CN117778864A - 一种管线钢及其制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及管线钢技术领域，尤其是一种管线钢及其制备方法及应用，现提出如下方案，其包括S1、在液体Fe料中加入生石灰造渣、供氧，再加入Al、Mn合金，然后加入造渣材料混匀，得到冶炼钢水；S2、将冶炼钢水转入LF精炼炉中，调整Si、Mn、Cr、Ni、Mo、V、Nb含量，控制炉渣渣系二元碱度为5～10，吹氩除杂，得到精炼钢水；S3、将精炼钢水转至VD真空炉中抽真空，得到铸造钢水；S4、连铸圆坯，得到连铸圆管坯；S5、将连铸圆管坯依次分切、加热、喷水除磷、冷却、穿孔和轧管后再依次冷却、升温、淬火、加热、冷却，得到管线钢。本发明制备出来的管线钢具有较高的强度和低温冲击韧性，解决了现有技术中低温环境下钢强度和低温韧性无法同步提升的问题。
Description
技术领域
本发明涉及管线钢领域，尤其是一种管线钢及其制备方法及应用。
背景技术
20世纪90年代以前，国内油气输送焊管压力低于10MPa。21世纪以后，采用了高等级X70、X80钢，壁厚44mm以下的焊管，输送管道设计压力达到了12MPa。为提高输送效率，降低投资成本，输气管道需要使用性能更均匀，承受压力更高，安全性能更优良的大口径无缝钢管代替传统的焊管。但是，当温度在-20℃以下，钢管外径在φ508mm以上，壁厚在40mm以上时，随着钢管壁厚的增加，低温冲击韧性和强度性能的匹配方面存在很大难度，钢管的低温冲击韧性和强度性能很难同步提升，影响了大口径无缝管线钢发展，为此，本发明提出了一种管线钢及其制备方法及应用。
发明内容
为解决现有技术中的问题，本发明提出了一种管线钢及其制备方法及应用。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
本发明第一方面提出一种管线钢的制备方法，包括如下步骤：
S1、冶炼：在液体Fe料中加入生石灰造渣、供氧，再加入Al、Mn合金，然后加入造渣材料混匀，降低液体原料中C、P、S含量，得到冶炼钢水；
优选的，液体Fe料由铁水和废钢熔炼而成，铁水重量占入炉总重量的85%；
优选的，铁水成分包括：C含量≥3.5%，Mn含量≤1.0%，Si含量0.20-0.60%，Ni含量≤0.05%，Cu含量≤0.05%，P含量≤0.15%，S含量≤0.05%，Mo含量≤0.05%，Ti含量≤0.060%，As含量≤0.005%，Sn含量≤0.005%，Bi含量≤0.005%，Pb含量≤0.003%，Sb含量≤0.003%，余量为Fe和不可避免的杂质，铁水温度为1300℃-1380℃；
优选的，废钢为自产废钢，成分包括：C含量0.10-0.60%，Mn含量≤2.0%，Si含量≤1.0%，P含量≤0.25%，S含量≤0.035%，余量为Fe和不可避免的杂质；
优选的，S1冶炼阶段，先在电炉中加入废钢，然后兑入铁水，铁水温度为1300℃-1380℃，再加入生石灰造渣，使炉渣碱度控制在2-4之间，在电炉炉壁上安装5支超音速氧枪，每支氧枪的最大流量为2500Nm3/h，炉门配备1支氧枪，最大供氧能力为6000Nm3/h；
电炉冶炼过程中不通电，依靠氧枪供应的氧与碳化学反应所放出的热量作为热源提供炼钢所需的热量；
在一些实施例中，加入生石灰的量为：每吨液体Fe料加入35-45kg生石灰，优选为40kg；
通过氧化反应脱除铁水中的碳含量，在氧化气氛中加入生石灰，并通过界面反应脱除钢中的磷含量。当温度达到1570℃以后，脱磷速率降低，脱氧速率提高。电炉具有偏心炉底出钢的功能，防止出钢过程中下渣。
当电炉转移到钢包中的钢水达到25～50吨时，加入铝铁合金、金属锰、锰铁合金，之后再加入造渣材料；
在一些实施例中，所述造渣材料包括生石灰和萤石，每吨钢水加入生石灰8.9-9.1kg和萤石1.9-2.1kg。
此处处于还原气氛中，加入生石灰主要用于脱出钢水中的S含量。
优选的，当温度到达1600℃时，取样检测钢中化学成分，当钢水中的化学成分中的C含量≤0.06%、P≤0.010%、S≤0.015%、Si含量为0.07-0.18%、Mn含量为1.25-1.45%，具备了出钢条件，得到冶炼钢水。
S2、LF精炼：将冶炼钢水转入LF精炼炉中，此时钢水温度≥1530℃，通电升温，加入合金，调整Si、Mn、Cr、Ni、Mo、V、Nb含量，根据炉渣流动性补充生石灰和萤石，控制炉渣渣系二元碱度为5～10，吹氩除杂，得到精炼钢水；
优选的，S2 LF精炼步骤包括：在冶炼钢水进入LF精炼炉后，先将冶炼钢水通电10～15min，当温度≥1640℃后，加入各元素的铁合金，调整Si、Mn、Cr、Ni、Mo、V、Nb含量至目标成分，并根据炉渣流动性补充石灰和萤石，控制LF过程Al含量为0.025～0.040%；控制炉渣渣系二元碱度为5～10，LF精炼过程中全程采用2个底透气砖吹氩气，氩气流量控制在250-400NL/min 之间，确保夹杂物上浮、温度和成分的均匀，LF出钢前10min不得加入合金辅料，出钢温度为1645-1655℃，优选为1650℃，得到精炼钢水。
