CN114807751B - 一种具有优良模焊和低温性能的A516 Gr.70(HIC)抗酸管件钢及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有优良模焊和低温性能的A516Gr.70(HIC)抗酸管件钢及其制造方法，组织以多边形铁素体+游离珠光体为主，化学成分按质量百分比计为C 0.08～0.11％，Si 0.3～0.4％；P≤0.006％；S≤0.001％；Mn 0.9～1.1％；Al 0.02～0.04％；Nb0.01～0.015％；V 0.005～0.009％；Cr+Ni+Cu 0.35～0.65％；Ceq≤0.42；余量为Fe及不可避免的杂质。钢板的模焊性能满足：屈服强度≥300MPa,抗拉强度≥490MPa,‑80℃夏比冲击功≥100J,具有抗HIC性能。本申请结合低C、Mn+TMCP+回火代替正火工艺，通过回火温度和相应的模焊性能发现了特定的回归方程，该工艺和回归方程的配合使用能够替代原先的正火工艺，降低能源消耗及成本，同时钢材也满足了模焊性能。
Description
技术领域
本发明冶金技术领域，尤其是一种兼具优良模焊和低温性能的A516 Gr.70(HIC)抗酸管件钢及其制造方法。
背景技术
近几年来，世界石油天然气管道工程发展迅速，带动了管件产量的大幅提高，油气管道中的管件主要是用来改变管道方向、管径大小等作用，目前许多压气站、输配气站、储备库及输送的酸性油气等设施，都需要通过容器存储压缩，并通过容器钢板制成的管件连接到输送管路内进行输送，这就需要大量的容器钢板用于生产这种特殊连接功能的管件。油气管道输送带有酸性物质或气体的油气、且经过许多严寒或环境恶劣地带，需要使用能够在超低温及酸性环境中使用的容器管件，目前极限温度在-80℃左右，所以在使用容器钢板设计的管件(简称容器管件)就要考虑到材料的超低温性能、抗酸性能及可焊接性能，以此满足工程需要，提升工程安全。因此，对输送管道的钢材的强度、低温及抗酸性能要求也越来越高；容器钢板制作管件要经历热成型过程，为保证最终产品性能，还需要对试样进行模焊处理获得模焊性能，以评估钢板制成管件后的性能。
目前，纯粹容器管件这一方面的研究比较少，专利公开号CN103122436A的专利文献公开了一种-70℃正火型低温压力容器用钢板，可满足-70℃条件低温条件下使用，但缺少抗酸性能，另一方面正火的加热温度较高，生产能耗高。专利公开号CN110317996A公开的一种超低温及酸性服役条件下使用的A516Gr.65(HIC)管件用正火态的钢板及制造方法也是采用的是能耗更高的正火方式。
发明内容
本申请发明人针对容器管件钢A516 Gr.70(HIC)的化学成分、生产方法、抗酸性能、模焊及组织性能进行系统性的研究，主要考虑到低温冲击韧性、焊接和抗酸性能采用低含量的C和Mn设计；考虑到生产成本、强度和模焊性能，制造方法中设计TMCP+回火工艺。
本申请以生产6～50mm厚度的钢板为目的，通过特定工艺参数和相应的模焊性能发现特定的回归方程，该工艺和回归方程的配合使用能够替代正火工艺，降低热处理能耗；钢板满足模焊性能：屈服强度≥300MPa，抗拉强度≥490MPa，-80℃夏比冲击功≥100J，满足超低温及酸性服役条件下A516 Gr.70(HIC)抗酸管件用钢的使用要求。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种具有优良模焊和低温性能的A516Gr.70(HIC)抗酸管件钢，钢的组织以多边形铁素体+游离珠光体为主，化学成分按质量百分比计为C 0.08～0.11％，Si 0.3～0.4％；P≤0.006％；S≤0.001％；Mn 0.9～1.1％；Al0.02～0.04％；Nb 0.01～0.015％；V 0.005～0.009％；Cr+Ni+Cu 0.35～0.65％；Ceq≤0.42；余量为Fe及不可避免的杂质。
本发明化学成分中各成分的作用及其含量选择理由具体说明如下：
C：钢中C可以增加屈服和抗拉强度，但C过高会使钢的冲击韧性、焊接及抗酸性能变差；综合考虑，本发明C含量选择范围为0.08-0.11％。
Si：在炼钢过程中Si作为还原剂和脱氧剂，钢中加入Si，可以强化铁素体，提高强度、弹性极限和淬透性，但是Si使钢中的过热敏感性、裂纹倾向增大；综合考虑，本发明Si含量的范围确定为0.30-0.40％。
