CN113025884A - 一种管线钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种管线钢及其制备方法，所述管线钢由如下质量分数的化学成分组成：C：0.05‑0.08％，Si：0.10‑0.30％，Mn：1.60‑1.80％，Cr：0.20‑0.30％，Ni：0.10‑0.30％，其余为Fe及不可避免的杂质；所述管线钢的金相组织由如下体积分数的组织组成：8‑15％的多边形铁素体、30‑40％的细晶铁素体和45‑60％的针状铁素体组织，该特定比例的多边形铁素体+细晶铁素体+针状铁素体混合组织使管线钢具有低屈强比和较高的低温断裂韧性，综合性能良好，符合使用要求。

Description

一种管线钢及其制备方法
技术领域
本发明属于低碳微合金钢生产制造技术领域，特别涉及一种管线钢及其制备方法。
背景技术
管线钢是指用于输送石油、天然气等管道所用的一类具有特殊要求的钢种，根据厚度和后续形成等方面的不同，可由热连轧机组、炉卷轧机或中厚板轧机生产，经螺旋焊接或JCOE/UOE直缝焊接形成大口径输送钢管。为满足天然气产业发展需要和民生用气需求，输送钢管需定向穿越江河区域段，基于穿越江河段管道铺设条件复杂多变、特殊服役工况环境等方面综合考虑，对管道用热轧钢板产品提出了屈强比(≤0.88)与低温断裂韧性(-20℃DWTT SA单值≥80％、均值≥90％)良好匹配等严苛技术要求，并且以厚度≤13mm的薄规格X65、X70钢板为主，然而，以往常规薄规格X65和X70钢板其屈强比往往较高，难以满足要求。由此可见，为提升定向穿越江河段天然气输送管道运行安全性，亟需开发相关钢板及生产方法，确保钢板各项性能满足技术要求。
发明内容
为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种管线钢及其制备方法，使管线钢在具备良好低温断裂韧性的前提下，仍具有低屈强比，以提供优良综合性能，满足使用需求。
一方面，本发明提供了一种管线钢，所述管线钢由如下质量分数的化学成分组成：
C：0.05-0.08％，Si：0.10-0.30％，Mn：1.60-1.80％，Cr：0.20-0.30％，Ni：0.10-0.30％，其余为Fe及不可避免的杂质；
所述管线钢的金相组织由如下体积分数的组织组成：8-15％的多边形铁素体、30-40％的细晶铁素体和45-60％的针状铁素体组织。
进一步地，所述管线钢的厚度为10-13mm。
第二方面，本发明实施例提供了上述的管线钢的制备方法，所述方法包括：
获得板坯；所述板坯由如下质量分数的化学成分组成：C：0.05-0.08％，Si：0.10-0.30％，Mn：1.60-1.80％，Cr：0.20-0.30％，Ni：0.10-0.30％，其余为Fe及不可避免的杂质；
对所述板坯热轧，获得热轧钢板；
将热轧钢板空冷至740-760℃后，以≥20℃/s的冷却速率进行第一阶段水冷至温度≤630℃，获得第一阶段水冷钢板；
对所述第一阶段水冷钢板以≥25℃/s的冷却速率进行第二阶段水冷至温度≤510℃，获得所述管线钢。
进一步地，所述第一阶段水冷速率为20-24℃/s，所述第一阶段水冷结束温度为600-630℃。
进一步地，所述第一阶段水冷开始温度为740-760℃。
进一步地，所述第二阶段水冷速率为25-27℃/s，所述第二阶段水冷结束温度为480-510℃。
进一步地，所述热轧包括精轧，所述精轧分两阶段进行，所述精轧过程中，第一阶段轧制开始温度为910-930℃，第二阶段轧制开始温度为830-850℃，第二阶段轧制结束温度为810-830℃；所述第一阶段轧制结束后待温3-5min。
