CN114131240B

CN114131240B - 一种管线钢气保焊丝用盘条及其制造方法

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Publication number: CN114131240B
Application number: CN202111112445.5A
Authority: CN
Inventors: 白云; 陈海燕; 刘海; 李炫均; 郑晓伟; 孙逸澄
Original assignee: Jiangyin Xingcheng Alloy Material Co ltd; Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Current assignee: Jiangyin Xingcheng Alloy Material Co ltd; Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Priority date: 2021-09-23
Filing date: 2021-09-23
Publication date: 2023-02-28
Anticipated expiration: 2041-09-23
Also published as: CN114131240A

Abstract

本发明涉及一种管线钢气保焊丝用盘条及其制造方法，盘条的元素成分按照质量百分比计为：C：0.06‑0.09％，Si：0.55‑0.80％，Mn：1.45‑1.60％，S：0.008‑0.015％，Ni：0.85～0.95％，Ti：0.060‑0.085％，O:30‑70ppm余量为Fe及不可避免的杂质元素，杂质元素中，P≤0.003％，Sb≤0.002％，Sn≤0.002％，As≤0.003％。盘条的微观组织为铁素体+珠光体，组织中存在弥散分布的TiO₂夹杂物，且TiO₂夹杂物的尺寸稳定小于5um，单位面积内该夹杂物数量稳定大于35个/mm²。盘条的抗拉强度稳定≤700MPa，面缩≥65％，具备较好的塑性，能够进行减面率达到95％以上的直接拉拔作业。制造方法包括铁水预处理、钢水初炼、LF精炼、方坯连铸、方坯加热轧制和盘条冷却。

Description

一种管线钢气保焊丝用盘条及其制造方法

技术领域

本方涉及钢丝/盘丝及其制造方法，尤其涉及一种焊丝用盘条及其制造方法。

背景技术

近年随着国内西气东输二线、三线等大型管道工程的建设，特别是X80高级别管线钢大量的应用，极大的推动了管线钢的发展，而与管线钢材料发展相比，国产焊接材料发展比较落后，品种上没有形成系列，质量有待提高。随着管线钢级别的提高和壁厚的增加，环焊缝的焊接工艺和焊接性能稳定尤其是焊缝断裂韧性控制难度进一步增加了，使环焊技术成为阻碍管线钢往高级别发展的重要难题。另外随着输送管道级别不断提高，国家大型管道项目建设日益增加，传统的手工电焊条和埋弧焊已不能满足管道建设自动化、高效化焊接作业的需求，人们开始探寻全自动气保焊接工艺在管道建设中的应用，与此匹配，有必要开发管线钢气保焊丝用盘条以满足全自动气保焊焊接工艺性和焊缝性能稳定性，加快我国我国石油天然气管道建设发展，同时也解决了管线钢环焊用用焊材长期依赖进口的问题。

气保焊丝焊接工艺的稳定性主要受全自动环焊过程中从12点钟至6点钟不同部位的焊接熔滴流动性不一致的影响，焊缝金属性能的不稳定主要是指环焊缝不同位置低温冲击韧性的不稳定，而研究发现焊丝钢盘条的成分设计和Ti的夹杂物是影响焊缝金属低温冲击韧性的关键。

发明内容

本发明的目的是提供一种管线钢气保焊丝用盘条及制造方法，结合化学成分设计和盘条制造方法，通过对盘条中的夹杂物进行控制使盘条满足管线钢气保环焊焊接工艺稳定性和焊缝金属强韧性要求。

本发明的技术方案为：一种管线钢气保焊丝用盘条，该盘条的元素成分按照质量百分比计为：C：0.06-0.09％，Si：0.55-0.80％，Mn：1.45-1.60％，S：0.008-0.015％，Ni：0.85～0.95％，Ti：0.060-0.085％，O:30-70ppm余量为Fe及不可避免的杂质元素。

