CN116288017B

CN116288017B - 大厚壁耐低温管线钢及其制造方法

Info

Publication number: CN116288017B
Application number: CN202310577269.5A
Authority: CN
Inventors: 朱延山; 曲锦波; 胡显军
Original assignee: Jiangsu Shagang Group Co Ltd; Zhangjiagang Hongchang Steel Plate Co Ltd; Jiangsu Shagang Iron and Steel Research Institute Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Shagang Group Co Ltd; Zhangjiagang Hongchang Steel Plate Co Ltd; Jiangsu Shagang Iron and Steel Research Institute Co Ltd
Priority date: 2023-05-22
Filing date: 2023-05-22
Publication date: 2023-07-25
Anticipated expiration: 2043-05-22
Also published as: CN116288017A

Abstract

本发明公开了大厚壁耐低温管线钢及其制造方法，其成分质量百分比包括:C0.03~0.05%、Si0.2~0.5%、Mn1.3~1.5%、Nb0.03~0.045%、V0.015~0.025%、Ti0.01~0.02%、Cr0.2~0.3%、Ni0.35~0.5%、Mo0.04~0.08%、Cu0.15~0.25%、Al0.03~0.06%、P≤0.008%、S≤0.002%、Ca0.0005~0.003％、[N]≤0.004%、[O]≤0.002%、[H]≤0.0015%、B≤0.0008，其余为Fe；制造包括冶炼、装炉加热、轧制、水冷步骤；本发明管线钢低温韧性优异。

Description

大厚壁耐低温管线钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种大厚壁（厚壁42~52mm）耐低温管线钢及其制造方法，属于管线钢制造技术领域。

背景技术

油气集输管道的低应力断裂扩展将造成灾难性的事故，为避免事故的发生，必须使管道裂纹在初期就能够止裂。因此管线材料的韧性是油气管道安全运行的重要技术指标之一。落锤撕裂试验（DWTT）是表征管线钢材料韧性的一种重要试验方法，因其试验结果与实物气体爆破试验结果具有良好的一致性，被广泛应用于控制和预测管线钢管的断裂性能，其试验结果被作为衡量管线钢管抵抗脆性开裂能力的韧性指标之一。

寒冷的环境(如环境温度达到-45℃)对钢板的低温DWTT性能提出了更高的要求，并且为了提高输送压力或者深海管线需要，需用壁厚也越来越大。因此，提高大厚壁管线钢的低温DWTT性能是开发高钢级管线钢的一个关键问题。

目前国内外管道针对高强度、高韧性的研究主要集中在成分设计、轧制工艺、冷却工艺控制及显微组织控制等方面进行优化设计，成分一般都是采用低碳成分、微合金化和固溶强化，但是因为较低的碳含量，在大壁厚管线钢的生产时往往需要添加Mo元素和大量的Nb元素来增加奥氏体的稳定性，以期通过低温轧制获得细小等效晶粒尺寸，但这一方面增加了合金成本，另一方面也由于Mo、高的Nb元素促进马奥岛的形成，导致大厚度钢止裂性能下降。

发明内容

本发明的目的是提供一种大厚壁（大厚壁是指厚壁42~52mm）耐低温管线钢及其制造方法，通过低碳微合金化成分设计，利用轧制冷却工艺优化，控制组织、晶粒尺寸及残余奥氏体的形态，获得了大厚壁耐低温管线钢，适合工业化生产。

为达到上述目的，本发明的技术方案是:

42~52mm大厚壁耐低温管线钢，其成分质量百分比包括:C:0.03~0.05%、Si:0.20~0.50%、Mn:1.30~1.50%、Nb:0.03~0.045%、V:0.015~0.025%、Ti:0.01~0.02%、Cr:0.20~0.30%、Ni:0.35~0.50%、Mo:0.04~0.08%、Cu:0.15~0.25%、Al:0.03~0.06%、P:≤0.008%、S:≤0.002%、Ca:0.0005~0.0030％、[N]:≤0.004%、[O]:≤0.002%、[H]:≤0.0015%、B:≤0.0008，其余为Fe和不可避免的杂质；且同时满足，中心偏析不高于C0.5，中心疏松不高于0.5级。

C是管线钢中的重要元素，主要起固溶强化作用，同时一部分C原子与Nb、V、Ti等微合金元素作用可析出微合金的碳化物，在高温变形阶段可抑制再结晶，在低温区起析出强化作用，但由于C是间隙固溶原子，会引起基体点阵强烈的晶格畸变，降低管线钢的低温落锤性能，为兼顾强度与低温落锤性能，C选择0.03~0.05%。