Mn：锰在炼钢过程中是良好的脱氧剂和脱硫剂，能提高钢的韧性，降低韧脆转变温度，锰也是提高钢的淬透性元素；但Mn偏析对钢板的抗酸性能和韧性产生不利影响，同时兼顾到钢板强度的要求，本发明中Mn含量设计在0.9～1.10％范围。
P、S:P在钢中严重引起凝固时的偏析，P溶于铁素体使晶粒扭曲、粗大，且增加冷脆性。本发明P含量的范围确定为≤0.006％；S使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，本发明S含量的范围确定为≤0.001％。
Al：脱氧元素，可通过形成AlN起到细化晶粒的作用。本发明Al含量的选择范围为0.02-0.04％。
Nb：铌能细化晶粒和降低钢的过热敏感性，提高强度而不损害韧性，但Nb的成本较高，综合考虑，本发明Nb含量的选择范围为0.01-0.015％。
Cr、Cu、Ni：Cr能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀能力，但同时降低冲击韧性；Cu能提高耐大气腐蚀能力，可以改善材料的耐腐蚀性能，但加入Cu过多后，钢有热脆倾向；Ni能提高钢的强度，而又保持良好的塑性和韧性，Ni有良好的耐腐蚀能力，但Ni资源稀缺，价格昂贵，综合考虑，本发明采用Cr、Cu、Ni复合添加，总含量的范围确定为0.35～0.65％。
V：V是钢中最常用的合金元素之一，降低钢的过热敏感性，提高钢的强度和韧性，在调质钢中，能提高钢的强度。另外，在钢中加入V还能改善钢的回火稳定性，降低钢的热处理敏感性；本发明V含量的范围确定为0.005～0.009％。
本申请在钢材的成分上采用低碳锰+微合金复合添加的设计，重点突出低含量的C、Mn；在钢材的生产工艺上采用TMCP+回火工艺，使材料具有良好的模焊性能、超低温及抗酸性能。
此外，本发明还提供了上述A516 Gr.70(HIC)抗酸管件钢的制造方法，具体生产步骤为：KR铁水预处理—BOF冶炼—LF和RH炉精炼—板坯连铸—板坯加热—TMCP轧制—ACC冷却—矫直—冷床冷却—回火—钢板剪切—检验入库。
具体步骤包括
(1)炼钢：冶炼符合化学成分设计的钢水，钢水浇铸成铸坯，铸坯加罩堆垛缓冷作扩氢处理，堆垛缓冷时间≥48小时。
(2)将铸坯加热至组织均质、完全奥氏体化、元素充分固溶，优选加热温度为1150～1220℃，铸坯出炉后使用高压水除鳞。
(3)两阶段轧制：
第一阶段为粗轧阶段：轧制温度区间：990～1100℃，其中下线温度990℃＝精轧960℃+5道次粗轧*6℃温降/道次，上线温度1100℃根据1220℃出炉温度经过高压水初除磷温降≥120℃确定的。中间坯厚度为2.0h～4.0h，h为钢板成品厚度，该中间坯的厚度能够保证加热炉的加热效果及保证精轧有5～9道轧制道次。粗轧累计压下率≥60％，能够保证奥氏体晶粒彻底破碎，为精轧未再结晶区轧制提供超细晶粒。
第二阶段为精轧阶段：在未再结晶区轧制，开轧温度为960～990℃，为了避免两相区轧制需要控制终轧温度≥Ar3(本申请Ar3的温度为780～810℃)，精轧设计5～9道轧制道次，精轧累计道次压下率≥50％，确保变形能够深入到钢板中心及获得更加细化的晶粒。
(4)冷却：轧后钢板进行ACC快速水冷却，冷速控制在6～12℃/s，出水温度600～680℃，出水后空冷。
(5)回火处理。
可选地，步骤(1)的钢水冶炼涉及KR铁水预处理、BOF转炉冶炼、LF精炼、RH真空脱气处理，然后采用连铸工艺将钢水浇铸成150mm以上厚度的连铸板坯。
优选地，步骤(5)中，回火温度参照最终钢材模焊性能中的抗拉强度和-80℃冲击功进行确定。本发明回火温度满足回归公式Z＝-4027+14.759X-0.011552X2-Y,式中：X为回火温度，单位℃；Y为抗拉强度，单位MPa；Z为-80℃冲击功，单位J。回火温度650～670℃，回火的时间为1.8min/mm，最短在炉时间≥30分钟。本发明采用的低C,Mn+TMCP+回火以取代正火工艺，所生产的6～50mm厚度钢板，通过该回火和相应的模焊性能发现的特定回归方程，能够替代原先的正火工艺，降低能源消耗及成本，且所生产的钢板满足模焊性能：屈服强度≥300MPa,抗拉强度≥490MPa；-80℃夏比冲击功≥100J超低温及酸性服役条件下A516Gr.70(HIC)抗酸管件用钢的使用要求。