进一步地，所述第一阶段轧制3-4道次，所述第二阶段轧制2-3道次。
进一步地，所述热轧还包括粗轧，所述粗轧开始温度为1040-1060℃，所述粗轧结束温度为1010-1030℃。
进一步地，所述热轧还包括加热，所述加热温度为1160-1180℃，所述加热时间为240-270min。
本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明提供了一种管线钢及其制备方法，该方法先将热轧钢板空冷至740-760℃后，再以≥20℃/s的冷却速率进行第一阶段水冷至≤630℃，获得第一阶段水冷钢板；然后对第一阶段水冷钢板以≥25℃/s的冷却速率进行第二阶段水冷至≤510℃，获得管线钢。通过控制空冷结束温度，可以获得体积分数为8-15％的多边形铁素体，随后在第一阶段水冷的冷却速率下形成30-40％的细晶铁素体组织，在第二阶段水冷的冷却速率下可获得45-60％的针状铁素体组织。其中多边形铁素体对管线钢低屈强比控制贡献大，细晶铁素体和针状铁素体可以提高管线钢的强度和低温断裂韧性，因此采用特定比例的多边形铁素体+细晶铁素体+针状铁素体混合组织使管线钢具有低屈强比和较高的低温断裂韧性，综合性能良好，符合使用要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例1提供的管线钢的金相组织；
图2为本发明实施例2提供的管线钢的金相组织；
图3为对比例1提供的管线钢的金相组织；
图4为对比例2提供的管线钢的金相组织。
具体实施方式
下文将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本发明，本发明的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解，这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明，而非限制本发明。
在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
本发明实施例提供的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
一方面，本发明实施例提供了一种管线钢，所述管线钢由如下质量分数的化学成分组成：
C：0.05-0.08％，Si：0.10-0.30％，Mn：1.60-1.80％，Cr：0.20-0.30％，Ni：0.10-0.30％，其余为Fe及不可避免的杂质；
所述管线钢的金相组织由如下体积分数的组织组成：8-15％的多边形铁素体、30-40％的细晶铁素体和45-60％的针状铁素体组织。
多边形铁素体对管线钢低屈强比控制贡献大，细晶铁素体和针状铁素体可以提高管线钢的强度和低温断裂韧性，因此采用特定比例的多边形铁素体+细晶铁素体+针状铁素体混合组织使管线钢具有低屈强比和低温断裂韧性的良好综合性能。
作为本发明实施例的一种实施方式，所述管线钢的厚度为10-13mm。
另一方面，本发明实施例提供了一种管线钢的制备方法，该方法包括：
S1，获得板坯；所述板坯由如下质量分数的化学成分组成：C：0.05-0.08％，Si：0.10-0.30％，Mn：1.60-1.80％，Cr：0.20-0.30％，Ni：0.10-0.30％，其余为Fe及不可避免的杂质；
S2，对所述板坯热轧，获得热轧钢板；
S3，将热轧钢板空冷至740-760℃后，以≥20℃/s的冷却速率进行第一阶段水冷至温度≤630℃，获得第一阶段水冷钢板；