Mn通过固溶强化提高钢的强度，合理的Mn含量可以在低成本的情况下保证管线钢强度，且不会对韧性造成损害。Mn可以扩大奥氏体区元素，降低奥氏体相变温度，有利于获得细小的相变产物，提高韧性，Mn选择1.30~1.50%。

V在钢中的质量分数低于0.03%时，固溶态的钒可以占绝大多数，有效地提高淬透性，且具有较高的析出强化作用。因此，V选择0.015~0.025%。

Nb强烈抑制奥氏体再结晶及其在γ中析出钉扎奥氏体晶界细化原奥氏体晶粒的特点，使材料在相变后得到的组织明显细化,晶粒尺寸变小，但是过高的Nb不利于焊接线能量的提高，所以Nb选择0.03~0.045%。

Mo可以提高材料的淬透性，为了提高大厚度管线钢的淬透性, 管线钢中需添加一定的Mo合金, 添加一定含量的Mo可以显著推迟铁素体转变, 获得针状铁素体组织，对提高管线钢强度和韧性有利, 但Mo导致MA组元形成数量增加, 对提高韧性不利。因此, 厚规格管线钢应适当控制Mo合金的添加量，Mo选择0.04~0.08%。

Cr部分替代Mo合金, 可以保证淬透性的同时有利于减少MA组元形成，有利于韧性提高；但过高的Cr含量会提高管线钢的显微硬度，降低焊接性能，所以Cr选择0.20~0.30%。

Al属于强脱氧元素，高的Al含量会导致夹杂物增加，在保证脱氧效果的基础上，应尽量降低Al含量，Al选择0.03-0.06%。

Ca主要作用是夹杂物的变性处理，为保证夹杂物的改性，添加了Ca:0.0005~0.0030%。

Cu奥氏体相中的溶解度较大，而在铁素体相中的溶解度较小，并随着温度的下降，溶解度急剧降低，因而轧制后缓慢冷却或经时效处理后，Cu会以第二相的形式析出，从而对钢起到强化作用，通过适当降低Mn含量，增加Cu含量，可以抵消Mn含量降低导致的强度损失，但当Cu含量相对过高时，会对冲击韧性及热加工性能产生不利影响。因此，Cu选择0.15~0.25%。

Ni可以通过固溶强化提高钢的强度，降低层错能提高韧性，在厚规格管线钢中可以弥补厚度增加导致的韧性下降。

具体地，成分质量百分比优选:C:0.035%、Si:0.22%、Mn:1.35 %、Nb:0.035%、V:0.025%、Ti:0.015%、Cr:0.25%、Ni:0.38%、Mo:0.05%、Cu:0.18~0.25%、Al:0.035%、P:0.008%、S:0.0015%、Ca:0.0005％、[N]:0.0035%、[O]:0.002%、[H]:0.0015%；或成分质量百分比优选:C:0.045%、Si:0.35%、Mn:1.48%、Nb:0.045%、V:0.023%、Ti:0.02%、Cr:0.28%、Ni:0.45%、Mo:0.066%、Cu:0.25%、Al:0.046%、P:0.008%、S:0.002%、Ca:0.0030%、[N]:0.0038%、[O]:0.00158%、[H]:0.0014%、B:0.0006。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案:

S1:按照如上的化学成分设计方案进行冶炼，通过电磁搅拌和连铸末端轻压下获得不低于320mm（如320~400mm）厚度连铸坯，中心偏析不高于C0.5，A、B、C、D类夹杂均不高于1级。将所述铸坯堆垛缓冷72小时后拆垛。

S2:装炉加热，板坯加热至NbC固溶温度（T_NbC）以上50~80℃且低于NbN的固溶温度（T_NbN），加热系数1.0~1.1min/mm，通过加热温度和加热时间的合理搭配保证NbC完全固溶，且奥氏体晶粒不过分长大。其中NbC的固溶温度采用经验公式:T_NbC=7510/(2.96-lg([C]*[Nb]))-273；NbN的固溶温度采用经验公式:T_NbN=10800/(3.7-lg([N]*[Nb]))-273 获得，其中，C表示C元素质量百分比乘以100、Nb表示Nb元素质量百分比乘以100、N表示N元素质量百分比乘以100。

板坯加热温度设置的目的:固溶的Nb在随后的轧制过程中在晶界析出，起到弥散强化的作用，而保留的部分NbN在加热过程中起到拖曳作用，防止晶粒长大，同时固溶Nb对降低屈强比也有积极作用。