LF精炼过程加入适量萤石，可以确保炉渣在维持高碱度的情况下保证较好的流动性与吸附性。
在一些实施例中，目标成分含量为Si含量0.15-0.30%、Mn含量1.40-1.75%、Cr含量为0.23-0.30%、Ni含量0-0.23%、Mo含量0-0.15%、V含量0.04-0.08%、Nb含量0.015-0.050%。
在一些实施例中，所述炉渣渣系各成分及含量包括CaO：55%-65%、SiO2：5%-10%；Al2O3：25%-35%。
通过上述步骤：（1）在满足API 5L标准中酸性服役条件SPL2钢管成分范围的基础上，进一步控制C、Si、Mn等元素，并添加了Cr、Ni、Mo、V、Nb等微合金化元素，同时满足钢材焊接性能要求，确保钢材具有较好的强韧性。（2）由于管线钢服役环境的特殊性，防止MnS长条状夹杂物和Al2O3絮状夹杂物造成的“氢陷阱”，采用低硫铁水、高碱度渣系、Al、Ca及氩气搅拌等措施来控制钢中的氧和硫含量，从而实现超低氧和超低硫的控制。
S3、VD真空：将精炼钢水转至VD真空炉中抽真空，钢水温度为1630～1650℃，优选的，在8min中内抽真空至67Pa以下，保持15-20min，抽至钢水中的氢含量低于2.0ppm，再利用氮气破真空后再吹入氩气，补喂Al线至Al含量为0.015-0.060%后，保温，在距离吊包前15min时，再喂入钙线，得到铸造钢水；
优选的，氮气以400 NL/min流量注入，破空后，立即将氮气流量调整至40～50 NL/min，氮气吹入量控制在3500～4500 NL，之后切换为氩气；
优选的，保温方式为：向钢液面加入20～30kg无碳覆盖剂，并在其上加入30～50kg的碳化稻壳保温；
在一些实施例中，钙线喂入量为每吨钢水加入0.065-0.105kg钙。
通过VD真空处理，将钢中的氢含量脱除至2.0ppm以下，先喂入Al线，等待一定时间后，再向钢中喂入Ca线，促进夹杂物的变性，同时满足浇注生产顺行所需的基本条件，改善钢的纯净度。
S4、连铸圆坯：钢水浇注过程中，启动液面自动控制系统、电磁搅拌及二冷水，开启浇注模式，将铸造钢水浇注进结晶器中，得到连铸圆管坯；
优选的，电磁搅拌采用三段电磁搅拌（M-EMS、S-EMS、F-EMS）；
优选的，针对不同的钢管外径规格，电磁搅拌对应的功率为：
Φ500mm规格：M-EMS，250A/2Hz；S-EMS，150A/8Hz；F-EMS，900A/8Hz；
Φ600mm规格：M-EMS，300A/2Hz；S-EMS，60A/8Hz；F-EMS，900A/8Hz；
Φ700mm规格：M-EMS，250A/2Hz；S-EMS，80A/8Hz；F-EMS，800A/6Hz。
在一些实施例中，将铸造钢水浇注进结晶器中，钢水过热度控制在15～30℃，恒拉速浇注，拉速为0.15-0.40m/min；
优选的，管径为Φ500mm规格时，拉速为0.37m/min；
管径为Φ600mm规格时，拉速为0.27mm/min；
管径为Φ700mm规格时，拉速为0.19m/min。
通过低过热度、合理的拉速、电磁搅拌等使钢中成分均匀，可获得内外部质量较好的连铸圆管坯。
S5、制管：将连铸圆管坯依次分切、定心、加热、喷水除磷、冷却、穿孔，轧管后再依次冷却、升温、淬火、加热、冷却，得到管线钢。
在一些实施例中，所述S5的步骤包括：
S5.1：将连铸圆管坯分切成单倍尺，打定心孔后入炉加热，加热时间根据管径规格进行调整，优选的，可以按照以下方式，当管径为Φ500mm规格时，总加热时间是6小时；当管径为Φ600mm规格时，总加热时间是7.5小时；当管径为Φ700mm规格时，总加热时间是10小时；
采用分段加热方式，主要为两个加热段和高温段的保温时间不一样；
优选的，对于总加热时间为6小时的分段加热，设置预热段温度840-860℃，加热0.5h；第一加热段温度1090-1110℃，加热0.5h；第二加热段温度1260-1280℃，加热2h；高温段温度1260-1280℃，加热3h；
高温段的目的是让铸坯的内部温度和表面温度一致，温度更加均匀；
圆管坯的加热需在短时间内加热至目标温度，保温至预定时间，充分奥氏体化后，再进行穿孔、轧制。
S5.2：加热后，将单倍尺出炉，喷水除磷，然后穿孔，穿孔将毛管冷却至950～1000℃，再轧管成型，得到钢管；
S5.3：将钢管浸泡在冷却液中20min，再取出，空冷至室温；
优选的，冷却液位于冷却池中，冷却池中安装了水泵，以便快速搅动冷却液。
在水泵的作用下，向所述的冷却液中通入压缩空气，使其液面转动，可以快速带走钢管表面的热轧，使钢管晶粒细化。
S5.4：将钢管再次升温至920-940℃，保温70min，再淬火至室温；
优选的，淬火位于淬火池中，淬火介质为水，淬火池底部安装两个大功率进水泵和两个出水泵，可以保证水面快速转动；