S4，对所述第一阶段水冷钢板以≥25℃/s的冷却速率进行第二阶段水冷至温度≤510℃，获得所述管线钢。
若空冷开始温度过高，所形成的多边形铁素体组织太少，比例不够8％，最终无法保证钢板低屈强比；若空冷结束温度过低，所形成的多边形铁素体组织过多，比例超15％，最终将导致钢板强度性能偏低。
控制第一阶段水冷速率可以获得30-40％的细晶铁素体组织，通过细化强化效应，一定程度地提高钢板强度和低温断裂韧性。若第一阶段水冷速率过低，会导致细晶铁素体组织晶粒尺寸粗大，将会降低最终管线钢的强度和低温断裂韧性；同时，若第一阶段水冷结束温度过高，所形成的细晶铁素体组织比例不够30％，随后第二阶段水冷所形成的针状铁素体比例将增多，会导致最终管线钢产品屈服强度过高，从而引起屈强比过高。
控制第二阶段水冷速率是为了使钢板中形成针状铁素体组织，这是由于针状铁素体对提升钢板拉伸强度和低温断裂韧性贡献较大；若第二阶段水冷速率过低，将导致针状铁素体晶粒尺寸不够细化，将会降低管线钢的强度和低温断裂韧性；同时，若第二阶段水冷结束温度过高，所形成的针状铁素体组织比例不够45％，将会导致管线钢的抗拉强度和低温断裂韧性均过低。
作为本发明实施例的一种实施方式，所述第一阶段水冷速率为20-24℃/s，所述第一阶段水冷结束温度为600-630℃。
第一阶段水冷速率过高和水冷结束温度过低，水冷相变形成的细晶铁素体晶粒比例过高，相比针状铁素体而言，由于细晶铁素体对提升强度和低温断裂韧性贡献有限，若细晶铁素体比例过高，将导致管线钢产品出现强韧性不足的问题。
作为本发明实施例的一种实施方式，所述第一阶段水冷开始温度为740-760℃。
若第一阶段水冷开始温度过低，将会导致空冷弛豫产生先共析多边形铁素体比例过多，将降低管线钢的强度和低温断裂韧性；若第一阶段水冷开始温度过高，将会导致空冷弛豫产生先共析多边形铁素体比例不够，将无法确保最终钢板产品低屈强比性能。
作为本发明实施例的一种实施方式，所述第二阶段水冷速率为25-27℃/s，所述第二阶段水冷结束温度为480-510℃。
若第二阶段水冷速率过高和水冷结束温度过低，将会导致水冷相变产生针状铁素体比例过高，甚至将产生板条贝氏体类组织，最终钢板产品强度和屈强比将过高。
作为本发明实施例的一种实施方式，所述热轧包括精轧，所述精轧分两阶段进行，所述精轧过程中，第一阶段轧制开始温度为910-930℃，第二阶段轧制开始温度为830-850℃，第二阶段轧制结束温度为810-830℃；所述第一阶段轧制结束后待温3-5min。
采用精轧两阶段控制工艺措施，可适当提高精轧开始温度，减少高温待温时间，抑制奥氏体晶粒长大，充分细化晶粒，获得亚结构组织，为后续相变细化晶粒提供更多的形核点，使管线钢获得较高的低温断裂韧性及低屈强比。
若第一阶段轧制开始温度过高，难以确保在奥氏体未再结晶区开始轧制，管线钢出现魏氏体混晶组织，降低管线钢的强韧性；若第一阶段轧制开始温度过低，钢坯待温阶段奥氏体晶粒过分长大，将影响钢板水冷相变组织细化程度，导致管线钢强度低、低温断裂韧性差。
若第二阶段轧制开始温度过高，无法实现压扁奥氏体低温段轧制积累更多形变能，将影响钢板相变组织细化程度；若第二阶段轧制开始温度过低，将会降低钢板空冷开始温度，从而影响空冷弛豫阶段先共析多边形铁素体组织比例含量。
作为本发明实施例的一种实施方式，所述第一阶段轧制3-4道次，所述第二阶段轧制2-3道次。
作为本发明实施例的一种实施方式，所述热轧还包括粗轧，所述粗轧开始温度为1040-1060℃，所述粗轧结束温度为1010-1030℃。
作为本发明实施例的一种实施方式，所述热轧还包括加热，所述加热温度为1160-1180℃，所述加热时间为240-270min。