加热系数1.0~1.1min/mm的选择，基于:时间过短不能保证板坯的心部加热充分，合金不能充分固溶，同时心部加热不透，也会对后续轧钢的板形、中心变形渗透造成不利影响，加热时间过长也容易导致晶粒的长大。

S3:采用再结晶区和未再结晶区两阶段轧制。钢板出炉除磷后进行再结晶区轧钢，再结晶区轧制阶段压下率≥42%且不小于最终钢板厚度的3.2倍；单道次压下率≥8%，且最后两道次的压下率≥17%，两道次变形间隔≤8s。钢板厚度达到42mm~52mm，总压缩比低。再结晶轧制阶段为充分发挥再结晶区的细晶作用，采用至少两道次压下量≥17%以有效的破碎晶粒，同时通过控制道次变形间隔时间，降低道次间的晶粒软化，增加累计形变效果，保证粗轧后奥氏体晶粒≤20μm；未再结晶区轧制阶段由于变形温度低，大压下困难，要充分发挥变形累计作用，需尽量增加中间坯厚度，为合理分配两阶段轧制压下率，中间坯厚度不小于钢板厚度的3.2倍；终轧温度选择Ar3+10℃~20℃，较低的轧制温度可以有效细化组织，同时冷却过程中产生少量的形变诱导铁素体组织可以提升低温韧性。Ar3采用经验公式:Ar3=910-310C-80Mn-20Cu-15Cr-55Ni-80Mo，其中，C表示C元素质量百分比乘以100、Mn表示Mn元素质量百分比乘以100、Cu表示Cu元素质量百分比乘以100、Cr表示Cr元素质量百分比乘以100、Ni表示Ni元素质量百分比乘以100、Mo表示Mo元素质量百分比乘以100。

再结晶区轧制的主要目的是细化奥氏体组织，总压下率越大、单道次压下率越大，对奥氏体晶粒的细化效果越明显。在实际生产中，因为原始板坯的限制，压下率不能达到无限大。根据实验结果，总压下率设定为>42%，可达到有效细化晶粒的目的；保证单道次压下率≥8%避免轧制过程中仅表面层变形，最后两道次压下率≥17%，可有效保证变形渗透到心部，焊合中心疏松、缩孔缺陷；道次间隔时间短，可以有效的强化变形累计作用，考虑到实际生产中轧制限制，道次间隔时间设定为≤8s；中间坯厚度是影响未再晶区奥氏体扁平化的初始条件，为了保证精轧阶段效果，设定中间坯厚度不小于钢板厚度的3.2倍。精轧阶段为未再结晶区轧制。终轧温度选择是基于: 低的终轧温度，可以有效避免晶粒的回复长大过程，但是过低的终轧温度过低会导致轧制过程或者轧后至冷却的过程中发生铁素体析出，导致强度下降。

S4:冷却阶段主要获得合理的组织，控制马奥岛的大小及数量。钢板轧后空冷冷却（如20~25秒）后进行水冷，冷却速度控制为5~10℃/s，终冷温度控制为280~350℃。冷却速度和终冷温度是获得理想组织的主要因素，冷速过低、终冷温度过高导致晶粒粗大、残余奥氏尺寸变大、数量变多，不利于低温落锤性能，同时等轴铁素体含量偏高，导致强度不足；冷速过高、终冷过低，获得小角度晶界的板条贝氏体组织，不利于低温落锤。

上述钢板堆垛缓冷后获得准多边形铁素体+针状铁素体+残余奥氏体的组织，以体积百分比计，准多边形铁素体含量为75~85%，针状铁素体含量为15~25%，残余奥氏体≤8%，奥氏体颗粒尺寸≤3μm。

本发明通过成分设计和工艺优化，该管线钢低温韧性优异，-62℃环境下单面减薄DWTT韧性剪切面积SA≥85%，屈服强度Rt0.5≥450MPa，抗拉强度≥540MPa，可用于极地海底管道的建设。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为实施例1厚度1/4金相组织。

图2为实施例2厚度1/4中心金相组织。

图3为实施例2厚度1/4处残余奥氏体组织。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供厚度为42mm的钢板，成分质量百分比为:C:0.035%、Si:0.22%、Mn:1.35 %、Nb:0.035%、V:0.025%、Ti:0.015%、Cr:0.25%、Ni:0.38%、Mo:0.05%、Cu:0.18%、Al:0.035%、P:0.008%、S:0.0015%、Ca:0.0005％、[N]:0.0035%、[O]:0.002%、[H]:0.0015%，其余为Fe和不可避免的杂质，中心偏析C0.5，中心疏松0.5级，铸坯厚度320mm。

