CN115287531A - 770MPa直缝焊接钢管用钢及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种770MPa直缝焊接钢管用钢及其制造方法。所述直缝焊接钢管用钢以质量百分数计包括如下化学元素：C：0.05％～0.10％、Si：0.10％～0.30％、Mn：1.30％～1.80％、Nb：0.03％～0.05％、P≤0.020％、S≤0.010％、Mo：0.10％～0.30％、Al：0.020％～0.050％、Ti：0.09％～0.13％，余量为Fe和不可避免的杂质。根据本申请实施例，通过添加合金组分，包括Nb、Mo和Ti元素，增强了低碳锰钢的力学性能，同时，优化合金组分含量，在降低成本的基础上达到细化晶粒的作用，避免了出现裂纹的几率。

Description

770MPa直缝焊接钢管用钢及其制造方法
技术领域
本申请属于钢铁冶炼技术领域，尤其涉及一种770MPa直缝焊接钢管用钢及其制造方法。
背景技术
高强结构用无缝钢管承载着巨大压力，尤其是在恶劣的低温环境作业时，对其低温冲击韧性要求很高。为了保证结构管在使用过程中的安全，必须要求高强结构用无缝钢管的钢质纯净度高、强度高、韧性优异、几何尺寸精度高，表面质量好，且具有良好的焊接性能。由于其性能要求严苛，现有的生产难度较大。
现有的高强结构用无缝钢管都是在低碳锰钢基础上，添加适量Cr、Ni、Mo、W、V、Nb、Ti等合金元素而成，保证了力学性能，但提高了冶炼成本。同时，添加的合金元素往往容易造成铸坯表面出现裂纹。
发明内容
本申请实施例提供一种770MPa直缝焊接钢管用钢及其制造方法，以解决生产770MPa无缝钢管用钢成本高且易出现裂纹的技术问题。
第一方面，本申请实施例提供一种770MPa直缝焊接钢管用钢，所述直缝焊接钢管用钢以质量百分数计包括如下化学元素：C：0.05％～0.10％、Si：0.10％～0.30％、Mn：1.30％～1.80％、Nb：0.03％～0.05％、P≤0.020％、S≤0.010％、Mo：0.10％～0.30％、Al：0.020％～0.050％、Ti：0.09％～0.13％，余量为Fe和不可避免的杂质。
根据本申请一方面的实施例，所述直缝焊接钢管用钢以质量百分数计包括如下化学元素：C：0.05％～0.10％、Si：0.10％～0.30％、Mn：1.30％～1.80％、Nb：0.035％～0.045％、P≤0.020％、S≤0.010％、Mo：0.20％～0.25％、Al：0.020％～0.050％、Ti：0.09％～0.13％，余量为Fe和不可避免的杂质。
根据本申请一方面的实施例，所述直缝焊接钢管用钢的金相组织包括：以体积分数计，70％-80％粒状贝氏体和20-30％板条贝氏体。
根据本申请一方面的实施例，所述直缝焊接钢管用钢的粒状贝氏体平均晶粒直径为4～5μm，板条贝氏体平均晶粒直径为3～4μm。
第二方面，本申请实施例提供了一种770MPa直缝焊接钢管用钢的制造方法，所述方法包括以下步骤：
将板坯进行加热至目标温度并保温，后进行轧制，得到轧制板；
将所述轧制板进行冷却和卷取，得到直缝焊接钢管用钢；
其中，所述板坯以质量百分数计包括如下化学元素：C：0.05％～0.10％、Si：0.10％～0.30％、Mn：1.30％～1.80％、Nb：0.03％～0.05％、P≤0.020％、S≤0.010％、Mo：0.10％～0.30％、Al：0.020％～0.050％、Ti：0.09％～0.13％，余量为Fe和不可避免的杂质余量为Fe和不可避免的杂质。
根据本申请一方面的实施例，所述目标温度为1230～1270℃，所述保温的时间为60～100min。
根据本申请一方面的实施例，所述轧制为多道次轧制，第一道次和第二道次轧制的压下率分别为40％～60％；
所述轧制的开轧温度为1140～1180℃，终轧温度为900～920℃。
根据本申请一方面的实施例，所述冷却为层流冷却，所述冷却的速度为20～40℃/s。
根据本申请一方面的实施例，所述卷取的温度为620～650℃。