作为本发明实施例的一种实施方式，所述板坯的厚度为250mm。
下面将结合实施例、对照例及实验数据对本发明的一种管线钢及其制备方法进行详细说明。
实施例1
实施例1提供了一种管线钢及其制备方法，冶炼一炉钢的重量为210t，生产25块管线钢板坯，管线钢板坯的厚度为250mm，牌号为X65，其化学成分为：C：0.062％、Si：0.23％、Mn：1.64％、Cr：0.25％、Ni：0.18％，其余为Fe及不可避免的杂质。
热轧在宽厚板生产线上进行，先将板坯加热，然后依次粗轧、精轧和冷却，获得厚度为12.5mm的管线钢钢板。
其中，加热工艺控制如下：加热温度1170℃、加热时间255min；
粗轧工艺控制如下：粗轧开始温度1050℃、结束温度1027℃；
精轧工艺控制如下：分两阶段轧制，第一阶段开轧温度920℃，轧3道次后待温3min；第二阶段开轧温度835℃，轧3道次，终轧温度820℃。
冷却工艺控制如下：采用“空冷弛豫+两阶段水冷”多路径工艺，即先自然空冷，再进行两阶段水冷，其中第一阶段水冷中，开始温度755℃，终止温度610℃，冷速23℃/s，获得一定量的细晶铁素体组织，所占比例为38％；第二阶段水冷中，开始温度605℃，终止温度485℃，冷速27℃/s。
对比例1
对比例1提供了一种管线钢及其制备方法，冶炼一炉钢的重量为210t，生产25块管线钢板坯，管线钢板坯的厚度为250mm，牌号为X65，其化学成分为：C：0.062％、Si：0.23％、Mn：1.64％、Cr：0.25％、Ni：0.18％，其余为Fe及不可避免的杂质。
热轧在宽厚板生产线上进行，先将板坯加热，然后依次粗轧、精轧和冷却，获得厚度为为12.5mm的管线钢钢板。
其中，加热工艺控制如下：加热温度1175℃、加热时间260min；
粗轧工艺控制如下：粗轧开始温度1060℃、结束温度1030℃；
精轧工艺控制如下：精轧采用单阶段工艺，其开始温度900℃、终轧温度840℃；
冷却工艺控制如下：钢板终轧后快速入水冷却，采用单阶段水冷工艺，其开冷温度790℃、终冷温度530℃、冷速26℃/s。
实施例2
实施例2提供了一种管线钢及其制备方法，一炉钢的重量为210t，可生产27块管线钢板坯，管线钢板坯的厚度为250mm，牌号为X70，其化学成分为：C：0.052％、Si：0.24％、Mn：1.65％、Cr：0.25％、Ni：0.23％，，其余为Fe及不可避免的杂质。
热轧在宽厚板生产线上进行，先将板坯加热，然后依次粗轧、精轧和冷却，获得厚度为为11.9mm的管线钢钢板。
其中，加热工艺控制如下：加热温度1170℃、加热时间245min；
粗轧工艺控制如下：粗轧开始温度1045℃、结束温度1022℃；
精轧工艺控制如下：分两阶段轧制，第一阶段开轧温度910℃，轧3道次后待温5min；第二阶段开轧温度840℃，轧2道次，终轧温度830℃。
冷却工艺控制如下：采用“空冷弛豫+两阶段水冷”多路径工艺，即先自然空冷，再进行两阶段水冷，其中第一阶段水冷中，开始温度750℃，终止温度600℃，冷速24℃/s，获得一定量的细晶铁素体组织，所占比例为32％；第二阶段水冷中，开始温度600℃，终止温度480℃，冷速27℃/s。
对比例2
对比例2提供了一种管线钢及其制备方法，冶炼一炉钢的重量为210t，生产25块管线钢板坯，管线钢板坯的厚度为250mm，牌号为X70，其化学成分为：C：0.052％、Si：0.24％、Mn：1.65％、Cr：0.25％、Ni：0.23％，其余为Fe及不可避免的杂质。
热轧在宽厚板生产线上进行，先将板坯加热，然后依次粗轧、精轧和冷却，获得厚度为为11.9mm的管线钢钢板。
