CN113388785A - 一种抗酸管线钢板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及冶金技术领域，具体涉及一种抗酸管线钢板及其制备方法。本发明提供的抗酸管线钢板，包括如下质量百分比的化学成分：C：0.02‑0.04％、Si：0.15‑0.20％、Mn：0.3‑0.5％、P≤0.012％、S≤0.002％、Nb：0.072‑0.100％、Cr：0.6‑0.9％、Al：0.01‑0.045％，其余为Fe和其他不可避免的杂质。本发明提供的抗酸管线钢板，采用低碳低锰、高铌铬合金强化的成分设计思路，配合控轧控冷技术，可生产出不同强度等级的抗酸管线钢板，实现了钢板强度、韧性、屈强比、止裂性和抗酸性能的良好平衡。

Description

一种抗酸管线钢板及其制备方法
技术领域
本发明涉及冶金技术领域，具体涉及一种抗酸管线钢板及其制备方法。
背景技术
随着国民经济的不断发展，能源需求量越来越大。石油、天然气在能源市场上倍受青睐，而管道运输依然是长距离大规模输送最安全最经济的运输方式。随着开采量的增加，高质量油气田数量不断减少，开采的油气质量越来越差，部分油气田H2S含量较高，使得管道服役环境恶化，集输管线的H2S应力腐蚀开裂造成油、气泄露的事故越来越多，油、气泄露不仅会带来重大的经济损失，还会造成严重人员伤亡和环境污染。酸性油田中石油和天然气的开采对集输管道用管线钢的抗酸性能提出了更高的要求，因此开发更为经济、安全、环保的抗酸管线钢具有十分重要的意义。
现有技术中抗酸管线钢板通常采用较高含量的C、Mn，较低含量的Nb、Cr，其制备得到的抗酸管线钢板其抗酸性能、止裂性能不佳，同时在生产制备过程其控轧控冷技术无法使连铸坯心部组织得到有效细化，中心偏析无法有效降低，致使在抗HIC试验中易在钢板心部出现裂纹，抗酸性能不佳。
发明内容
本发明的目的在于克服现有抗酸管线钢板上述缺陷，进而提供一种抗酸管线钢板及其制备方法。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种抗酸管线钢板，包括如下质量百分比的化学成分：C：0.02-0.04％、Si：0.15-0.20％、Mn：0.3-0.5％、P≤0.012％、S≤0.002％、Nb：0.072-0.100％、Cr：0.6-0.9％、Al：0.01-0.045％，其余为Fe和其他不可避免的杂质。
本发明还提供一种抗酸管线钢板的生产方法，包括如下步骤：
1)按配方比例称取各组分原料，然后进行冶炼，得到钢水，所述钢水包括如下质量百分比的化学成分：C：0.02-0.04％、Si：0.15-0.20％、Mn：0.3-0.5％、P≤0.012％、S≤0.002％、Nb：0.072-0.100％、Cr：0.6-0.9％、Al：0.01-0.045％，其余为Fe和其他不可避免的杂质；
2)将钢水连铸成铸坯，依次对铸坯进行加热、粗轧、精轧、冷却和后处理，得到所述抗酸管线钢板。
在本发明中，
C元素为主要强化元素，但C元素易偏析，C元素偏高易产生带状组织，有害气体易在带状组织处聚集，促进裂纹产生，因此C含量控制在0.02-0.04％。
Si元素会降低焊接接头的低温韧，且Si含量过高易在钢板表面形成铁橄榄石，在生产过程中不易除鳞，影响钢板表面质量，因此Si含量控制在0.15-0.20％。
Mn元素为常用强化元素，但Mn极易与S形成MnS夹杂，H2S中的H极易在MnS夹杂处偏聚，形成裂纹，导致钢板开裂；此外，当钢中的Mn含量超过1.0％时，容易在连铸坯中形成中心偏析，导致抗HIC开裂，因此Mn含量控制在0.3-0.5％。
Cr元素在钢中可形成钝化膜，抑制有害气体进入，可有效抑制H2S腐蚀，提高钢板抗酸性能；Cr元素可提高钢板淬透性，使得钢板快速发生相变，减少钢板带状组织，抑制珠光体形成，因此Cr含量控制在0.6-0.9％。