S5.5：再将钢管加热至630-650℃，保温120min，再空冷至室温，得到管线钢。
S5.4、S5.5的热处理工艺为调质（淬火+高温回火），淬火介质为水，淬火过程中水被快速搅动，起到快速冷却的作用，从而使得钢管晶粒细化。
在制管过程中，通过快速加热获得奥氏体细晶粒，并采用控轧控冷技术进一步细化晶粒。
通过以上方法，制备出来的管线钢，可以解决大口径厚壁管线钢强度与低温韧性不匹配的问题，同时也可以满足钢材的SSC和HIC性能检测要求。
本发明第二方面提出根据上述管线钢的制备方法制备得到的管线钢，其各成分及含量包括C含量0.08-0.12%、Si含量0.15-0.30%、Mn含量1.40-1.75%、Cr含量为0.23-0.30%、Ni含量0-0.23%、Mo含量0-0.15%、Al含量0.015-0.06%、V含量0.04-0.08%、Nb含量0.015-0.050%，N含量0.0050-0.0090%，其余量包括Fe及不可避免杂质。
在一些实施例中，不可避免杂质包括P≤0.012%、S≤0.002%。
优选的，根据钢种确定管线钢的各组分含量：
X60钢管的成分包括C含量0.08-0.12%、Si含量0.15-0.30%、Mn含量1.40-1.55%、Cr含量为0.23-0.30%、Al含量0.015-0.06%、V含量0.05-0.08%、Nb含量0.025-0.050%，N含量0.0050-0.0090%，其余量包括Fe及不可避免杂质。
对于X60在不加Ni和Mo情况下，也可以达到力学性能和低温冲击性能，不加入Ni和Mo，是为了降低生产成本。
X65钢管的成分包括C含量0.08-0.12%、Si含量0.15-0.30%、Mn含量1.45-1.60%、Cr含量为0.24-0.26%、Ni含量0.18-0.23%、Mo含量0.12-0.15%、Al含量0.015-0.06%、V含量0.04-0.07%、Nb含量0.015-0.040%，N含量0.0050-0.0090%，其余量包括Fe及不可避免杂质。
X70钢管的成分包括C含量0.08-0.12%、Si含量0.15-0.30%、Mn含量1.60-1.75%、Cr含量为0.23-0.30%、Ni含量0.18-0.23%、Mo含量0.07-0.10%、Al含量0.015-0.06%、V含量0.05-0.08%、Nb含量0.025-0.050%，N含量0.0050-0.0090%，其余量包括Fe及不可避免杂质。
本发明第三方面提出上述管线钢在在石油、天然气输送管道中的应用。
优选的，应用于外径在φ508mm以上，壁厚在40mm以上的钢管。
本发明的有益效果：
1、本发明在满足API 5L标准中酸性服役条件SPL2钢管成分范围的基础上，进一步控制C、Si、Mn等元素，并添加了Cr、Ni、Mo、V、Nb等微合金化元素，同时满足钢材焊接性能要求，确保钢材具有较好的强韧性。由于管线钢服役环境的特殊性，为防止MnS长条状夹杂物和Al2O3絮状夹杂物造成的“氢陷阱”，本发明采用低硫铁水、高碱度渣系、Al、Ca及氩气搅拌等措施来控制钢中的氧和硫含量，从而实现超低氧和超低硫的控制；
2、本发明通过VD真空处理，将钢中的氢含量脱除至2.0ppm以下，先喂入Al线，等待一定时间后，再向钢中喂入Ca线，促进夹杂物的变性，同时满足浇注生产顺行所需的基本条件，改善钢的纯净度；通过连铸保护浇注及低过热度、合理的拉速、电磁搅拌等使钢中成分均匀，可获得内外部质量较好的连铸圆管坯；在制管过程中，通过快速加热获得奥氏体细晶粒，并采用控轧控冷技术进一步细化晶粒。
3、本发明方法制备出来的大口径、厚壁管线钢具有较高的低温冲击韧性和强度，同时也可以满足钢材的SSC和HIC性能检测要求，解决了现有技术中大口径厚壁管线钢强度与低温韧性不匹配，难以同步提升的问题。
附图说明
图1为本发明的制备方法的流程图；
图2为本发明的电炉结构图；
图3为本发明试验例强度测试时管线钢的取样图。
图中标号：1电极、2炉门氧枪、3炉壁氧枪、4铁水加入口、5 EBT出钢口。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下述实施例中所用的试验材料或试剂等，如无特殊说明，均属于现有的，且均可从商业途径获得。实施例中未注明具体技术或条件者，均可以按照本领域内公开的常规技术或条件进行。
以下实施例中，原材料液体Fe料均按照85%铁水+15%废钢的比例制备，其中，（1）铁水成分为：C：≥3.5%，Mn：≤1.0%，Si：0.20~0.60%， Ni≤0.05%，Cu≤0.05%，P≤0.15%，S≤0.05%，Mo≤0.05%，Ti≤0.060%，As≤0.005%，Sn≤0.005%，Bi≤0.005%，Pb≤0.003%，Sb≤0.003%，余量为Fe和不可避免的杂质；
（2）废钢：废钢为自产废钢，主要成分为C：0.10~0.60%，Mn：≤2.0%，Si：≤1.0%，P≤0.25%，S≤0.035%，余量为Fe和不可避免的杂质。