其中，加热工艺控制如下：加热温度1170℃、加热时间245min；
粗轧工艺控制如下：粗轧开始温度1045℃、结束温度1025℃；
精轧工艺控制如下：精轧采用单阶段工艺，其开始温度905℃、终轧温度835℃；
冷却工艺控制如下：钢板终轧后快速入水冷却，采用单阶段水冷工艺，其开冷温度790℃、终冷温度510℃、冷速28℃/s。
实施例3
实施例3提供了一种管线钢及其制备方法，一炉钢的重量为210t，可生产28块管线钢板坯，管线钢板坯的厚度为250mm，牌号为X65，其化学成分为：C：0.056％、Si：0.25％、Mn：1.64％、Cr：0.28％、Ni：0.27％，，其余为Fe及不可避免的杂质。
热轧在宽厚板生产线上进行，先将板坯加热，然后依次粗轧、精轧和冷却，获得厚度为为11.13mm的管线钢钢板。
其中，加热工艺控制如下：加热温度1173℃、加热时间252min；
粗轧工艺控制如下：粗轧开始温度1047℃、结束温度1022℃；
精轧工艺控制如下：分两阶段轧制，第一阶段开轧温度925℃，轧3道次后待温5min；第二阶段开轧温度850℃，轧3道次，终轧温度825℃。
冷却工艺控制如下：采用“空冷弛豫+两阶段水冷”多路径工艺，即先自然空冷，再进行两阶段水冷，其中第一阶段水冷中，开始温度755℃，终止温度620℃，冷速22℃/s，获得一定量的细晶铁素体组织，所占比例为36％；第二阶段水冷中，开始温度610℃，终止温度507℃，冷速25℃/s。
实施例4
实施例4提供了一种管线钢及其制备方法，一炉钢的重量为210t，可生产30块管线钢板坯，管线钢板坯的厚度为250mm，牌号为X70，其化学成分为：C：0.053％、Si：0.22％、Mn：1.68％、Cr：0.30％、Ni：0.28％，，其余为Fe及不可避免的杂质。
热轧在宽厚板生产线上进行，先将板坯加热，然后依次粗轧、精轧和冷却，获得厚度为为10.3mm的管线钢钢板。
其中，加热工艺控制如下：加热温度1175℃、加热时间263min；
粗轧工艺控制如下：粗轧开始温度1055℃、结束温度1024℃；
精轧工艺控制如下：分两阶段轧制，第一阶段开轧温度925℃，轧4道次后待温5min；第二阶段开轧温度850℃，轧2道次，终轧温度827℃。
冷却工艺控制如下：采用“空冷弛豫+两阶段水冷”多路径工艺，即先自然空冷，再进行两阶段水冷，其中第一阶段水冷中，开始温度756℃，终止温度623℃，冷速24℃/s，获得一定量的细晶铁素体组织，所占比例为33％；第二阶段水冷中，开始温度617℃，终止温度487℃，冷速26℃/s。
对实施例1-4以及对比例1-2制备的每根管线钢钢板均进行力学性能检测和-20℃下落锤撕裂试验(DWTT)，统计结果如表1所示，并在光学显微镜下观察其组织为多边形铁素体、细晶铁素体和针状铁素体。其中，落锤撕裂试验是在-20℃温度下，用2mm高度的落锤或摆锤一次性冲断处于简支梁状态的试样，并评定试样断裂面上的剪切面积分数，记作SA。SA越大，表明管线钢的抗断裂能力越好，即低温断裂韧性越好。
表1
Figure BDA0002938003360000081
表2
Figure BDA0002938003360000082
由表1和表2中的数据可知，本发明实施例1-4制备的管线钢，其屈强比最小值为0.82-0.84，屈强比最大值为0.87-0.88，屈强比控制较低；其-20℃DWTT SA单值最小值为83-86％，SA单值最大值为95-97％，SA均值最小值为85-88％，SA均值最大值为93-95％。对比例1-2制备的管线钢，其屈强比最小值为0.89-0.90，屈强比最大值为0.92-0.94，SA单值最小值为84-86％，SA单值最大值为94-96％，SA均值最小值为86-87％，SA均值最大值为94-96％。
