CN118086780A - 一种抗酸管线钢及其制造方法 - Google Patents
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- Treatment Of Steel In Its Molten State (AREA)
Abstract
本发明提供一种抗酸管线钢及其制造方法,涉及金属材料领域;抗酸管线钢按重量百分比计,化学成分包括C:0.02~0.06%、Si:0.10~0.30%、Mn:0.80~1.10%、Nb:0.02~0.08%、V:0.06~0.12%、Ni:0.20~0.30%、Mo≤0.08%、Al:0.03~0.06%、Ca:0.0005~0.0030%、P≤0.008%、S≤0.002%、[N]:0.004~0.006%、[O]≤0.002%、[H]≤0.0015%、B≤0.0008%,其余为Fe和不可避免的杂质;本发明通过成分设计和工艺优化的协同作用解决抗酸管线钢低温落锤性能差、同板强度差异大的问题。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料技术领域,具体涉及一种抗酸管线钢及其制造方法。
背景技术
抗HIC/SSC管线钢是为了应对高强度石油和天然气管道系统中的氢脆和应力腐蚀问题而开发的一种特殊钢材。抗酸管线钢除了满足常规管线的拉伸、冲击、落锤等性能外,还必须同时满足美国腐蚀工程师协会NACE TM 0177和TM 0284标准中的抗氢致开裂(HIC)和硫化物应力腐蚀开裂(SSCC)性能要求。
抗HIC/SSC能力、强度、落锤、屈强比各项性能相互制约,是抗酸管线钢生产中的难点。为了获得良好的抗HIC/SSC能力,通常采用低C(≤0.05 wt.%)、低Mn(≤1.2 wt.%)成分设计;通过洁净钢冶炼工艺、改变夹杂物的形态等手段减少夹杂物;通过加入微量Nb、V、Ti等微合金化元素,同时加入少量Mo、Cu、Ni等元素,结合特定的TMCP工艺,管线钢的显微组织得到了精细调控和显著细化,最终保证各项力学性能;但是管线钢整体显微组织的细化、强度的提高以及大线能量焊接等焊接技术的应用,使得高钢级管线钢的焊接热影响区软化问题日益凸显;软化区的出现导致热影响区的性能与母材性能严重不匹配,成为整个焊接接头最薄弱的部分,严重影响焊接结构的服役安全和使用寿命。
研究发现,低的C、Mn含量可以减弱中心偏析,但是导致相变温度的升高,晶粒回复长大,晶粒长大导致落锤性能的降低;同时,低的C、Mn含量弱化了固溶强化作用,易导致屈强比高;通过控制Ca/S比控制夹杂物形态,但因为Ca为活泼金属,炼钢控制难度极大;热机械控制工艺(TMCP)通过控制钢板轧制、冷却获得细晶组织,但导致了头、中、尾整板性能的不均匀,从而为后续制管埋下隐患。近年来钢管厂为了保证工艺的稳定和安全性,通常要求钢板的不同批次及头、中、尾强度差在50MPa以内,使得钢厂生产控制的难度加大,导致钢板的降级甚至报废现象时有发生。
CN 116790978 A公布了一种抗酸腐蚀管线钢板及其制备方法,为了减小中心偏析对钢板抗氢致裂纹的影响,设计Mn含量仅为0.15~0.30%;为了保证钢板强度,Cr含量达到了0.90~1.20%;因此,其焊接时Cr元素会在冷却相变过程中扩大粒状贝氏体的形成区间,导致焊缝中出现大量粒状贝氏体组织,增加马奥组元(M/A)的数量和增大颗粒尺寸,从而降低焊缝冲击韧性,对焊接不利。
CN 114836683 B公布了一种适用于湿硫化氢环境的高强度高韧性低屈强比管线钢钢板,该专利采用低碳中锰的设计,为了控制夹杂物形态要求Ca/S≥2;高的Mn含量和Ca/S比都将给炼钢环节带来很大的难度,不利于抗酸性能的稳定控制。
发明内容
本发明目的在于提供一种抗酸管线钢及其制造方法,方案通过成分设计和工艺优化,利用两者的协同作用解决大厚度高强度双抗管线钢低温落锤性能差、同板强度差异大的问题,同时改善焊接热影响区软化问题。