Nb元素是常用的微合金元素，可以很好的细化钢板组织，提高钢板强度和韧性；此外Nb为强碳氮化合物形成元素，易形成Nb(C,N)析出物，针状铁素体易在奥氏体晶内贫碳区形核，奥氏体中Nb(C,N)的析出必然导致贫碳，因此Nb元素的加入会促进针状铁素体的形成，因此Nb含量控制在0.072-0.100％。
P、S：P、S为有害元素，在钢的凝固过程中，P易发生偏析，尤其在凝固最后阶段产生P的富集；在连铸过程中，S与Mn易形硫化锰夹杂物。抗酸管线钢中HIC裂纹通常在非金属夹杂物、偏析带处萌生，因此P、S含量应尽量控制在较低水平，但这必然会提高炼钢难度，增加炼钢成本，降低生产效率，本发明中C、Mn含量控制在较低水平，因此可以适当降低S、P控制难度，控制S≤0.002％、P≤0.012％。
优选的，步骤2)中粗轧开轧温度1030-1050℃，粗轧最后一道次开轧目标温度960-970℃，粗轧最后一道次压下量28-29％，粗轧总压下量72-76％。
优选的，步骤2)中精轧开轧目标温度860-870℃，终轧目标温度830-840℃，冷却步骤中冷却速率为14-16℃/s，终冷目标温度550-570℃。
优选的，步骤2)中精轧开轧目标温度840-850℃，终轧目标温度810-820℃，冷却步骤中冷却速率为20-22℃/s，终冷目标温度450-470℃。
优选的，步骤2)中精轧开轧目标温度820-830℃，终轧目标温度790-800℃，冷却步骤中冷却速率为25-30℃/s，终冷目标温度340-360℃。
优选的，步骤2)中所述加热温度为1175-1185℃，保温时间为180-200min，所述铸坯的厚度310-330mm。
优选的，步骤1)中所述冶炼步骤包括铁水脱硫、转炉冶炼、钢包精炼、RH真空精炼，得到钢水。
优选的，步骤2)中所述后处理步骤包括将冷却后的钢板进行热矫直、空冷，得到所述抗酸管线钢板。
可选的，在对钢板进行粗轧之前还包括对加热后的铸坯进行除磷的步骤。
本发明还提供一种抗酸管线钢板，由上述所述的生产方法制备得到。
本发明的有益效果：
1)本发明提供的抗酸管线钢板，采用低碳低锰、高铌铬合金强化的成分设计思路，低碳成分设计抑制了珠光体带状组织的形成，而珠光体组织和铁素体组织之间会形成较大的电位差，易发生氢致开裂；低锰的成分设计减少了钢板MnS夹杂物的形成，弱化了有害元素S的控制，降低了炼钢难度，提高了钢板抗酸性能和生产效率。然而碳、锰含量的降低不利于钢板的力学强度，本发明高铌、铬合金强化的成分设计，Nb元素的细晶强化和析出强化，以及Cr元素的固溶强化，弥补了C、Mn强化元素的缺失，造成钢板力学强度的降低；此外Nb为强碳氮化合物形成元素，易形成Nb(C,N)析出物，针状铁素体易在奥氏体晶内贫碳区形核，奥氏体中Nb(C,N)的析出必然导致贫碳，因此Nb元素的加入会促进针状铁素体的形成；Cr元素在钢中可形成钝化膜，抑制有害气体进入，可有效抑制H2S腐蚀，提高钢板抗酸性能；Cr元素可提高钢板淬透性，使得钢板快速发生相变，减少钢板带状组织，抑制珠光体形成，进而提高抗酸性能。本发明提供的抗酸管线钢板，采用低碳低锰、高铌铬合金强化的成分设计思路，其钢板在具有优异力学性能的同时显著提高了钢板的止裂性能和抗酸性能。
2)本发明提供的抗酸管线钢板的生产方法，其钢铁成分采用低碳低锰、高铌铬合金强化的设计思路，如上所述，其可使钢板在具有优异力学性能的同时显著提高钢板的止裂性能和抗酸性能，同时配合控轧控冷技术，可生产出GRB.MS、X52MS、X65MS等不同强度等级的抗酸管线钢板，且屈强比≤0.89，-20℃落锤实验DWTT＝100％，抗HIC实验中钢板无任何的开裂和裂纹，实现了钢板强度、韧性、屈强比、止裂性和抗酸性能的良好平衡。
3)本发明提供的抗酸管线钢板的生产方法，进一步的，步骤2)中粗轧开轧温度1030-1050℃，粗轧最后一道次开轧目标温度960-970℃，粗轧最后一道次压下量28-29％，粗轧总压下量72-76％。本发明通过较低的奥氏体再结晶区轧制温度和较大粗轧变形量，使得钢板奥氏体组织得到充分细化，提高了钢板止裂性能；此外较高的粗轧最后一道次压下量使得心部组织得到充分细化，减小了中心偏析，提高了钢板抗酸性能。