本申请实施例的直缝焊接钢管用钢以质量百分数计包括如下化学元素：C：0.05％～0.10％、Si：0.10％～0.30％、Mn：1.30％～1.80％、Nb：0.03％～0.05％、P≤0.020％、S≤0.010％、Mo：0.10％～0.30％、Al：0.020％～0.050％、Ti：0.09％～0.13％，余量为Fe和不可避免的杂质，通过添加合金组分，包括Nb、Mo和Ti元素，增强了低碳锰钢的力学性能，同时，优化合金组分含量，在降低成本的基础上达到细化晶粒的作用，避免了出现裂纹的几率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，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为本申请实施例的工艺示意图；
图2示出的实施例1的770MPa级高强高频直缝焊接钢管用钢的金相组织图；
图3示出的实施例2的770MPa级高强高频直缝焊接钢管用钢的金相组织图；
图4示出的实施例3的770MPa级高强高频直缝焊接钢管用钢的金相组织图；
图5示出的对比例1的770MPa级高强高频直缝焊接钢管用钢的金相组织图；
图6示出的对比例2的770MPa级高强高频直缝焊接钢管用钢的金相组织图；
图7示出的对比例3的770MPa级高强高频直缝焊接钢管用钢的金相组织图。
具体实施方式
为了使本申请的申请目的、技术方案和有益技术效果更加清晰，以下结合实施例对本申请进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的实施例仅仅是为了解释本申请，并非为了限定本申请。
为了简便，本申请仅明确地公开了一些数值范围。然而，任意下限可以与任何上限组合形成未明确记载的范围；以及任意下限可以与其它下限组合形成未明确记载的范围，同样任意上限可以与任意其它上限组合形成未明确记载的范围。此外，尽管未明确记载，但是范围端点间的每个点或单个数值都包含在该范围内。因而，每个点或单个数值可以作为自身的下限或上限与任意其他点或单个数值组合或与其他下限或上限组合形成未明确记载的范围。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“以上”、“以下”为包含本数，“一种或多种”中的“多种”的含义是两种及其两种以上。
本申请的上述申请内容并不意欲描述本申请中的每个公开的实施方式或每种实现方式。如下描述更具体地举例说明示例性实施方式。在整篇申请中的多处，通过一系列实施例提供了指导，这些实施例可以以各种组合形式使用。在各个实例中，列举仅作为代表性组，不应解释为穷举。
近年来随着经济的高速发展，对于高强结构无缝钢管用钢的性能和价格要求越来越高。
无缝钢管需要在恶劣的低温环境作业，无缝钢管也需在承载着巨大压力状态下作业，对其低温冲击韧性要求很高。为了保证结构管在使用过程中的安全，必须要求高强结构用无缝钢管用钢的钢质纯净度高、强度高、韧性优异、几何尺寸精度高，表面质量好，且具有良好的焊接性能，因而生产难度较大。
另外，随着全球钢铁产能的过剩和资源危机的出现，钢铁行业需要实现低成本，为此，在成分设计时需要考虑减少钢铁产品中合金元素的加入量，以满足降低生产成本和节约合金资源的要求。
但是，高强结构无缝钢管用钢一般是在低碳锰钢基础上加上适量Cr、Ni、Mo、W、V、Nb、Ti等合金元素而成，如何平衡降低成本与保证高强结构无缝钢管的性能，是发明人考虑的重点。
现有技术中，低温韧性优良的高强无缝钢管，以质量百分数计，采用了较高含量的Ni(1.0％～1.4％)和Mo(0.40％～0.70％)的合金，大大增加了钢成本；同时要求P≤0.010％，增加了冶炼难度，也增加了生产成本；该方法成本较高。
现有技术中，起重机臂架用钢管，其屈服强度要求达到960MPa，以质量百分数计，加入了较高的Mo(0.40％～0.70％)和W(0.10％～1.50％)的合金，增加了钢的成本；此方法中加入0.03％～0.35％的Nb，也增加了连铸坯表面出现裂纹的几率，无法达到解决该技术问题。
现有技术中，无缝钢管用钢一般都考虑加入W、Mo、Cr等主要合金元素来实现高强的要求，成本较高。
基于此，发明人进行了大量的研究，旨在提供一种直缝焊接钢管用钢替代现有的无缝钢管用钢，在低碳的基础上，选择性添加合金元素，减少连铸坯出现表面裂纹的几率；同时在此成分下通过对直缝焊接钢管用钢进行调质热处理工艺保证无缝钢管的强度及低温韧性指标满足要求。
为保证材料具有更好的低温韧性，并实现经济性的目的，同时便于生产，本申请采用以Ni代W，设计加入Ni、Mo、Cr等主要合金。从含W元素的合金的效果可以看出，一方面，在钢中W元素形成碳化物外，也部分地溶入铁中形成固溶体，其作用与Mo元素相似，可以增加回火稳定性，提高淬透性和硬度；另一方面，在钢中W元素可形成难溶的碳化物，能显著提高的耐磨性和切削性，并保证较高的高温强度，所以多用于合金工具钢中，发明人在现有W元素具有如此优异的效果下，去除了W元素，降低了生产成本，同时通过调控其他元素，实现钢的性能。