所述不可避免的杂质元素中，P≤0.003％，Sb≤0.002％，Sn≤0.002％，As≤0.003％。钢中残余元素P、Sb、Sn、As等容易在晶界偏析，并且元素P的影响最大，这些元素在回火温度下导致脆性转变温度上升，焊缝金属的低温冲击韧性下降。通过实践证明钢中P控制在0.003％以下能够显著改善焊缝金属的低温冲击韧性。

上述化学元素的作用机理如下：

C是焊缝金属的主要强化元素，焊缝金属的抗拉强度、屈服强度随碳含量增加而提高，但低温冲击韧性随碳含量的增加而降低，为了保证焊接金属有良好的冲击韧性，本发明C控制在0.06～0.09％。

Si是脱氧元素能够改善焊接工艺性，当Si含量不够时脱氧不充分，造成焊缝金属强度和韧性降低。同时Si也是焊缝金属的强化元素，适当的Si能够有效改善焊接工艺性和焊缝强度，但过高的Si则会导致焊缝金属韧性下降，同时焊接工艺性下降飞溅增多。本发明Si控制在0.55-0.80％。

Mn焊材中的Mn一方面可以作为脱氧剂在焊接过程进行脱氧，另一方面Mn可以作为固溶强化元素，可以提高焊缝金属的强度，同时Mn可以促进焊缝金属针状的形成，同时促进针状铁素体细化，提高焊缝金属的冲击韧性，但Mn能显著降低焊缝金属的脆性转变温度，抗回火脆性降低，因此本发明Mn控制在1.45-1.60％。

Ni能提高焊缝金属强度和韧性，Ni能够促进针状铁素体的析出，在低温环境下能够提高材料的低温韧性，但Ni高时会影响焊接金属的回火脆性，因此本发明中添加Ni在0.85～0.95％。

Ti在焊材中主要为细化晶粒的元素，Ti与钢中的O和N形成高熔点的TiO₂、TiN,弥散的分布在晶内，有效抑制针状铁素体长大，起到细化晶粒作用，能够有效改善焊缝金属的低温冲击韧性。本发明Ti含量控制在0.060-0.085％。

尤其地，当钢水中存在一定量的自由氧时，添加Ti合金，可以促进形成TiO₂。

S通常在钢中是有害元素，容易形成S的化合物，在钢材热加工过程中产生热脆性，但在易切屑钢中S能够改善钢材的切屑性能，本发明在钢中添加S，是以S在钢液中作为表面活性元素，焊丝在焊接过程中能有效降低熔滴表面张力，改善熔滴流动性。另外加入S形成可变形的MnS夹杂物，避免焊丝在加工过程中因不变形夹杂物导致断丝，能够显著改善焊接工艺性，因此本发明控制S含量0.008-0.015％。

O在钢中通常是有害元素，但钢液中的O元素与S元素类似为表面活性元素，确保焊丝在焊接过程中降低熔滴表面张力，改善焊接过程熔滴流动性。本发明控制钢中O在30-70ppm，同时存在的O是为了促进Ti形成TiO2。

P是有害元素，引起塑性、冲击韧性显著降低。特别是在低温时，它使钢材显著变脆，另外P容易在晶界处偏聚，促进焊接金属的回火脆化，本发明严格控制焊丝用线材P含量≤0.003％，能够显著改善焊接金属的低温冲击韧性。

Sb锑对钢的性质有恶劣影响，一般使钢的强度降低，脆性增加，

Sn可大大降低钢及合金的高温机械性能，对钢的加工性能也十分有害。

As与P同族，对钢性能影响有类似之处，As砷能提高钢的抗拉强度和屈服点，增强抗腐蚀和抗氧化性能，但砷含量较高时，则使钢的脆性增加，延伸率，断面收缩率及冲击韧性降低，并影响焊接性能。

本发明另外提供一种制造上述管线钢环焊气保焊接用线材的制造方法，具体生产工艺流程包括：依次进行的KR铁水预处理、转炉冶炼、LF精炼、方坯连铸、方坯加热轧制、盘条冷却。