4)本发明提供的抗酸管线钢板的生产方法，进一步的，步骤2)中精轧开轧目标温度860-870℃，终轧目标温度830-840℃，冷却步骤中冷却速率为14-16℃/s，终冷目标温度550-570℃。本发明通过控制精轧开轧目标温度、终轧目标温度、冷却速率和终冷目标温度，利用相对较高的冷却速率和较低的终轧温度避开了珠光体相变区，抑制了珠光体组织的形成；同时利用较高的冷却速率，提高了钢板的相变速率，抑制了元素的扩散和偏聚，减少了带状组织，降低了氢致开裂，提高了抗酸性能，制备得到的钢板获得准多边形铁素体组织，屈服强度340-385MPa，抗拉强度450-475MPa，延伸率为43-45％，屈强比≤0.85，(-20℃)DWTT＝100％，达到抗HIC性能要求，无任何的开裂和裂纹。
5)本发明提供的抗酸管线钢板的生产方法，进一步的，步骤2)中精轧开轧目标温度840-850℃，终轧目标温度810-820℃，冷却步骤中冷却速率为20-22℃/s，终冷目标温度450-470℃。
本发明通过控制精轧开轧目标温度、终轧目标温度、冷却速率和终冷目标温度，利用相对较高的冷却速率和较低的终轧温度避开了珠光体相变区，抑制了珠光体组织的形成；同时利用较高的冷却速率，提高了钢板的相变速率，抑制了元素的扩散和偏聚，减少了带状组织，降低了氢致开裂，提高了抗酸性能，制备得到的钢板获得准多边形铁素体+少量针状铁素体，屈服强度400-430MPa，抗拉强度490-520MPa，延伸率为40-42％，屈强比≤0.87，(-20℃)DWTT＝100％，达到抗HIC性能要求，无任何的开裂和裂纹。
6)本发明提供的抗酸管线钢板的生产方法，进一步的，步骤2)中精轧开轧目标温度820-830℃，终轧目标温度790-800℃，冷却步骤中冷却速率为25-30℃/s，终冷目标温度340-360℃。
本发明通过控制精轧开轧目标温度、终轧目标温度、冷却速率和终冷目标温度，利用相对较高的冷却速率和较低的终轧温度避开了珠光体相变区，抑制了珠光体组织的形成；同时利用较高的冷却速率，提高了钢板的相变速率，抑制了元素的扩散和偏聚，减少了带状组织，降低了氢致开裂，提高了抗酸性能，制备得到的钢板获得针状铁素体组织，屈服强度475-510MPa，抗拉强度565-600MPa，延伸率36-38％，屈强比≤0.89，(-20℃)DWTT＝100％，达到抗HIC性能要求，无任何的开裂和裂纹。
7)本发明提供的抗酸管线钢板的生产方法，采用柔性生产技术，通过调节精轧温度、终冷温度和冷却速率，获得不同的相变组织，从而生产出了不同强度等级的抗酸管线钢板，精轧温度越低奥氏体形变组织中位错密度也就越高，针状铁素体易在位错处形核，因此较低的终轧温度对针状铁素体形成有利。因此在生产较高强度等级的钢板时，终轧温度控制在790-800℃，在生产较低强度等级钢板时，为提高生产效率，终轧温度控制在830-840℃。根据组织相变规律，分别设定不同的冷速和终冷温度，实现对组织的良好调控。
本发明提供的抗酸管线钢板的生产方法，采用柔性生产技术，在相同的成分体系下，通过不同的轧制和冷却工艺即可生产出不同性能的钢板，炼钢成分简单，同一炉钢水浇铸的连铸坯，可生产不同强度等级的钢板；此外，该技术使钢板的轧制、冷却工艺得到了深入的开发和利用，充分展现了轧制冷却过程对性能的精确控制。
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，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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他的附图。
图1为实施例1中生产的抗酸管线钢板纵截面1/2处500倍的显微组织照片；
图2为实施例2中生产的抗酸管线钢板纵截面1/2处500倍的显微组织照片；
图3为实施例3中生产的抗酸管线钢板纵截面1/2处500倍的显微组织照片。
图4为对比例1中生产的抗酸管线钢板纵截面1/2处500倍的显微组织照片；