本申请不含有贵金属Ni，但通过生产方法上的优化设计，同样满足了超低温酸性服役条件下A516 Gr.70(HIC)抗酸管件用钢的要求。
本申请抗酸管件钢的钢板生产厚度为6～50mm。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明采用纯净钢冶炼技术生产优良的坯料，并结合低C,Mn+TMCP+回火代替正火工艺，通过特定工艺参数和相应的模焊性能发现了特定的回归方程，该工艺和回归方程的配合使用能够替代原先的正火工艺，降低能源消耗及成本，同时钢材也满足了模焊性能。
(2)本发明所提供的钢板是国内外首次采用低C、Mn+TMCP+回火工艺来生产可满足模焊性能(屈服强度≥300MPa，抗拉性能≥490MPa)，超低温(-80℃夏比冲击功≥100J)及酸性服役条件下A516 Gr.70(HIC)抗酸管件用钢的使用要求。
(3)首次采用多变量回归法来构建回火工艺和关键模拟焊性能的3D曲面图，由此确定最佳的回火工艺。在本申请中，回火温度的确定主要考虑到低温冲击性能和钢板的抗拉强度，所以只取这两个主要因子；回归公式是根据现场实验数据(工艺参数)和实验检测结果进行推导的。回火温度过大或过小主要影响低温冲击韧性，3D图中的峰领处是低温冲击韧性及抗拉性能最好的地方，所以采用此处的回火温度，能够得到最佳的性能，减少工艺实验的次数及成本。
附图说明
图1为本发明实施例中9.5mm厚度钢板的抗HIC试样截面裂纹情况；
图2为本发明实施例中46mm厚度钢板的抗HIC试样截面裂纹情况；
图3为本发明实施例中9.5mm规格沿板厚方向1/2处的显微组织照片；
图4为本发明实施例中46mm规格沿板厚方向1/2处的显微组织照片；
图5为本发明回火温度和模焊性能所构成的3D曲面图。
具体实施方式
以下结合实施例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。
实施例1-2：
根据本发明的化学成分范围及制造方法，经KR铁水预处理—BOF冶炼—RH真空脱气—LF精炼—RH真空脱气—150mm厚度连铸坯连铸—连铸坯加罩缓冷—连铸坯检查清理—铸坯加热—高压水除鳞—TMCP轧制—ACC冷却—矫直—冷床冷却—回火—钢板剪切—检验入库工艺步骤，制造低成本和超低温条件下使用的A516 Gr.70(HIC)抗酸管件用钢板。
上述加热、TMCP轧制、冷却、回火的具体工艺为：将150mm厚度连铸坯加热至1210℃，均热段保温40min(实施例1)或150mm厚度连铸坯加热至1200℃，均热段保温30min(实施例2)，连铸坯出炉后使用高压水除鳞；然后进行两阶段轧制，第一阶段开轧温度1040-1060℃，累计综合压下率≥76％，中间坯厚度35mm(实施例1)或第一阶段开轧温度1000-1020℃，累计综合压下率≥65％，中间坯厚度95mm(实施例2)；第二阶段开轧温度为980℃，累计道次压下率75％，(实施例1)或第二阶段开轧温度960℃，累计道次压下率60％，(实施例2)，最终钢板厚度为9.5mm(实施例1)和46mm(实施例2)；轧后进行快速冷却，冷速8℃/s，出水温度660℃(实施例1)和冷速11℃/s，出水温度620℃(实施例2)；然后热矫直；热矫直后钢板进行冷床空冷，然后回火；回火温度为650～660℃，回火的时间为30分钟(实施例1)和回火温度为660～670℃，回火的时间为83分钟(实施例2)。
试验钢板的化学成分见表1，模焊后的力学和抗酸性能见表2和表3；钢板的HIC裂纹情况见图1，图2；显微组织见图3和图4所示。
表1实施例1和2中抗酸容器管件用钢板的化学成分(wt.％)
| 实例 | C | Si | Mn | P | S | Al | Nb | V | Cr+Cu+Ni | Ceq |
| 1 | 0.10 | 0.36 | 0.98 | 0.004 | 0.0005 | 0.031 | 0.012 | 0.007 | 0.42 | 0.34 |
| 2 | 0.09 | 0.37 | 1.05 | 0.004 | 0.0003 | 0.033 | 0.013 | 0.006 | 0.41 | 0.33 |
注：Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15
表2实施例1和2中抗酸容器管件用钢板模焊后的的抗酸性能