其中：

冶炼符合本发明成份设计的钢水，炼钢采用转炉冶炼，为保证钢中P、S、Sn、Sb、As等无害元素足够低，转炉配备专用铁水，采用100％全铁水冶炼，并且铁水经过KR预处理加入专用脱硫剂，主要成分为70％±5％的CaO，将铁水S％脱至0.002％以下；为保证P％足够低，达到理想的0.003％以下，转炉加入专用脱P剂主要成分为50％±5％CaO，并且转炉出钢后对钢包进行扒渣处理，防止精炼过程P含量回升。

精炼炉采用高性能专用精炼渣(主要成分包括50％±5％的CaO、10％±5％的SiO₂、20％±5％的Al₂O₃)，同时保证精炼冶炼时间≥50min以上，精炼中后期(使用定氧仪)测定钢液中氧含量，当氧含量达到150ppm以下时，向钢水中加入S和Ti合金，促进钢中生成弥散的MnS和TiO2夹杂。精炼结束迅速将钢水转至连铸进行浇铸。

为了保证精炼后期形成的MnS和TiO形成夹杂物组成稳定，钢水经钢包精炼处理后立即吊至连铸成坯，而不经过真空脱气。如经RH真空处理，真空处理的耐材将会二次污染钢水，另外无法实现钢水中全氧含量控制在30-70ppm的目标，也无法实现目标夹杂物组成。

连铸采用的小方坯，中间包过热度控制在15-30℃，配备有电磁搅拌装备，保证铸坯均质性，盘条碳偏析均匀性好，采用专用的低碳合金钢结晶器保护渣，有效保证坯料表面质量，解决坯料表面结巴、凹坑问题。

坯料轧制选择合适的加热温度，坯料轧制前在加热炉内加热，加热炉高温段温度设置在1050℃以上，更优选的1080℃以上，总加热时间120min以上，高温段保持时间60min以上，保证铸坯有足够温度和时间扩散。高压水除鳞后(采用36架轧机)连续轧制，开轧温度为1000～1100℃，考虑到此钢种奥氏体化温度偏高，为得到均匀的铁素体加珠光体组织，终轧温度控制在800～900℃，轧制速度设定95～120m/s，吐丝温度800～900℃，吐丝后盘条立即进保温罩进行缓冷，充分延长盘条在保温罩内的停留时间，盘条在辊道上慢匀速运输，以108m长的保温罩为例，设置辊道速度为匀速0.15m/s以下，控制盘条在保温罩内停留时间11min以上，盘条在保温罩内的冷却速率确保≤1℃/s,出保温罩温度400℃左右，通过在保温罩内降低冷却速率充分缓冷，抑制冷却过快形成贝氏体组织，最终出缓冷罩热轧盘条组织为铁素体+珠光体。

与现有技术相比，本发明的优点或设计原理在于：

现有公开技术焊材中S含量一般小于0.005％，管线钢自动环焊工艺从12点至6点不同部位，焊接熔滴流动性不理想，本发明在现有技术基本上通过成分优化设计在钢中添加S元素和控制全O含量降低焊接过程熔滴的表面张力，能够显著改善环焊过程不同部位熔滴流动性，实现管线钢全位置自动焊。

进一步地，本发明为解决焊丝在焊接过程中熔滴流动性的问题，控制盘条全氧含量在30-70ppm范围，因本发明中添加Ti在0.06-0.085％范围，势必在钢冶炼过程中生成大量的TiO₂夹杂物。而现有公开技术钢中夹杂物主要为TiN，Ti的N化物阻止焊缝金属晶粒长大，改善冲击韧性，而本发明钢中生成的TiO₂夹杂物不仅可以发挥阻止焊缝金属晶粒长大、改善低温韧性的作用，还可以改善焊丝在环焊过程中熔滴流动性问题，本发明生产的焊丝在不同焊接参数下，焊接工艺适应性更好。

进一步地，本发明为了抑制针状铁素体长大，实现细化晶粒，最终改善环焊焊接工艺性和焊缝金属的强韧性，要求焊材中夹杂物组成为弥散的TiO₂。其中TiO₂夹杂物尺寸稳定小于5um，通过夹杂物面扫描分析，单位面积内夹杂物数量稳定大于35个/mm²，焊接过程中弥散的TiO2夹杂物熔点高能够有效抑制针状铁素体的长大，对改善焊缝金属的强韧性有显著效果。