基于上述化学成分，可得T_NbC=1006℃，T_NbN=1146℃，Ar3=759℃，其中:

T_NbC=7510/(2.96-lg([C]*[Nb]))-273

T_NbN=10800/(3.7-lg([N]*[Nb]))-273

Ar3=910-310C-80Mn-20Cu-15Cr-55Ni-80Mo

本实施例中，所述钢板的生产方法包括以下步骤:

S1:按照如上的化学成分设计方案进行冶炼，通过电磁搅拌和连铸末端轻压下获得320mm厚度连铸坯；将所述铸坯堆垛缓冷72小时后拆垛。

S2:装炉加热，板坯加热1080℃，加热340min。

S3:采用再结晶区和未再结晶区两阶段轧制。钢板出炉除磷后进行再结晶区轧钢，单道次压下率8%~20%，最后两道次压下率18%、20%，两道次变形间隔6~8s，中间坯厚度160mm；轧后淋水加速冷却，返红温度880℃开始轧制，终轧温度780℃。

S4:钢板轧后空冷冷却22秒后进行水冷，冷却速度为8~10℃/s，终冷温度控制为320℃。

冷却后钢板取样检测，组织为准多边形铁素体+针状铁素体+残余奥氏体的复合组织，厚度1/4处金相组织如图1所示；屈服强度Rt0.5:480MPa，抗拉强度Rm:575MPa，将钢板单面减薄至19mm，-62℃时DWTT韧性剪切面积SA:88%。

实施例2

本实施例提供厚度为52mm的钢板，所述钢板的化学成分以质量百分比计包括:C:0.045%、Si:0.35%、Mn:1.48%、Nb:0.045%、V:0.023%、Ti:0.02%、Cr:0.28%、Ni:0.45%、Mo:0.066%、Cu:0.25%、Al:0.046%、P:0.008%、S:0.002%、Ca:0.0030%、[N]:0.0038%、[O]:0.00158%、[H]:0.0014%、B:0.0006，其余为Fe和不可避免的杂质中心偏析C0.5，中心疏松0.5级。

基于上述化学成分，可得T_NbC=1055℃，T_NbN=1173℃，Ar3=738℃。

本实施例中，所述钢板的生产方法包括以下步骤:

S2:装炉加热，板坯加热1120℃，加热340min。

S3:采用再结晶区和未再结晶区两阶段轧制。钢板出炉除磷后进行再结晶区轧钢，单道次压下率8%~20%，最后两道次压下率17%、18%，两道次变形间隔5~7s，中间坯厚度180mm；轧后淋水加速冷却，返红温度870℃开始轧制，终轧温度755℃。

S4:钢板轧后空冷冷却20秒后进行水冷，冷却速度为5~8℃/s，终冷温度控制为300℃。

冷却后钢板取样检测，组织为准多边形铁素体+针状铁素体+残余奥氏体的复合组织，厚度1/4处金相组织如图2所示；屈服强度Rt0.5:460MPa，抗拉强度Rm:550MPa，将钢板单面减薄至19mm，-62℃时DWTT韧性剪切面积SA:85%。

实施例3

本实施例提供厚度为48mm的钢板，成分质量百分比为:C:0.03%、Si:0.34%、Mn:1.45 %、Nb:0.040%、V:0.018%、Ti:0.015%、Cr:0.28%、Ni:0.43%、Mo:0.065%、Cu:0.22%、Al:0.045%、P:0.006%、S:0.0008%、Ca:0.0008％、[N]:0.003%、[O]:0.018%、[H]:0.0012%，其余为Fe和不可避免的杂质，中心偏析C0.5，中心疏松0.5级，铸坯厚度320mm。

基于上述化学成分，可得T_NbC=1004℃，T_NbN=1144℃，Ar3=747℃，其中:

本实施例中，所述钢板的生产方法包括以下步骤:

S2:装炉加热，板坯加热1080℃，加热350min。

S3:采用再结晶区和未再结晶区两阶段轧制。钢板出炉除磷后进行再结晶区轧钢，单道次压下率8%~20%，最后两道次压下率20%、19%，两道次变形间隔6~8s，中间坯厚度155mm；轧后淋水加速冷却，返红温度860℃开始轧制，终轧温度765℃。