实施例1（制备X60钢管，规格为Φ508×11500×48mm）
S1、冶炼：先在电炉中加入废钢，然后兑入符合要求的铁水，铁水温度为1350℃。铁水重量占入炉总重量的85%，再加入生石灰造渣，每吨液体Fe料加入40kg生石灰,在电炉炉壁上安装5支超音速氧枪，每支氧枪的最大流量为2500Nm3/h，炉门配备1支氧枪，最大供氧能力为6000Nm3/h；电炉冶炼过程中不通电，依靠氧枪供应的氧与碳化学反应所放出的热量作为热源提供炼钢所需的热量；在温度低于1570℃时，分批加入石灰，使炉渣碱度控制在2-4之间，向钢渣界面吹氧快速搅拌，加快脱磷和脱碳反应速度，并通过炉门将含有饱和磷的炉渣排出，起到脱磷的目的；温度到达1600℃时，取样检测钢中化学成分，当钢水中的C≤0.05%、P≤0.009%，具备了出钢条件；出钢过程中，当钢包中钢水达到30吨时，加入铝铁合金、金属锰、锰铁合金及造渣材料,造渣材料为生石灰和萤石，每吨钢水加入生石灰9kg和萤石2kg；电炉具有偏心炉底出钢的功能，防止出钢过程中下渣。
S2、LF精炼：在冶炼钢水进入LF精炼炉后，先通电15min，当温度≥1640℃后，加入各元素的铁合金，调整Si、Mn、Cr、V、Nb含量至目标成分，Si含量0.15-0.26%、Mn含量1.42-1.55%、Cr含量为0.24-0.28%、V含量0.05-0.07%、Nb含量0.015-0.050%，并根据炉渣流动性补充石灰和萤石，控制LF过程Al含量为0.025～0.045%；控制炉渣渣系，炉渣渣系各成分及含量包括CaO：62%、SiO2：8%；Al2O3：30%，二元碱度为8.1，LF精炼过程中全程采用2个底透气砖吹氩气，氩气流量控制在200-400NL/min 之间，确保夹杂物上浮，及温度和成分的均匀，LF出钢前10min不得加入合金辅料，出钢温度为1650℃，得到精炼钢水。
S3、VD真空：将精炼钢水转至VD真空炉中抽真空，钢水温度在1640-1650℃之间，在8min中内抽真空至67Pa以下，保持20min，抽至钢水中的氢含量低于2.0ppm，再利用氮气破真空后再吹入氩气，氮气以400 NL/min流量注入，破空后，立即将氮气流量调整至40～50NL/min，氮气吹入量控制目标量为4000 NL，之后切换为氩气，补喂Al线至Al含量为0.015-0.030%后，向钢液面加入25kg无碳覆盖剂，并在其上加入30～50kg的碳化稻壳保温，在距离吊包前15min时，再喂入钙线，得到铸造钢水。
S4、连铸圆坯：将VD后的钢水从VD工位吊至连铸工位，进入连铸工位后，将提前烘烤好的中间包转移至浇注位置，在停止烘烤后开启氩气吹扫装置排除中间包内腔的空气。将钢包转动至浇铸位，套上上水口保护套管，打开滑板，钢水从钢包流入中间包，待中间包钢水重量达到10吨时，向中间包内加入无碳覆盖剂约500kg，之后再加入碳化稻壳150kg。当中间钢水达到20吨时，打开中间包滑板，钢水从中间包流入结晶器；钢水遇到冷料后，凝固形成坯壳，启动拉速，启动液面自动控制系统、电磁搅拌及二冷水，开启浇注模式；正常浇注时，钢水过热度控制在20-30℃之间，恒拉速浇注，拉速为0.37m/min，浇注完成后得到连铸圆管坯；
S5、制管：
S5.1：将连铸圆管坯分切成单倍尺，打定心孔后进入加热炉。加热炉采用分段加热方式：预热段温度850℃，加热0.5h；第一加热段温度1110℃，加热0.5h；第二加热段温度1280℃，加热2h；高温段温度1280℃，加热3h；总加热时间为6小时。
S5.2：加热后，将单倍尺出炉，喷水除磷，然后穿孔，穿孔将毛管冷却至1000℃，再轧管成型，得到钢管；
S5.3：将钢管浸泡在冷却池的冷却液中20min，冷却池中安装了水泵，以便快速搅动冷却液，再取出，空冷至室温25℃；
S5.4：将钢管再次升温至930℃，保温70min，再放置于淬火池中，淬火介质为水，淬火池底部安装两个大功率进水泵和两个出水泵，可以保证水面快速转动，淬火至室温25℃；
S5.5：再将钢管加热至640℃，保温120min，再空冷至室温，得到管线钢。
通过取样检测得出管线钢各组分含量为C：0.09%，Si：0.22%，Mn：1.50%，Cr：0.25%，Al：0.025%，V：0.065%，Nb：0.035%，N：0.0070%，其余量为铁和不可避免杂质，不可避免杂质为P:0.008%，S:0.001%，O:0.0007%，H:0.0001%，Ca:0.0016%。
实施例2（制备X65钢管，规格为Φ638×11800×58mm）