图5为对比例2中生产的抗酸管线钢板纵截面1/2处500倍的显微组织照片；
图6为对比例3中生产的抗酸管线钢板纵截面1/2处500倍的显微组织照片。
具体实施方式
提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。
实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。
实施例1
本实施例提供一种抗酸管线钢板及其制备方法，包括如下步骤：
1)按配方比例称取各组分原料，然后进行冶炼，冶炼步骤包括铁水脱硫、转炉冶炼、钢包精炼、RH真空精炼，得到钢水，所述钢水的化学成分以质量百分比计为：C：0.02％、Si：0.15％、Mn：0.3％、P：0.012％、S：0.002％、Nb：0.072％、Cr：0.6％、Al：0.03％，其余为Fe和其他不可避免的杂质；
2)将钢水连铸成320mm厚的铸坯，依次对铸坯进行加热、粗轧、精轧、冷却、热矫直和空冷至室温，得到所述抗酸管线钢板，其中，加热温度为1180℃，保温时间为180min；粗轧开轧温度1050℃，粗轧最后一道次开轧目标温度960℃，粗轧最后一道次压下量28％，粗轧总压下量72％；精轧开轧目标温度860℃，终轧目标温度835℃；冷却步骤中采用水冷，冷却速率为15℃/s，终冷目标温度570℃。
实施例2
本实施例提供一种抗酸管线钢板及其制备方法，包括如下步骤：
1)按配方比例称取各组分原料，然后进行冶炼，冶炼步骤包括铁水脱硫、转炉冶炼、钢包精炼、RH真空精炼，得到钢水，所述钢水的化学成分以质量百分比计为：C：0.03％、Si：0.18％、Mn：0.4％、P：0.010％、S：0.001％、Nb：0.08％、Cr：0.8％、Al：0.03％，其余为Fe和其他不可避免的杂质；
2)将钢水连铸成320mm厚的铸坯，依次对铸坯进行加热、粗轧、精轧、冷却、热矫直和空冷至室温，得到所述抗酸管线钢板，其中，加热温度为1180℃，保温时间为190min；粗轧开轧温度1040℃，粗轧最后一道次开轧目标温度960℃，粗轧最后一道次压下量28％，粗轧总压下量73％；精轧开轧目标温度840℃，终轧目标温度815℃；冷却步骤中采用水冷，冷却速率为20℃/s，终冷目标温度450℃。
实施例3
本实施例提供一种抗酸管线钢板及其制备方法，包括如下步骤：
1)按配方比例称取各组分原料，然后进行冶炼，冶炼步骤包括铁水脱硫、转炉冶炼、钢包精炼、RH真空精炼，得到钢水，所述钢水的化学成分以质量百分比计为：C：0.035％、Si：0.18％、Mn：0.45％、P：0.011％、S：0.001％、Nb：0.09％、Cr：0.8％、Al：0.03％，其余为Fe和其他不可避免的杂质；
2)将钢水连铸成320mm厚的铸坯，依次对铸坯进行加热、粗轧、精轧、冷却、热矫直和空冷至室温，得到所述抗酸管线钢板，其中，加热温度为1180℃，保温时间为200min；粗轧开轧温度1030℃，粗轧最后一道次开轧目标温度960℃，粗轧最后一道次压下量29％，粗轧总压下量76％；精轧开轧目标温度820℃，终轧目标温度800℃；冷却步骤中采用水冷，冷却速率为25℃/s，终冷目标温度360℃。
对比例1
本对比例提供一种抗酸管线钢板及其制备方法，其与实施例1的区别仅在于步骤1)中所述钢水的化学成分以质量百分比计为：C：0.05％、Si：0.15％、Mn：0.6％、P：0.010％、S：0015％、Nb：0.02％、Cr：0.15％、Al：0.03％，其余为Fe和其他不可避免的杂质。
对比例2
本对比例提供一种抗酸管线钢板及其制备方法，其与实施例2的区别仅在于步骤1)中所述钢水的化学成分以质量百分比计为：C：0.07％、Si：0.18％、Mn：1.2％、P：0.010％、S：0015％、Nb：0.04％、Cr：0.3％、Al：0.03％，其余为Fe和其他不可避免的杂质。
对比例3
本对比例提供一种抗酸管线钢板及其制备方法，其与实施例3的区别仅在于步骤1)中所述钢水的化学成分以质量百分比计为：C：0.1％、Si：0.18％、Mn：1.4％、P：0.011％、S：0015％、Nb：0.06％、Cr：0.5％、Al：0.03％，其余为Fe和其他不可避免的杂质。
