了针状铁素体形核，保证了X70级管线钢所要求的强度及低温韧性。
实施例2
本实施例的一种大壁厚X70级抗酸管线钢，包括C:0.045wt％、Si:0.28wt％、Mn:1.11wt％、P0.0045wt％、S0.0026wt％、Cr:0.26wt％、Ti:0.016wt％、Nb:0.066wt％、V:0.042wt％、Mg:0.003wt％，其他为Fe和不可避免的微量杂质。
参阅附图1所示，本发明所示制备方法包括：
(1)铁水预处理，分别对铁水进行脱硫、脱磷和脱硅处理，使得铁水中的S含量w为0.05％，Si含量降低到不高于0.2wt％，P含量降低到不高于0.01wt％；
(2)转炉冶炼，转炉冶炼采取顶吹和底部搅拌同时进行，出钢时采用挡渣操作防止回磷，控制碳含量0.027wt％，P含量0.0038wt％；
(3)LF炉精炼，采用硅钙合金粉末以氩气作为载气向钢水底部喷射处理，保持底部吹氩流量480NL/min，吹氩喷粉时间38min，降低硫含量至0.0026wt％；
(4)RH炉精炼，钢水RH进站后控制炉中真空度0.83mbar，根据成分设计分批次加入对应的合金及脱氧元素，RH炉精炼时脱氧元素的加入顺序为Si→Mn→Ti→Mg，其中Ti脱氧剂加入后，2min后再加入Mg.RH出站时钢液中H含量不高于0.0001wt％，N含量不高于0.002wt％；
(5)板坯浇注，采用全保护浇注技术，浇铸后采用铸坯凝固末端动态轻压下技术，采用深入时长水口及钢包-中间包-结晶器之间的严密封闭技术，控制过热度20℃；
(6)轧制，采用中薄板坯连铸连轧工艺，板坯厚度150mm，粗轧温度1160℃，精轧温度950℃，热轧板卷厚度25.8mm。
然后对上述实施例制得的热轧板进行HIC测试和力学性能测试，HIC测试结果和力学性能测试结果分别见表3和表4所示。本实施例所得热轧板的金相组织结构件附图3所示。
表3实施例2制得热轧板HIC测试结果
Figure BDA0002323279680000091
表4实施例2制得热轧板力学性能测试结果
Figure BDA0002323279680000092
Figure BDA0002323279680000101
本发明实施例通过Ti/Mg复合脱氧方法，一方面Ti脱氧产物与铁液之间的界面能低，具有较高的均相形核率，能够得到较多的初始脱氧夹杂，抑制初始脱氧夹杂以Ostwald熟化方式长大，减小脱氧夹杂粗化速率；另一方面，当采用强脱氧剂Mg脱氧时，钢液溶解氧的含量很低，而脱氧夹杂的长大速率取决于溶解氧的含量，使得脱氧夹杂长大速率较小，小尺寸夹杂物数量较大。另外，本发明实施例采用先加Ti脱氧之后加Mg脱氧的方式，在Ti脱氧后生成大量原生TiOx夹杂。而在Mg加入后一方面脱氧生成MgO，另一方面Mg还原TiOx生成Mg-Ti-O夹杂物，此时夹杂物尺寸小且不易上浮。同时，由于TiOx原生夹杂物颗粒具有阳离子空位，可促进MnS、BN和TiN等粒子优先在TiOx夹杂物表面析出。增加了钢中有害的MnS等夹杂物的形核质点，在TiOx夹杂物周边将形成贫Mn层，使得钢中局部Mn元素浓度降低，抑制了MnS等夹杂物的长大。同时，吸附有TiN的TiOx夹杂也可以促进晶内铁素体的形核，细化了铁素体晶粒，提高了管线钢强度。就本发明的管线钢耐酸性能而言，引入大量的小尺寸非金属夹杂物，管线钢材料将获得有效数量的不可逆氢陷阱。小尺寸的非金属夹杂作为钢中良性不可逆氢陷阱，在不降低材料力学系能的前提下，将获得两方面的益处：一、替代碳化物析出对钢中可扩散氢的钉扎作用，分散了钢中局部氢浓度，降低了材料氢致开裂风险；二、减少了Nb等碳化物析出元素的添加，降低了管线钢生产成本。
本发明实施例所示方法结合了夹杂物冶炼方法，通过脱氧元素的合理添加，有效调控了钢中就夹杂物尺寸及数量。并通过夹杂物有效细化了晶粒尺寸，保证了管线钢材料低温韧性及力学性能的同时，增强了材料抗氢致开裂能力。且工艺简单，制备成本低，具有大规模生产及应用前景。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (4)

1.一种大壁厚X70级抗酸管线钢，其特征在于，包括如下重量百分比的组份，C:0.02～0.06wt％、Si:0.05～0.35wt％、Mn:1.0～1.4wt％、P≤0.018wt％、S≤0.003wt％、Cr:0.10～0.50wt％、Ti:0.005～0.10wt％、Nb:0.005～0.10wt％、V:0.02～0.05wt％、Mg:0.001～0.005wt％，其他为Fe和不可避免的微量杂质。
2.一种大壁厚X70级抗酸管线钢的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)铁水预处理：分别对铁水进行脱硫、脱磷和脱硅处理，使得铁水中的S含量降低到≤0.05wt％，Si含量降低到≤0.2wt％，P含量降低到≤0.01wt％；
(2)转炉冶炼：转炉冶炼采取顶吹和底部搅拌同时进行，出钢时采用挡渣操作防止回磷，控制C含量0.02wt％～0.03wt％，P含量低于0.005wt％；
(3)LF炉精炼：采用硅钙合金粉末以氩气作为载气向钢水底部喷射处理，保持底部吹氩流量350～550NL/min，吹氩喷粉时间30～40min，降低硫含量至≤0。003wt％；
(4)RH炉精炼：钢水RH进站后控制炉中真空度≤1mbar，根据成分设计分批次加入对应的合金及脱氧元素，RH出站时钢液中H含量≤0.0001wt％，N含量≤0.002wt％；
(5)板坯浇注：全保护浇注，浇铸后采用铸坯凝固末端动态轻压，深入时长水口及钢包-中间包-结晶器之间的严密封闭，控制过热度20-30℃。
3.根据权利要求2所述的一种大壁厚X70级抗酸管线钢的制备方法，其特征在于，所述RH炉精炼时脱氧元素的加入顺序依次为Si、Mn、Ti和Mg，其中Ti脱氧剂加入1～5min后再加入Mg。
4.根据权利要求2所述的一种大壁厚X70级抗酸管线钢的制备方法，其特征在于，加入的Mg脱氧剂为Ni-Mg合金，所述Ni-Mg合金的化学成分重量百分比为：Mg，35wt％；Ni，65wt％。
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