S1、冶炼：先在电炉中加入废钢，然后兑入符合要求的铁水，铁水温度为1350℃。铁水重量占入炉总重量的85%，再加入生石灰造渣，每吨液体Fe料加入40kg生石灰,在电炉炉壁上安装5支超音速氧枪，每支氧枪的最大流量为2500Nm3/h，炉门配备1支氧枪，最大供氧能力为6000Nm3/h；电炉冶炼过程中不通电，依靠氧枪供应的氧与碳化学反应所放出的热量作为热源提供炼钢所需的热量；在温度低于1570℃时，分批加入石灰，使炉渣碱度控制在2-4之间，向钢渣界面吹氧快速搅拌，加快脱磷和脱碳反应速度，并通过炉门将含有饱和磷的炉渣排出，起到脱磷的目的；温度到达1600℃时，取样检测钢中化学成分，当钢水中的C≤0.05%、P≤0.009%，具备了出钢条件；出钢过程中，当钢包中钢水达到30吨时，加入铝铁合金、金属锰、锰铁合金及造渣材料,造渣材料为生石灰和萤石，每吨钢水加入生石灰9kg和萤石2kg；电炉具有偏心炉底出钢的功能，防止出钢过程中下渣。
S2、LF精炼：在冶炼钢水进入LF精炼炉后，先通电15min，当温度≥1640℃后，加入各元素的铁合金，调整Si、Mn、Cr、Ni、Mo、V、Nb含量至目标成分，Si含量0.15-0.26%、Mn含量1.47-1.60%、Cr含量为0.24-0.26%、Ni含量为0.19-0.21%、Mo含量为0.12-0.14%、V含量0.045-0.065%、Nb含量0.015-0.035%，并根据炉渣流动性补充石灰和萤石，控制LF过程Al含量为0.025～0.045%；控制炉渣渣系，炉渣渣系各成分及含量包括CaO：65%、SiO2：8%；Al2O3：30%，二元碱度为8.1，LF精炼过程中全程采用2个底透气砖吹氩气，氩气流量控制在200-400NL/min 之间，确保夹杂物上浮，及温度和成分的均匀，LF出钢前10min不得加入合金辅料，出钢温度为1650℃，得到精炼钢水。
S3、VD真空：将精炼钢水转至VD真空炉中抽真空，钢水温度在1640-1650℃之间，在8min中内抽真空至67Pa以下，保持20min，抽至钢水中的氢含量低于2.0ppm，再利用氮气破真空后再吹入氩气，氮气以400 NL/min流量注入，破空后，立即将氮气流量调整至40～50NL/min，氮气吹入量控制目标量为4000 NL，之后切换为氩气，补喂Al线至Al含量为0.015-0.030%后，向钢液面加入25kg无碳覆盖剂，并在其上加入30～50kg的碳化稻壳保温，在距离吊包前15min时，再喂入钙线，得到铸造钢水。
S4、连铸圆坯：将VD后的钢水从VD工位吊至连铸工位，进入连铸工位后，将提前烘烤好的中间包转移至浇注位置，在停止烘烤后开启氩气吹扫装置排除中间包内腔的空气。将钢包转动至浇铸位，套上上水口保护套管，打开滑板，钢水从钢包流入中间包，待中间包钢水重量达到10吨时，向中间包内加入无碳覆盖剂约500kg，之后再加入碳化稻壳150kg。当中间钢水达到20吨时，打开中间包滑板，钢水从中间包流入结晶器；钢水遇到冷料后，凝固形成坯壳，启动拉速，启动液面自动控制系统、电磁搅拌及二冷水，开启浇注模式；正常浇注时，钢水过热度控制在20-30℃之间，恒拉速浇注，拉速为0.27m/min，浇注完成后得到连铸圆管坯；
S5、制管：
S5.1：将连铸圆管坯分切成单倍尺，打定心孔后进入加热炉。加热炉采用分段加热方式：预热段温度850℃，加热0.5h；第一加热段温度1110℃，加热0.5h；第二加热段温度1280℃，加热3h；高温段温度1280℃，加热3.5h；总加热时间为7.5小时。
S5.2：加热后，将单倍尺出炉，喷水除磷，然后穿孔，穿孔将毛管冷却至1000℃，再轧管成型，得到钢管；
S5.3：将钢管浸泡在冷却池的冷却液中20min，冷却池中安装了水泵，以便快速搅动冷却液，再取出，空冷至室温25℃；
S5.4：将钢管再次升温至930℃，保温70min，再放置于淬火池中，淬火介质为水，淬火池底部安装两个大功率进水泵和两个出水泵，可以保证水面快速转动，淬火至室温25℃；
S5.5：再将钢管加热至640℃，保温120min，再空冷至室温，得到管线钢。
通过取样检测得出管线钢各组分含量为C：0.09%，Si：0.22%，Mn：1.55%，Cr：0.25%，Al：0.025%，V：0.065%，Nb：0.035%，Ni：0.20%，Mo：0.13%，N：0.0070%，其余量为铁和不可避免杂质，不可避免杂质为P:0.008%，S:0.001%，O:0.0007%，H:0.0001%，Ca:0.0016%。
实施例3（制备X70钢管，规格为Φ762×12000×70mm）
S1、冶炼：先在电炉中加入废钢，然后兑入符合要求的铁水，铁水温度为1350℃。铁水重量占入炉总重量的85%，再加入生石灰造渣，每吨液体Fe料加入40kg生石灰,在电炉炉壁上安装5支超音速氧枪，每支氧枪的最大流量为2500Nm3/h，炉门配备1支氧枪，最大供氧能力为6000Nm3/h；电炉冶炼过程中不通电，依靠氧枪供应的氧与碳化学反应所放出的热量作为热源提供炼钢所需的热量；在温度低于1570℃时，分批加入石灰，使炉渣碱度控制在2-4之间，向钢渣界面吹氧快速搅拌，加快脱磷和脱碳反应速度，并通过炉门将含有饱和磷的炉渣排出，起到脱磷的目的；温度到达1600℃时，取样检测钢中化学成分，当钢水中的C≤0.05%、P≤0.009%，具备了出钢条件；出钢过程中，当钢包中钢水达到30吨时，加入铝铁合金、金属锰、锰铁合金及造渣材料,造渣材料为生石灰和萤石，每吨钢水加入生石灰9kg和萤石2kg；电炉具有偏心炉底出钢的功能，防止出钢过程中下渣。