为达成上述目的,本发明提出如下技术方案:
第一方面,提出一种抗酸管线钢,按重量百分比计,所述抗酸管线钢的化学成分包括C:0.02~0.06%、Si:0.10~0.30%、Mn:0.80~1.10%、Nb:0.02~0.08%、V:0.06~0.12%、Ni:0.20~0.30%、Mo≤0.08%、Al:0.03~0.06%、Ca:0.0005~0.0030%、P≤0.008%、S≤0.002%、[N]:0.004~0.006%、[O]≤0.002%、[H]≤0.0015%、B≤0.0008%,其余为Fe和不可避免的杂质;
所述抗酸管线钢的中心偏析不高于C0.5级、中心疏松不高于0.5级。
进一步的,当所述抗酸管线钢的钢板厚度D,8mm≤D<16mm时,按重量百分比计,所述抗酸管线钢的化学成分包括C:0.02~0.04%、Si:0.10~0.30%、Mn:0.80~0.90%、Nb:0.02~0.04%、V:0.06~0.08%、Ni:0.20~0.30%、Al:0.03~0.06%、Ca:0.0005~0.0030%、P≤0.008%、S≤0.002%、[N]:0.004~0.006%、[O]≤0.002%、[H]≤0.0015%、B≤0.0008%,其余为Fe和不可避免的杂质。
进一步的,当所述抗酸管线钢的钢板厚度D,16mm≤D<26mm时,按重量百分比计,所述抗酸管线钢的化学成分包括C:0.02~0.04%、Si:0.10~0.30%、Mn:0.90~1.0%、Nb:0.035~0.055%、V:0.08~0.10%、Ni:0.20~0.30%、Al:0.03~0.06%、Ca:0.0005~0.0030%、P≤0.008%、S≤0.002%、[N]:0.004~0.006%、[O]≤0.002%、[H]≤0.0015%、B≤0.0008%,其余为Fe和不可避免的杂质。
进一步的,当所述抗酸管线钢的钢板厚度D,26mm≤D<32mm时,按重量百分比计,所述抗酸管线钢的化学成分包括C:0.04~0.06%、Si:0.10~0.30%、Mn:0.90~1.0%、Nb:0.055~0.065%、V:0.08~0.10%、Ni:0.20~0.30%、Mo:0.03~0.06%、Al:0.03~0.06%、Ca:0.0005~0.0030%、P≤0.008%、S≤0.002%、[N]:0.004~0.006%、[O]≤0.002%、[H]≤0.0015%、B≤0.0008%,其余为Fe和不可避免的杂质。
进一步的,当所述抗酸管线钢的钢板厚度D,32mm≤D≤40mm时,按重量百分比计,所述抗酸管线钢的化学成分包括C:0.04~0.06%、Si:0.10~0.30%、Mn:1.0~1.1%、Nb:0.07~0.08%、V:0.10~0.12%、Ni:0.20~0.30%、Mo:0.05~0.08%、Al:0.03~0.06%、Ca:0.0005~0.0030%、P≤0.008%、S≤0.002%、[N]:0.004~0.006%、[O]≤0.002%、[H]≤0.0015%、B≤0.0008%,其余为Fe和不可避免的杂质。
第二方面,提出一种抗酸管线钢的制造方法,包括如下步骤:
S1:高炉冶炼,冶炼终点钢水中化学成分按重量百分比计包括Si:0.30~0.60%,Mn≤0.40%,S≤0.040%,P≤0.120%;
S2:KR预脱硫,脱硫后钢水的温度不低于1300℃,并且脱硫后钢水中化学成分S的重量百分比不超过0.002%;
S3:180吨BOF顶底复吹冶炼,冶炼过程中向钢水中加入废钢调节钢水成分;冶炼终点的出钢温度为1640℃±30℃,出钢时按重量百分比加入金属锰、硅铁、铝锭调节钢水成分及进行钢水脱氧,冶炼终点钢水中化学成分按重量百分比计包括P≤0.010%,S≤0.005%,0.02%≤C≤0.05%;氧枪枪位1.5m~1.8m,底吹流量为574m3/h~604 m3/h,顶吹流量为35000m3/h~38000 m3/h。