本发明提供了一种管线钢及其制备方法，该方法先将热轧钢板空冷至740-760℃后，再以≥20℃/s的冷却速率第一阶段水冷至≤630℃，获得第一阶段水冷钢板；然后对第一阶段水冷钢板以≥25℃/s的冷却速率第二阶段水冷至≤510℃，获得管线钢。通过控制空冷结束温度，可以获得体积分数为8-15％的多边形铁素体，随后在第一阶段水冷的冷却速率下形成30-40％的细晶铁素体组织，在第二阶段水冷的冷却速率下可获得45-60％的针状铁素体组织。其中多形性铁素体可以提供管线钢低屈强比，细晶铁素体和针状铁素体可以提高管线钢的强度和低温断裂韧性，因此采用特定比例的多边形铁素体+细晶铁素体+针状铁素体混合组织使管线钢具有低屈强比和较高的低温断裂韧性，综合性能良好，符合使用要求。
最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种管线钢，其特征在于，所述管线钢由如下质量分数的化学成分组成：
C：0.05-0.08％，Si：0.10-0.30％，Mn：1.60-1.80％，Cr：0.20-0.30％，Ni：0.10-0.30％，其余为Fe及不可避免的杂质；
所述管线钢的金相组织由如下体积分数的组织组成：8-15％的多边形铁素体、30-40％的细晶铁素体和45-60％的针状铁素体组织。
2.根据权利要求1所述的一种管线钢，其特征在于，所述管线钢的厚度为10-13mm。
3.如权利要求1-2任一项所述的一种管线钢的制备方法，其特征在于，所述方法包括，
获得板坯；所述板坯由如下质量分数的化学成分组成：C：0.05-0.08％，Si：0.10-0.30％，Mn：1.60-1.80％，Cr：0.20-0.30％，Ni：0.10-0.30％，其余为Fe及不可避免的杂质；
对所述板坯热轧，获得热轧钢板；
将热轧钢板空冷至740-760℃后，以≥20℃/s的冷却速率进行第一阶段水冷至温度≤630℃，获得第一阶段水冷钢板；
对所述第一阶段水冷钢板以≥25℃/s的冷却速率进行第二阶段水冷至温度≤510℃，获得所述管线钢。
4.根据权利要求3所述的一种管线钢的制备方法，其特征在于，所述第一阶段水冷速率为20-24℃/s，所述第一阶段水冷结束温度为600-630℃。
5.根据权利要求3所述的一种管线钢的制备方法，其特征在于，所述第一阶段水冷开始温度为740-760℃。
6.根据权利要求3所述的一种管线钢的制备方法，其特征在于，所述第二阶段水冷速率为25-27℃/s，所述第二阶段水冷结束温度为480-510℃。
7.根据权利要求3所述的一种管线钢的制备方法，其特征在于，所述热轧包括精轧，所述精轧分两阶段进行，所述精轧过程中，第一阶段轧制开始温度为910-930℃，第二阶段轧制开始温度为830-850℃，第二阶段轧制结束温度为810-830℃；所述第一阶段轧制结束后待温3-5min。
8.根据权利要求7所述的一种管线钢的制备方法，其特征在于，所述第一阶段轧制3-4道次，所述第二阶段轧制2-3道次。
9.根据权利要求3所述的一种管线钢的制备方法，其特征在于，所述热轧还包括粗轧，所述粗轧开始温度为1040-1060℃，所述粗轧结束温度为1010-1030℃。
10.根据权利要求1所述的一种管线钢的制备方法，其特征在于，所述热轧还包括加热，所述加热温度为1160-1180℃，所述加热时间为240-270min。
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