S2、LF精炼：在冶炼钢水进入LF精炼炉后，先通电15min，当温度≥1640℃后，加入各元素的铁合金，调整Si、Mn、Cr、Ni、Mo、V、Nb含量至目标成分，Si含量0.15-0.26%、Mn含量1.62-1.75%、Cr含量为0.24-0.26%、Ni含量为0.19-0.21%、Mo含量为0.07-0.09%、V含量0.055-0.075%、Nb含量0.025-0.045%，并根据炉渣流动性补充石灰和萤石，控制LF过程Al含量为0.025～0.045%；控制炉渣渣系，炉渣渣系各成分及含量包括CaO：65%、SiO2：8%；Al2O3：30%，二元碱度为8.1，LF精炼过程中全程采用2个底透气砖吹氩气，氩气流量控制在200-400NL/min 之间，确保夹杂物上浮，及温度和成分的均匀，LF出钢前10min不得加入合金辅料，出钢温度为1650℃，得到精炼钢水。
S3、VD真空：将精炼钢水转至VD真空炉中抽真空，钢水温度在1640-1650℃之间，在8min中内抽真空至67Pa以下，保持20min，抽至钢水中的氢含量低于2.0ppm，再利用氮气破真空后再吹入氩气，氮气以400 NL/min流量注入，破空后，立即将氮气流量调整至40～50NL/min，氮气吹入量控制目标量为4000 NL，之后切换为氩气，补喂Al线至Al含量为0.015-0.030%后，向钢液面加入25kg无碳覆盖剂，并在其上加入30～50kg的碳化稻壳保温，在距离吊包前15min时，再喂入钙线，得到铸造钢水。
S4、连铸圆坯：将VD后的钢水从VD工位吊至连铸工位，进入连铸工位后，将提前烘烤好的中间包转移至浇注位置，在停止烘烤后开启氩气吹扫装置排除中间包内腔的空气。将钢包转动至浇铸位，套上上水口保护套管，打开滑板，钢水从钢包流入中间包，待中间包钢水重量达到10吨时，向中间包内加入无碳覆盖剂约500kg，之后再加入碳化稻壳150kg。当中间钢水达到20吨时，打开中间包滑板，钢水从中间包流入结晶器；钢水遇到冷料后，凝固形成坯壳，启动拉速，启动液面自动控制系统、电磁搅拌及二冷水，开启浇注模式；正常浇注时，钢水过热度控制在20-30℃之间，恒拉速浇注，拉速为0.19m/min，浇注完成后得到连铸圆管坯；
S5、制管：
S5.1：将连铸圆管坯分切成单倍尺，打定心孔后进入加热炉。加热炉采用分段加热方式：预热段温度850℃，加热1h；第一加热段温度1110℃，加热1h；第二加热段温度1280℃，加热4h；高温段温度1280℃，加热4h；总加热时间为10小时。
S5.2：加热后，将单倍尺出炉，喷水除磷，然后穿孔，穿孔将毛管冷却至1000℃，再轧管成型，得到钢管；
S5.3：将钢管浸泡在冷却池的冷却液中20min，冷却池中安装了水泵，以便快速搅动冷却液，再取出，空冷至室温25℃；
S5.4：将钢管再次升温至930℃，保温70min，再放置于淬火池中，淬火介质为水，淬火池底部安装两个大功率进水泵和两个出水泵，可以保证水面快速转动，淬火至室温25℃；
S5.5：再将钢管加热至640℃，保温120min，再空冷至室温，得到管线钢。
通过取样检测得出管线钢各组分含量为C：0.09%，Si：0.22%，Mn：1.70%，Cr：0.25%，Al：0.025%，V：0.065%，Nb：0.030%，Ni：0.20%，Mo：0.08%，N：0.0070%，其余量为铁和不可避免杂质，不可避免杂质为P:0.008%，S:0.001%，O:0.0007%，H:0.0001%，Ca:0.0016%。
对比例1（和实施例2对比，制备X65钢管，规格为Φ638×11800×58mm，改变S1冶炼和S2精炼的部分步骤，采用常规的方法脱硫除杂）
S1、冶炼：先在电炉中加入废钢，然后兑入铁水，铁水温度为1350℃。铁水重量占入炉总重量的70%，再加入生石灰造渣，每吨液体Fe料加入30kg生石灰；冶炼过程分批加入石灰，并通过炉门将含有饱和磷的炉渣排出，达到脱磷的目的；温度到达1600℃时，取样检测钢中化学成分，当钢水中的C≤0.05%、P≤0.012%，具备了出钢条件；出钢过程中，当钢包中钢水达到30吨时，加入铝铁合金、金属锰、锰铁合金及造渣材料,造渣材料为生石灰和萤石，每吨钢水加入生石灰6kg和萤石2kg；电炉具有偏心炉底出钢的功能，防止出钢过程中下渣。
S2、LF精炼：控制LF过程Al含量为0.005～0.020%；控制炉渣渣系，炉渣渣系各成分及含量包括CaO：50%、SiO2：20%；Al2O3：30%，二元碱度为2.5，LF精炼过程中全程采用2个底透气砖吹氩气，氩气流量控制在80-100NL/min 之间，出钢温度为1650℃，得到精炼钢水。
S3、S4和S5步骤与实施例2的S3、S4和S5步骤相同，制备得到管线钢。