本发明为了能够满足大减面率拉拔，保证φ5.5mm盘条直拉至φ1.0mm或φ1.2mm，减面率达到95％以上，通过控制轧制和冷却，实现热轧盘条组织为铁素体+珠光体(不含有贝氏体，组织中存在如上所述的夹杂物能够满足焊接工艺性和焊缝金属强韧性要求)，盘条抗拉强度稳定≤700MPa，面缩≥65％，此性能的盘条塑性较好，可免去多道次拉拔中间规格盘条的退火工序。

本申请选择终轧温度在800-900℃，根据本申请钢的CCT曲线得到，800-900℃为本申请钢的两相区轧制温度区间，通过实施两相区轧制诱导CCT曲线左移，实现铁素体+珠光体转变，抑制贝氏体转变，可保证用户从φ5.5mm直拉至φ1.2mm或φ1.0mm，免去中间规格退火工序。而现有轧制技术生产的管线钢全自动气保焊丝用盘条因多数轧制温度在900℃以上，最终组织为铁素体+珠光体+贝氏体，盘条拉拔至最终的φ1.2mm在中间规格需进行退火处理。

本发明涉及的钢水冶炼方法，通过控制化学成分和夹杂物性质实现自动环焊优异的焊接工艺性和焊缝金属的高强韧性。

附图说明

图1为本发明盘条的典型金相组织；

图2为传统管线钢焊丝用盘条的金相组织，含有明显的贝氏体组织。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细描述，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。本实施例中的文字描述是与附图对应的，涉及方位的描述也是基于附图的描述，不应理解为是对本发明保护范围的限制。

熔炼150吨左右实施例1、2对应的两种不同化学成分组成的钢水，并按制备方法生产对应盘条，生产流程包括铁水预处理、钢水初炼、LF精炼、方坯连铸、方坯加热轧制和盘条冷却，

其中：

冶炼符合本发明成份设计的钢水，炼钢采用转炉冶炼，为保证钢中P、S、Sn、Sb、As等无害元素足够低，转炉配备专用铁水，采用100％全铁水冶炼，并且铁水经过KR预处理加入专用脱硫剂，主要成分为70％的CaO，将铁水S％脱至0.002％以下；为保证P％足够低，达到理想的0.003％以下，转炉加入专用脱P剂主要成分为50％CaO，并且转炉出钢后对钢包进行扒渣处理，防止精炼过程P含量回升。

精炼炉采用高性能专用精炼渣(主要成分包括50％的CaO、10％的SiO₂、20％的Al₂O₃)，同时保证精炼冶炼时间≥50min以上，精炼中后期使用定氧仪测定钢液中氧含量，当氧含量达到150ppm以下时，向钢水中加入S和Ti合金，促进钢中生成弥散的MnS和TiO2夹杂。精炼结束迅速将钢水转至连铸进行浇铸。

为了保证精炼后期形成的MnS和TiO₂形成夹杂物组成稳定，钢水经钢包精炼处理后立即吊至连铸成坯，而不经过真空脱气，实现钢水中全氧含量控制在30-70ppm的目标，也无法实现目标夹杂物组成。

连铸采用200方的小方坯，中间包过热度控制在15-30℃，配备有电磁搅拌装备，保证铸坯均质性，盘条碳偏析均匀性好，采用专用的低碳合金钢结晶器保护渣，有效保证坯料表面质量，解决坯料表面结巴、凹坑问题。

坯料轧制选择合适的加热温度，坯料轧制前在加热炉内加热，加热炉高温段温度设置在1080℃以上，总加热时间120min，高温段保持时间60min，保证铸坯有足够温度和时间扩散。高压水除鳞后采用36架轧机连续轧制，开轧温度为1000～1100℃，考虑到此钢种奥氏体化温度偏高，为得到均匀的铁素体加珠光体组织，终轧温度控制在800～900℃，轧制速度设定95～120m/s，吐丝温度800～900℃，吐丝后盘条立即进保温罩进行缓冷，保温罩长108m，设置辊道速度为匀速0.15m/s以下，控制盘条在保温罩内停留时间11min以上，盘条在保温罩内的冷却速率确保≤1℃/s,出保温罩温度400℃左右。