本申请实施例第一方面提供一种770MPa直缝焊接钢管用钢，所述直缝焊接钢管用钢以质量百分数计包括如下化学元素：C：0.05％～0.10％、Si：0.10％～0.30％、Mn：1.30％～1.80％、Nb：0.03％～0.05％、P≤0.020％、S≤0.010％、Mo：0.10％～0.30％、Al：0.020％～0.050％、Ti：0.09％～0.13％，余量为Fe和不可避免的杂质。
根据本申请的实施例，直缝焊接钢管用钢中，采用Nb、Ti、Mo这种微合金体系，能更好地满足本方面材料的性能要求，同时还能大幅降低材料的成本；使直缝焊接钢管用钢的屈服强度≥770MPa；抗拉强度820～1000MPa；延伸率≥14％；-40℃冲击吸收能量KV≥45J。
根据本申请实施例，选择各化学元素以及相应添加量的原理如下：
C：C的主要作用是固溶强化，是确保高频直缝钢管强度的重要元素，C是确保钢强度的重要元素。为提高淬透性，以达到屈服强度大于770MPa的要求，C必须在0.05％以上。如C大于0.10％，则钢的塑性、韧性会下降，同时C含量较高会导致钢的焊接性能变差。C的含量范围为0.05％～0.10％，优选为0.06％～0.09％。
Mn：Mn对调质处理钢力学性能的影响主要通过提高钢的淬透性来达到。Mn含量低于1.30％，得不到预期强化效果，Mn含量大于1.80％，钢的中心偏析会变差，塑性、韧性会下降，同时Mn含量较高会导致钢的焊接性能变差。因此设计Mn含量在1.30％～1.80％，更加优选含量范围为1.40％～1.60％。
Mo：Mo可以起到提高钢的淬透性、提高热强性、防止回火脆性等作用。Mo含量在0.10％以上时其效果明显，但Mo含量较高会导致钢的焊接性能变差，且Mo属于贵重金属，因此在满足性能的情况下应尽量少加。所以Mo的优选范围为0.10％～0.30％，优选为0.15％～0.25％。
Al：Al是钢中的主要脱氧元素，也是一种廉价的细化晶粒元素，在本发明中加Al的主要目的是细化晶粒、固定钢中的N，从而显著提高钢的冲击韧性。Al含量应大于0.020％，如Al含量超过0.050％，会导致钢中非金属夹杂物增加，或使韧性变差，因此其上限设定为0.050％。优选为0.025％～0.045％。
Ti：钛与N、O、C等元素都有极强的亲和力，在钢种加入钛铁进行微钛处理，利用Ti与钢中N形成Ti N，部分凝固状态下析出的Ti N可阻止钢管在加热过程中晶粒的长大，可以改善钢管的塑性韧性，同时还可以改善钢管的焊接性能。但Ti的加入量过多易形成Ti N夹杂，使钢管韧性变差，因此其上限设定为0.13％，优选为0.10％～0.12％。
Nb：铌在钢中主要是起到细晶强化的作用，加入过多强化效果减弱，且不经济，因此其上限设定为0.05％，优选为0.035％～0.045％。
P：磷易在晶界偏析，能升高韧脆转变温度，降低钢的韧性，含量太高会带来-40℃低温冲击韧性的降低，所以须将其限定在0.020％以下，优选为0.015％以下。
S：硫易与锰等形成非硬质夹杂，其含量的增加会导致夹杂物数量的增加，在加工过程中沿轧制方向发生延伸变形，破坏材料基体的连续性，降低无缝钢管的低温冲击韧性。所以须将其限定在0.005％以下，优选为0.003％以下。
Si：0.10％～0.30％，Si是有效的脱氧元素，含量过低会减弱脱氧效果，过高会降低钢的韧性，因此，选择0.15％～0.25％作为Si的含量范围。
在一些实施例中，所述直缝焊接钢管用钢以质量百分数计包括如下化学元素：C：0.05％～0.10％、Si：0.10％～0.30％、Mn：1.30％～1.80％、Nb：0.035％～0.045％、P≤0.020％、S≤0.010％、Mo：0.20％～0.25％、Al：0.020％～0.050％、Ti：0.09％～0.13％，余量为Fe和不可避免的杂质。
根据本申请实施例，通过采用Nb和Ti合金进行微合金化处理以达到细化晶粒的作用，通过控制直缝焊接钢管用钢的粒状贝氏体平均晶粒直径为4～5μm，板条贝氏体平均晶粒直径为3～4μm，可以有效提高钢的强韧性。
在一些实施例中，所述直缝焊接钢管用钢的金相组织包括：以体积分数计，70％-80％粒状贝氏体和20-30％板条贝氏体。
本申请实施例第二方面提供了一种770MPa直缝焊接钢管用钢的制造方法，所述方法包括以下步骤：