S4:LF精炼,精炼过程中全程吹氩,防止钢水氧化,并在升温过程中进行化渣、调渣,进行造白渣处理,造白渣处理后静止保持10min~20min后加入铌铁,保证Nb元素的稳定回收;
S5:RH精炼,RH精炼过程控制真空度小于2mBar,脱气时间大于15min,按重量百分比加入钒铁后,保证净循环时间5~10min;随后按重量百分比加入无缝硅钙线,喂丝后进行12~18min的软搅拌时间,软搅拌过程渣面出现波动,但钢液不裸露,防止钢水氧化;按重量百分比计,所述RH精炼后钢水的化学成分包括C:0.02~0.06%、Si:0.10~0.30%、Mn:0.80~1.10%、Nb:0.02~0.08%、V:0.06~0.12%、Ni:0.20~0.30%、Mo≤0.08%、Al:0.03~0.06%、Ca:0.0005~0.0030%、P≤0.008%、S≤0.002%、[N]:0.004~0.006%、[O]≤0.002%、[H]≤0.0015%、B≤0.0008%,其余为Fe和不可避免的杂质;
S6:连铸堆冷:通过电磁搅拌和连铸末端轻压获得厚度不小于320mm的连铸坯,连铸坯堆垛缓冷进行析氢处理,处理时长不低于72h后拆垛;
S7:装炉加热,加热连铸坯至1160℃±20℃,保温时间250min~300min;
S8:未再结晶区单阶段轧制:将加热后的连铸坯出炉除磷测温,当连铸坯温度不高于未再结晶温度时采用多道次热轧工艺开轧,高温快轧大压下,终轧温度800℃~840℃;其中,轧制过程至少三道次的压下量不低于22%;
S9: MULPIC快速水冷,对轧制后的钢板进行快速水冷,冷却速度为25℃/s~35℃/s,终冷温度控制为不超过300℃;
S10:热处理:将水冷后的钢板进行热处理,控制加热炉炉气温度为450±10℃,保温30min;钢板出炉冷却获得抗酸管线钢。
进一步的,步骤S6获得连铸坯的中心偏析不高于C0.5级、中心疏松不高于0.5级,所述连铸坯中A、B、C、D类夹杂物均不高于1级。
进一步的,步骤S8中未再结晶温度Tnr采用经验公式计算,具体为:
Tnr(℃)=887+464*[C]+(6445*[Nb]-644*sqrt[Nb])+((1732*[V]-230*sqrt[V])+890*[Ti])+363*[Al]-357*[Si],[C]、[Nb]、[V]、[Ti]、[Al]、[Si]为各元素在抗酸管线钢中的重量百分比,sqrt为算术平方根函数;
所述步骤S8轧制后钢板中扁平化的晶粒高度不超过5μm。
进一步的,步骤S9快速水冷后钢板的微观组织为铁素体、贝氏体及马奥岛的初始组织,各初始组织的比例分别为75%-85%、10%-25%、5%-8%。
进一步的,步骤S10制得的抗酸管线钢的头、中、尾部的强度差不超过30MPa。
由以上技术方案可知,本发明的技术方案获得了如下有益效果:
本发明公开的抗酸管线钢及其制造方法,其中,抗酸管线钢按重量百分比计,化学成分包括C:0.02~0.06%、Si:0.10~0.30%、Mn:0.80~1.10%、Nb:0.02~0.08%、V:0.06~0.12%、Ni:0.20~0.30%、Mo≤0.08%、Al:0.03~0.06%、Ca:0.0005~0.0030%、P≤0.008%、S≤0.002%、[N]:0.004~0.006%、[O]≤0.002%、[H]≤0.0015%、B≤0.0008%,其余为Fe和不可避免的杂质;制造时,先通过高炉冶炼获得高炉铁水,高炉铁水依次经KR预脱硫、BOF顶底复吹冶炼、LF精炼、RH精炼、连铸堆冷、加热、轧钢、MULPIC快速水冷、热处理后获得抗酸管线钢,该钢的中心偏析不高于C0.5级、中心疏松不高于0.5级;本发明通过成分设计和工艺优化的协同作用解决大厚度高强度双抗管线用钢板低温落锤性能差的问题,同时改善焊接热影响区软化的问题。
具体的,本发明制得的抗酸管线钢其成分配比和制备工艺稳定且安全,制得的抗酸管线钢有效解决同板强度差异大的问题,实现控制钢板的头、中、尾强度差在30MPa以内,钢板等级和抗酸性能稳定。