S4:钢板轧后空冷冷却25秒后进行水冷，冷却速度为9℃/s，终冷温度控制为280℃。

冷却后钢板取样检测，屈服强度Rt0.5:467MPa，抗拉强度Rm:555MPa，将钢板单面减薄至19mm，-62℃时DWTT韧性剪切面积SA:90%。

上述三个实施例中采用的试验方法和实验设备:将试样加工成长度为305 mm，宽度为75mm，并将试样沿厚度方向利用铣床进行减薄至19mm，保留上轧制面；在试样上压制出深度为5mm的缺口。将试样完全浸为温度-62℃的酒精槽中，保温15min；从保温装置中取出试样装入落锤冲击试验机，并迅速打断。

上述实施例不以任何方式限制本发明，凡是采用等同替换或等效变换的方式获得的技术方案均落在本发明的保护范围内。

Claims

1.大厚壁耐低温管线钢的制造方法，其特征在于包括以下步骤:

S1:按照成分进行冶炼，通过搅拌和连铸末端轻压下获得不低于320mm厚度连铸坯；所述成分质量百分比包括:C:0.03~0.05%、Si:0.20~0.50%、Mn:1.30~1.50%、Nb:0.03~0.045%、V:0.015~0.025%、Ti:0.01~0.02%、Cr:0.20~0.30%、Ni:0.35~0.50%、Mo:0.04~0.08%、Cu:0.15~0.25%、Al:0.03~0.06%、P:≤0.008%、S:≤0.002%、Ca:0.0005~0.0030％、[N]:≤0.004%、[O]:≤0.002%、[H]:≤0.0015%、B:≤0.0008，其余为Fe和不可避免的杂质；

S2:装炉加热，板坯加热至NbC固溶温度以上50~80℃且低于NbN的固溶温度，加热系数1.0~1.1min/mm；

S3:采用再结晶区和未再结晶区两阶段轧制，钢板出炉除磷后进行再结晶区轧钢，再结晶区轧制阶段总压下率≥42%且不小于最终钢板厚度的3.2倍；单道次压下率≥8%，且最后两道次的压下率≥17%，两道次变形间隔≤8s；终轧温度选择Ar3+10℃~20℃，Ar3=910-310C-80Mn-20Cu-15Cr-55Ni-80Mo，其中，C表示C元素质量百分比乘以100、Mn表示Mn元素质量百分比乘以100、Cu表示Cu元素质量百分比乘以100、Cr表示Cr元素质量百分比乘以100、Ni表示Ni元素质量百分比乘以100、Mo表示Mo元素质量百分比乘以100；

S4:钢板轧后空冷冷却后进行水冷，冷却速度控制为5~10℃/s，终冷温度控制为280~350℃。

2.根据权利要求1所述的大厚壁耐低温管线钢的制造方法，其特征在于其成分质量百分比包括:C:0.035%、Si:0.22%、Mn:1.35%、Nb:0.035%、V:0.025%、Ti:0.015%、Cr:0.25%、Ni:0.38%、Mo:0.05%、Cu:0.18~0.25%、Al:0.035%、P:0.008%、S:0.0015%、Ca:0.0005％、[N]:0.0035%、[O]:0.002%、[H]:0.0015%，其余为Fe和不可避免的杂质。

3.根据权利要求1所述的大厚壁耐低温管线钢的制造方法，其特征在于其成分质量百分比包括:C:0.045%、Si:0.35%、Mn:1.48%、Nb:0.045%、V:0.023%、Ti:0.02%、Cr:0.28%、Ni:0.45%、Mo:0.066%、Cu:0.25%、Al:0.046%、P:0.008%、S:0.002%、Ca:0.0030%、[N]:0.0038%、[O]:0.00158%、[H]:0.0014%、B:0.0006，其余为Fe和不可避免的杂质。

4.根据权利要求1所述的大厚壁耐低温管线钢的制造方法，其特征在于:在步骤S1中，A、B、C、D类夹杂均不高于1级。

5.根据权利要求1所述的大厚壁耐低温管线钢的制造方法，其特征在于:在步骤S1中，所述连铸坯堆垛缓冷72小时后拆垛。

6.根据权利要求1所述的大厚壁耐低温管线钢的制造方法，其特征在于:在步骤S2中，NbC的固溶温度采用经验公式:T_NbC=7510/(2.96-lg([C]*[Nb]))-273获得；NbN的固溶温度采用经验公式:T_NbN=10800/(3.7-lg([N]*[Nb]))-273 获得，其中，C表示C元素质量百分比乘以100、 Nb表示Nb元素质量百分比乘以100、N表示N元素质量百分比乘以100。

7.根据权利要求1所述的大厚壁耐低温管线钢的制造方法，其特征在于:在步骤S3中，单道次压下率8%~20%，最后两道次压下率≥17%，两道次变形间隔5~7s。