将板坯进行加热至目标温度并保温，后进行轧制，得到轧制板；
将所述轧制板进行冷却和卷取，得到直缝焊接钢管用钢；
其中，所述板坯以质量百分数计包括如下化学元素：C：0.05％～0.10％、Si：0.10％～0.30％、Mn：1.30％～1.80％、Nb：0.03％～0.05％、P≤0.020％、S≤0.010％、Mo：0.10％～0.30％、Al：0.020％～0.050％、Ti：0.09％～0.13％，余量为Fe和不可避免的杂质余量为Fe和不可避免的杂质。
根据本申请的实施例，通过轧制和冷却，控制铌和钛的纳米级别的析出，以达到770MPa直缝焊接钢管用钢的性能要求。
在一些实施例中，770MPa直缝焊接钢管用钢的制备工艺，如图1所示，所述工艺可以包括以下步骤：将铁水依次进行KR脱硫→转炉冶炼→炉外精炼(LF+RH)→板坯连铸→常规热连轧→层流冷却→卷取→性能检验→包装入库。
根据本申请的实施例，直缝焊接钢管用钢可广泛应用于履带式起重机臂架主旋管及各类高强结构件，液压油缸和海洋平台的钢结构上，以替代现有无缝钢管的使用，降低全流程制造成本，所制备的770MPa级高强焊管钢板不仅强度高且塑性和韧性匹配良好。
在一些实施例中，所述目标温度为1230～1270℃，所述保温的时间为60～100min。
根据本申请的实施例，将板坯加热至目标温度1230～1270℃，进行保温，有利于Ti的完全固溶。
在一些实施例中，所述轧制为多道次轧制，第一道次和第二道次轧制的压下率分别为40％～60％。
根据本申请的实施例，第一道次和第二道次轧制的压下率分别为40％～60％，有利于得到细小的奥氏体晶粒。
在一些实施例中，所述轧制的开轧温度为1140～1180℃，终轧温度为900～920℃。
在一些实施例中，所述冷却为层流冷却，所述冷却的速度为20～40℃/s。
根据本申请的实施例，层流冷却的速度为20～40℃/s，具有细化析出晶粒的积极效果。
在一些实施例中，所述卷取的温度为620～650℃。
根据本申请的实施例，控制卷取的温度为620～650℃，有利于得到较多的粒状贝氏体。
实施例
下述实施例更具体地描述了本申请公开的内容，这些实施例仅仅用于阐述性说明，因为在本申请公开内容的范围内进行各种修改和变化对本领域技术人员来说是明显的。除非另有声明，以下实施例中所报道的所有份、百分比、和比值都是基于重量计，而且实施例中使用的所有试剂都可商购获得或是按照常规方法进行合成获得，并且可直接使用而无需进一步处理，以及实施例中使用的仪器均可商购获得。
实施例及对比例
本申请实施例1-3的770MPa直缝焊接钢管用钢，所述直缝焊接钢管用钢以质量百分数计包括如下化学元素：C：0.05％～0.10％、Si：0.10％～0.30％、Mn：1.30％～1.80％、Nb：0.03％～0.05％、P≤0.020％、S≤0.010％、Mo：0.10％～0.30％、Al：0.020％～0.050％、Ti：0.09％～0.13％，余量为Fe和不可避免的杂质。具体成分如表1所示。
本申请对比例1-3的770MPa无缝钢管用钢的具体化学成分如表1所示。
表1各实施例和对比例的实验钢的化学组分(wt％)。
Figure BDA0003742735680000091
将表1成分所示实施例的铸坯置入加热炉1230～1270℃，保温60～100min；随后进行多道次热轧，前两个道次进行大压下，压下率为40％～60％，开轧温度为1140～1180℃，终轧温度为900～920℃，得到厚度为3～6mm厚的钢板。接着终轧后以20～40℃/s的冷速层流冷却至620～650℃卷取得到770MPa级高强焊管钢板。本具体实施方式所述770MPa级高强焊管钢板的制备方法，其中各实施例的具体工艺参数详见表2。
表2各实施例的实验钢制备方法中的具体工艺参数。
对表1成分所示对比例的铸坯置入加热炉1230～1270℃，保温60～100min；随后进行多道次热轧，具体工艺参数如表3所示。
Figure BDA0003742735680000101
表3各实施例的实验钢制备方法中的具体工艺参数
Figure BDA0003742735680000102
性能检测
将实施例和对比例制得的钢板，进行力学性能检测，按照GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》进行，标距为50mm，不同工艺参数所对应的性能如表4所示。
表4各实施例和对比例钢板的力学性能检测结果。