对比例2（和实施例2对比，制备X65钢管，规格为Φ638×11800×58mm，改变S2精炼的部分的Si、Mn、Cr、Ni、Mo、V、Nb含量）
S1和实施例2的S1步骤相同；
S2、LF精炼：在冶炼钢水进入LF精炼炉后，先通电15min，再开始造渣脱氧，当温度≥1640℃后，加入各元素的铁合金，调整Si、Mn含量至目标成分，Si含量0.15-0.26%、Mn含量1.47-1.60%、Cr、Ni、Mo、V、Nb、N为残余元素，其中Cr含量为0.05%、Ni含量为0.02%、Mo含量为0.02%、V含量0.005%、Nb含量0.002%。
S3、S4和S5步骤与实施例2的S3、S4和S5步骤相同，制备得到管线钢。
对比例3（和实施例2对比，制备X65钢管，规格为Φ638×11800×58mm，改变S3、VD真空步骤，采用常规的真空方式）
S1、S2的步骤和实施例2的S1、S2的步骤相同；
S3、VD真空：将精炼钢水转至VD真空炉中抽真空，钢水温度在1640-1650℃之间，在15min中内抽真空至67Pa以下，保持10min，抽至钢水中的氢含量低于2.0ppm，破空后，补喂Al线至Al含量为0.015-0.030%后，再喂入钙线，得到铸造钢水。
S4、S5和实施例2的S4、S5的步骤相同，得到管线钢。
对比例4（和实施例2对比，制备X65钢管，规格为Φ638×11800×58mm，改变S5、制管的步骤，采用常规的制管方式）
S1、S2、S3和S4的步骤和实施例2的S1、S2、S3和S4的步骤相同；
S5、制管：
S5.1：将连铸圆管坯分切成单倍尺，打定心孔后进入加热炉。
S5.2：加热后，将单倍尺出炉，喷水除磷，然后穿孔，再轧管成型，得到钢管；
S5.3：将钢管再次升温至930℃，保温70min，再放置于淬火池中，淬火介质为水，淬火至室温25℃；
S5.5：再将钢管加热至640℃，保温120min，再空冷至室温，得到管线钢。
对比例5（和实施例1对比，制备X60钢管，规格为Φ508×11500×48mm）
S1的步骤和实施例1的S1的步骤相同；
S2、LF精炼：在冶炼钢水进入LF精炼炉后，先通电15min，当温度≥1640℃后，加入各元素的铁合金，调整Si、Mn、Cr、Ni、Mo、V、Nb含量至目标成分，Si含量0.15-0.26%、Mn含量1.42-1.55%、Cr、V、Nb、N为残余元素，其中Cr含量为0.05%、Ni含量为0.02%、Mo含量为0.02%、V含量0.005%、Nb含量0.002%。
S3、S4和S5的步骤和实施例2的S3、S4和S5的步骤相同，得到管线钢。
试验例
将实施例1-3、对比例1-5的管线钢按照如下方法进行实验检测，检测结果见表一：
1.强度测试：沿成品钢管纵向，在R/2处取样，按照GB/T228.1-2010标准在成品钢管上线切割取样，见图3所示。检测Rt0.5/MPa、Rm/MPa和伸长率A/%。
2.低温冲击韧性测试：从钢管的1/2R处取横向冲击试验，按照GB/T 229-2007《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》，每组3个试验，加工缺口为V型，检测-29℃下的冲击吸收能量。
3.在成品钢管上取样，按NACE TM0284-2016《管道钢和压力容器钢抗氢致开裂评定方法》开展抗氢致开裂（HIC）试验；
4.在成品钢管横截面中心处沿纵向取样，试样直径为6.35±0.13mm，按NACETM0177《H2S环境中抗特殊形式的环境开裂材料的实验室试验方法》的A法进行SSC试验；
按照以上检测方法进行实验检测，每个管线钢的检测均取该管线钢3处不同部位，按照以上检测方法实验，记录每次测量数据，计算每个管线钢的每种测量方法的平均值。
表一，实施例实施例1-3、对比例1-5的管线钢的检测数据
分析说明，从表一中可以看出：
（1）对比例1的强度测试数据和横向低温冲击功均小于实施例2的强度测试数据和低温冲击功，对比例1的SSC试验结果为不合格，可以看出，现有技术中常规的冶炼方式无法有效控制钢水中的磷、硫等有害元素，也未对各关键组分含量进行限定，使得制备出来的管线钢的强度低，SSC应力腐蚀试验结果不合格；而本发明通过在冶炼阶段使用氧枪供氧，通过氧化反应脱除铁水中的碳含量，在氧化气氛中加入生石灰，并通过界面反应脱除钢中的磷含量，当温度达到1570℃以后，脱磷速率降低，脱氧速率提高，为防止MnS长条状夹杂物和Al2O3絮状夹杂物造成的“氢陷阱”，采用低硫铁水、高碱度渣系、Al、Ca及氩气搅拌等措施来控制钢中的氧和硫含量，从而实现超低氧和超低硫的控制，在控制关键元素的同时，极大的降低了有害杂质的含量，因而使得制备出的管线钢具有高强度和高低温冲击韧性；