实施例1：

C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni
							0.075	0.70	1.52	0.002	0.011	0.03	0.92
Ti	As	Pb	Sb	Sn	O	N
							0.065	0.002	0.002	0.002	0.002	0.0035	0.005

余量为Fe及不可避免的杂质元素。

上述成分的盘条夹杂物面扫描分析结果MnS+TiO2夹杂物尺寸稳定小于5um，夹杂物密度为49个/mm²。

直径为5.5mm的热轧盘条，抗拉强度在660MPa，面缩为68％，组织为铁素体加少量珠光体。

实施例2：

余量为Fe及不可避免的杂质元素。

上述成分的盘条夹杂物面扫描分析结果MnS+TiO₂夹杂物尺寸稳定小于5um，夹杂物密度为40个/mm²。

直径为5.5mm的热轧盘条，抗拉强度在670MPa，面缩为70％，组织为铁素体加少量珠光体。

除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims

1.一种管线钢气保焊丝用盘条的制备方法，其特征在于：包括依次进行的铁水预处理、钢水初炼、LF精炼、方坯连铸、方坯加热轧制和盘条冷却，

其中：

钢水冶炼的元素成分按照质量百分比计为：C：0.06-0.09%，Si：0.55-0.80%，Mn：1.45-1.60%，S：0.008-0.015%，Ni：0.85～0.95%，Ti：0.060-0.085%，O:30-70ppm余量为Fe 及不可避免的杂质元素，所述不可避免的杂质元素中，P≤0.003%，Sb≤0.002%，Sn≤0.002%，As≤0.003%；为了冶炼符合元素成分设计的钢水，初炼采用转炉冶炼，转炉采用100%全铁水冶炼，铁水在经过KR预处理阶段加入脱硫剂将铁水S%脱至0.002%以下，转炉冶炼阶段加入脱磷剂将P%降低到理想的0.003%以下，转炉出钢后对钢包进行扒渣处理，防止精炼过程P含量回升；

LF精炼的冶炼时间在50min以上，精炼中后期测定钢液中氧含量，氧含量要在150ppm以下，加入S和Ti合金在钢中生成弥散的MnS和TiO₂夹杂物，精炼结束后即将钢水进行连铸，过程中不经过真空脱气处理，此间维持钢水中的氧含量在30-70ppm；

坯料轧制前在加热炉内再加热，其中高温段温度设置在1050℃以上，总的加热时间120min以上，高温段保持时间60min以上，高压水除鳞后连续轧制，开轧温度为1000～1100℃，终轧温度控制在800～900℃，轧制速度95～120m/s，吐丝温度800～900℃，吐丝后盘条立即进保温罩进行缓冷，盘条在保温罩内匀速前进总的停留时间控制在11min以上，冷却速率≤1℃/s,出保温罩温度400℃±20℃，通过在保温罩内降低冷却速率充分缓冷，抑制冷却过快形成贝氏体组织，最终出缓冷罩热轧盘条组织为铁素体+珠光体。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：该盘条的微观组织为铁素体+珠光体，组织中存在弥散分布的TiO₂夹杂物，且TiO₂夹杂物的尺寸稳定小于5um，单位面积内该夹杂物数量稳定大于35个/mm²。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：该盘条的抗拉强度稳定≤700MPa，面缩≥65%，具备较好的塑性，能够进行减面率达到95%以上的直接拉拔作业。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述脱硫剂中CaO的重量含量在70%±5%。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述脱磷剂中CaO的重量含量在50%±5%。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：LF精炼过程中精炼渣包含50%±5%的CaO、10%±5%的SiO₂、20%±5%的Al₂O₃。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：连铸过程中钢水的过热度在15-30℃。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：坯料轧制前加热的高温段温度在1080℃以上。