测试例
对上述实施例1-3和对比例1-3制备得到的抗酸管线钢板的力学性能、止裂性能和抗酸性能进行测试，其中屈服强度、抗拉强度、延伸率和屈强比依据ASTM A370试验方法进行测试；DWTT(落锤撕裂试验)依据API PR 5L36试验方法进行测试；HIC试验依据NACETM0284试验方法进行测试。
各实施例和对比例性能测试结果如表1和表2所示。
表1抗酸管线钢板性能测试结果
Figure BDA0003134486480000071
Figure BDA0003134486480000081
表2抗酸管线钢板HIC裂纹测量分析结果
Figure BDA0003134486480000082
由表1、表2可见，通过本发明技术成分和工艺设计生产了满足GRB.MS、X52MS、X65MS三种不同强度等级的抗酸管线钢板，不仅具有良好的塑性，还具有较低的屈强比以及良好的止裂性能和抗酸性能。对比实施例中，因成分设计的不同，导致钢板抗酸性能较差。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种抗酸管线钢板，其特征在于，包括如下质量百分比的化学成分：C：0.02-0.04％、Si：0.15-0.20％、Mn：0.3-0.5％、P≤0.012％、S≤0.002％、Nb：0.072-0.100％、Cr：0.6-0.9％、Al：0.01-0.045％，其余为Fe和其他不可避免的杂质。
2.一种抗酸管线钢板的生产方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)按配方比例称取各组分原料，然后进行冶炼，得到钢水，所述钢水包括如下质量百分比的化学成分：C：0.02-0.04％、Si：0.15-0.20％、Mn：0.3-0.5％、P≤0.012％、S≤0.002％、Nb：0.072-0.100％、Cr：0.6-0.9％、Al：0.01-0.045％，其余为Fe和其他不可避免的杂质；
2)将钢水连铸成铸坯，依次对铸坯进行加热、粗轧、精轧、冷却和后处理，得到所述抗酸管线钢板。
3.根据权利要求2所述的抗酸管线钢板的生产方法，其特征在于，步骤2)中粗轧开轧温度1030-1050℃，粗轧最后一道次开轧目标温度960-970℃，粗轧最后一道次压下量28-29％，粗轧总压下量72-76％。
4.根据权利要求2或3所述的抗酸管线钢板的生产方法，其特征在于，步骤2)中精轧开轧目标温度860-870℃，终轧目标温度830-840℃，冷却步骤中冷却速率为14-16℃/s，终冷目标温度550-570℃。
5.根据权利要求2或3所述的抗酸管线钢板的生产方法，其特征在于，步骤2)中精轧开轧目标温度840-850℃，终轧目标温度810-820℃，冷却步骤中冷却速率为20-22℃/s，终冷目标温度450-470℃。
6.根据权利要求2或3所述的抗酸管线钢板的生产方法，其特征在于，步骤2)中精轧开轧目标温度820-830℃，终轧目标温度790-800℃，冷却步骤中冷却速率为25-30℃/s，终冷目标温度340-360℃。
7.根据权利要求2-6任一项所述的抗酸管线钢板的生产方法，其特征在于，步骤2)中所述加热温度为1175-1185℃，保温时间为180-200min，所述铸坯的厚度310-330mm。
8.根据权利要求2-7任一项所述的抗酸管线钢板的生产方法，其特征在于，步骤1)中所述冶炼步骤包括铁水脱硫、转炉冶炼、钢包精炼、RH真空精炼，得到钢水。
9.根据权利要求2-8任一项所述的抗酸管线钢板的生产方法，其特征在于，步骤2)中所述后处理步骤包括将冷却后的钢板进行热矫直、空冷，得到所述抗酸管线钢板。
10.一种抗酸管线钢板，其特征在于，由权利要求2-9任一项所述的生产方法制备得到。
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