表3实施例1和2中抗酸容器管件用钢板模焊后的力学性能
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 (8)
1.一种具有优良模焊和低温性能的A516 Gr.70(HIC)抗酸管件钢，其特征在于：钢的组织以多边形铁素体+游离珠光体为主，化学成分按质量百分比计为C 0.08～0.11％，Si 0.3～0.4％；P≤0.006％；S≤0.001％；Mn 0.9～1.1％；Al 0.02～0.04％；Nb 0.01～0.015％；V 0.005～0.009％；Cr+Ni+Cu 0.35～0.65％；Ceq≤0.42；余量为Fe及不可避免的杂质；
所述钢的制造方法，步骤包括
(1)炼钢：冶炼符合化学成分设计的钢水，钢水浇铸成铸坯，铸坯加罩堆垛缓冷作扩氢处理，堆垛缓冷时间≥48小时；
(2)将铸坯加热至组织均质、完全奥氏体化、元素充分固溶，铸坯出炉后使用高压水除鳞；
(3)两阶段轧制：
第一阶段为粗轧阶段：轧制温度区间：990～1100℃，中间坯厚度为2.0h～4.0h，h为钢板成品厚度，累计压下率≥60％，能够保证奥氏体晶粒彻底破碎；第二阶段为精轧阶段：在未再结晶区轧制，开轧温度为960～990℃，为了避免两相区轧制需要控制终轧温度≥Ar3，精轧设计5～9道轧制道次，精轧累计道次压下率≥50％；
(4)冷却：轧后钢板快速水冷却，冷速控制在6～12℃/s，出水温度600～680℃，出水后空冷；
(5)回火处理，回火温度参照最终钢材模焊性能中的抗拉强度和-80℃冲击功进行推导确定，回火温度满足回归公式Z＝-4027+14.759X-0.011552X2-Y,式中：X为回火温度，单位℃；Y为抗拉强度，单位MPa；Z为-80℃冲击功，单位J。
2.根据权利要求1所述的具有优良模焊和低温性能的A516 Gr.70(HIC)抗酸管件钢，其特征在于：所述钢板的生产厚度为6～50mm。
3.根据权利要求1所述的具有优良模焊和低温性能的A516 Gr.70(HIC)抗酸管件钢，其特征在于：所述钢板的模焊性能满足：屈服强度≥300MPa，抗拉强度≥490MPa，-80℃夏比冲击功≥100J，具有抗HIC性能。
4.一种制造权利要求1所述的具有优良模焊和低温性能的A516 Gr.70(HIC)抗酸管件钢的方法，其特征在于：步骤包括
(1)炼钢：冶炼符合化学成分设计的钢水，钢水浇铸成铸坯，铸坯加罩堆垛缓冷作扩氢处理，堆垛缓冷时间≥48小时；
(2)将铸坯加热至组织均质、完全奥氏体化、元素充分固溶，铸坯出炉后使用高压水除鳞；
(3)两阶段轧制：
第一阶段为粗轧阶段：轧制温度区间：990～1100℃，中间坯厚度为2.0h～4.0h，h为钢板成品厚度，累计压下率≥60％，能够保证奥氏体晶粒彻底破碎；第二阶段为精轧阶段：在未再结晶区轧制，开轧温度为960～990℃，为了避免两相区轧制需要控制终轧温度≥Ar3，精轧设计5～9道轧制道次，精轧累计道次压下率≥50％；
(4)冷却：轧后钢板快速水冷却，冷速控制在6～12℃/s，出水温度600～680℃，出水后空冷；
(5)回火处理，回火温度参照最终钢材模焊性能中的抗拉强度和-80℃冲击功进行推导确定，回火温度满足回归公式Z＝-4027+14.759X-0.011552X2-Y,式中：X为回火温度，单位℃；Y为抗拉强度，单位MPa；Z为-80℃冲击功，单位J。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤(1)的钢水冶炼涉及KR铁水预处理、BOF转炉冶炼、LF精炼、RH真空脱气处理，然后采用连铸工艺将钢水浇铸成150mm以上厚度的连铸板坯。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤(2)铸坯加热温度为1150～1220℃。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤(3)中，Ar3的温度为780～810℃。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：回火温度650～670℃，回火的时间为1.8min/mm，最短在炉时间≥30分钟。
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