Figure BDA0003742735680000103
由上表3可知，通过控制实施例1～4的钢板中化学元素的组分，尤其是铌和钛元素的含量，以及轧制和冷却，使钢板具有优良的力学性能，可以达到770MPa直缝焊接钢管用钢的性能要求；而对比例中的钢板，由于成分和工艺不在申请范围内，其性能没有达到770MPa直缝焊接钢管用钢的性能要求。
此外，热轧后冷却至卷取温度进行卷取，省去常规的回火过程，缩短工艺流程降低了成本。
实施例1、2、3的组织示意图如图2、3、4所示，对比例1、2、3的组织示意图依次如图5-7所示，从实施例和对比例的图可在，实施例的中的金相组织以粒状贝氏体为主，对比例1和2的金相组织以板条贝氏体为主，对比例3的金相组织以铁素体为主，因而实施例的钢板比对比例的钢板具有更加优异的强韧性。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的系统、模块和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。应理解，本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种770MPa直缝焊接钢管用钢，其特征在于，所述直缝焊接钢管用钢以质量百分数计包括如下化学元素：C：0.05％～0.10％、Si：0.10％～0.30％、Mn：1.30％～1.80％、Nb：0.03％～0.05％、P≤0.020％、S≤0.010％、Mo：0.10％～0.30％、Al：0.020％～0.050％、Ti：0.09％～0.13％，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的直缝焊接钢管用钢，其特征在于，
所述直缝焊接钢管用钢以质量百分数计包括如下化学元素：C：0.05％～0.10％、Si：0.10％～0.30％、Mn：1.30％～1.80％、Nb：0.035％～0.045％、P≤0.020％、S≤0.010％、Mo：0.20％～0.25％、Al：0.020％～0.050％、Ti：0.09％～0.13％，余量为Fe和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的直缝焊接钢管用钢，其特征在于，所述直缝焊接钢管用钢的金相组织包括：以体积分数计，70％-80％粒状贝氏体和20-30％板条贝氏体。
4.根据权利要求1所述的直缝焊接钢管用钢，其特征在于，所述直缝焊接钢管用钢的粒状贝氏体平均晶粒直径为4～5μm，板条贝氏体平均晶粒直径为3～4μm。
5.一种770MPa直缝焊接钢管用钢的制造方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
将板坯进行加热至目标温度并保温，后进行轧制，得到轧制板；
将所述轧制板进行冷却和卷取，得到直缝焊接钢管用钢；
其中，所述板坯以质量百分数计包括如下化学元素：C：0.05％～0.10％、Si：0.10％～0.30％、Mn：1.30％～1.80％、Nb：0.03％～0.05％、P≤0.020％、S≤0.010％、Mo：0.10％～0.30％、Al：0.020％～0.050％、Ti：0.09％～0.13％，余量为Fe和不可避免的杂质余量为Fe和不可避免的杂质。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述目标温度为1230～1270℃，所述保温的时间为60～100min。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述轧制为多道次轧制，第一道次和第二道次轧制的压下率分别为40％～60％。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述轧制的开轧温度为1140～1180℃，终轧温度为900～920℃。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述冷却为层流冷却，所述冷却的速度为20～40℃/s。
10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述卷取的温度为620～650℃。
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