（2）对比例2的强度测试数据和横向低温冲击功均小于实施例2的强度测试数据和低温冲击功，对比例2的SSC试验结果为不合格；对比例5的各项数据均小于实施例1的对应的各项数据，且低温冲击韧性和实施例1差距较大，可以看出，对比例2和对比例5在未加入微合金化元素的情况下，钢的强度和低温冲击功韧性均比较低；而发明在满足API 5L标准中酸性服役条件SPL2钢管成分范围的基础上，进一步控制C、Si、Mn等元素，并添加了Cr、Ni、Mo、V、Nb等微合金化元素，同时满足钢材焊接性能要求，确保钢材具有较好的低温强度和低温韧性。
（3）对比例3的强度测试数据和横向低温冲击功均小于实施例2的强度测试数据和低温冲击功，对比例3的HIC试验和SSC试验结果均为不合格，可以看出，对比例3的真空过程不充分，导致HIC试验和SSC试验未通过，且低温冲击不稳定；
（4）对比例4的强度测试数据和横向低温冲击功均小于实施例2的强度测试数据和低温冲击功，对比例4的SSC试验结果为不合格，这是由于钢管轧制后，常规的加热、淬火、冷却方式使得管线钢晶粒粗大，进而导致冲击功不合格，SSC试验不合格；而本发明通过分段加热及时冷却等操作方式，在制管过程中，通过快速加热获得奥氏体细晶粒，并采用控轧控冷技术进一步细化晶粒，使得制备出来的管线钢具有较高的强度和低温韧性。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种管线钢的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、冶炼：在液体Fe料中加入生石灰造渣、供氧，再加入Al、Mn合金，然后加入造渣材料混匀，降低液体原料中C、P、S含量，得到冶炼钢水；
S2、LF精炼：将冶炼钢水转入LF精炼炉中，通电升温，加入合金，调整Si、Mn、Cr、Ni、Mo、V、Nb含量为Si含量0.15-0.30%、Mn含量1.40-1.75%、Cr含量为0.23-0.30%、Ni含量0-0.23%、Mo含量0-0.15%、V含量0.04-0.08%、Nb含量0.015-0.050%，根据炉渣流动性补充生石灰和萤石，控制炉渣渣系二元碱度为5～10，吹氩除杂，得到精炼钢水；
S3、VD真空：将精炼钢水转至VD真空炉中抽真空，利用氮气破真空后再吹入氩气，补喂Al线至Al含量为0.015-0.060%后，保温，再喂入钙线，得到铸造钢水；
S4、连铸圆坯：将铸造钢水浇注进结晶器中，得到连铸圆管坯；
S5、制管：将连铸圆管坯依次分切、加热、喷水除磷、冷却、穿孔和轧管后再依次冷却、升温、淬火、加热、冷却，得到管线钢。
2.根据权利要求1所述的一种管线钢的制备方法，其特征在于，所述S1中，冶炼钢水的C含量≤0.06%、P≤0.010%、S≤0.015%、Si含量为0.07-0.18%、Mn含量为1.25-1.45%，冶炼钢水的温度≥1530℃。
3.根据权利要求2所述的一种管线钢的制备方法，其特征在于，所述S1中，加入生石灰的量为：每吨液体Fe料加入35-45kg生石灰；所述造渣材料包括生石灰和萤石，当转移到钢包中的钢水达到25～50吨时，每吨钢水加入生石灰8.9-9.1kg和萤石1.9-2.1kg。
4.根据权利要求1所述的一种管线钢的制备方法，其特征在于，所述S2中，所述炉渣渣系各成分及含量包括CaO：50%-65%、SiO2：5%-9%；Al2O3：25%-30%。
5.根据权利要求1所述的一种管线钢的制备方法，其特征在于，所述S3中抽真空至67Pa以下，抽至钢水中的氢含量低于2.0ppm；钙线喂入量为每吨钢水加入0.065-0.105kg钙。
6.根据权利要求1所述的一种管线钢的制备方法，其特征在于，所述S4中，将铸造钢水浇注进结晶器中，钢水过热度控制在15～30℃，恒拉速浇注，拉速为0.15-0.40m/min。
7.根据权利要求1所述的一种管线钢的制备方法，其特征在于，所述S5的步骤包括：
S5.1：将连铸圆管坯分切成单管，采用分段加热方式：预热段温度840-860℃；第一加热段温度1090-1110℃；第二加热段温度1260-1280℃；高温段温度1260-1280℃；
S5.2：加热后，将单管出炉，喷水除磷，冷却至950-1000℃，再轧管成型，得到钢管；
S5.3：将钢管浸泡在冷却液中，再取出，空冷至室温；
S5.4：将钢管再次升温至920-940℃，保温，再淬火至室温；
S5.5：再将钢管加热至630-650℃，保温，再空冷至室温，得到管线钢。
8.如权利要求1-7任一权利要求所述的管线钢的制备方法制备得到的管线钢，其各成分及含量包括C含量0.08-0.12%、Si含量0.15-0.30%、Mn含量1.40-1.75%、Cr含量为0.23-0.30%、Ni含量0-0.23%、Mo含量0-0.15%、Al含量0.015-0.06%、V含量0.04-0.08%、Nb含量0.015-0.050%、N含量0.0050-0.0090%，其余量包括Fe及不可避免杂质。
9.如权利要求8所述的管线钢在石油、天然气输送管道中的应用。
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