应当理解,前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见,或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
附图不表示按照真实参照物比例绘制。在附图中,在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见,在每个图中,并非每个组成部分均被标记。现在,将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例,其中:
图1为实施例3和对比例3制得样品的维氏硬度试验数据。
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的附图,对本发明实施例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的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例,本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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。除非另作定义,此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的 “包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件,并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
现有方案制备抗HIC/SSC管线钢的方法中,通过降低易偏析元素C、Mn元素的含量保证铸坯质量,同时利用Cr、Mo、Cu等贵重金属元素弥补强度,存在导致钢板焊接性能的降低、成本增加;另外,通过控制Ca/S比改善夹杂物形态的方式极大的提高了炼钢的难度;另外,采用TMCP工艺制备抗酸管线钢时,方法的固有特点导致钢板的头中尾性能不均匀、焊接热影响区软化明显,为后续焊接制管及使用造成了隐患。因此,本发明旨在于提出一种抗酸管线钢及其制造方法,通过改进钢板成分配方和制造工艺,不仅解决双抗管线钢低温落锤性能差、同板强度差异大的问题,并且能同时改善焊接热影响区软化问题。
具体的,一种抗酸管线钢,按重量百分比计,其化学成分包括C:0.02~0.06%、Si:0.10~0.30%、Mn:0.80~1.10%、Nb:0.02~0.08%、V:0.06~0.12%、Ni:0.20~0.30%、Mo≤0.08%、Al:0.03~0.06%、Ca:0.0005~0.0030%、P≤0.008%、S≤0.002%、[N]:0.004~0.006%、[O]≤0.002%、[H]≤0.0015%、B≤0.0008%,其余为Fe和不可避免的杂质;所述抗酸管线钢的中心偏析不高于C0.5级、中心疏松不高于0.5级。
当所述抗酸管线钢的钢板厚度D,8mm≤D<16mm时,按重量百分比计,所述抗酸管线钢的化学成分优选包括C:0.02~0.04%、Si:0.10~0.30%、Mn:0.80~0.90%、Nb:0.02~0.04%、V:0.06~0.08%、Ni:0.20~0.30%、Al:0.03~0.06%、Ca:0.0005~0.0030%、P≤0.008%、S≤0.002%、[N]:0.004~0.006%、[O]≤0.002%、[H]≤0.0015%、B≤0.0008%,其余为Fe和不可避免的杂质。
当所述抗酸管线钢的钢板厚度D,16mm≤D<26mm时,按重量百分比计,所述抗酸管线钢的化学成分优选包括C:0.02~0.04%、Si:0.10~0.30%、Mn:0.90~1.0%、Nb:0.035~0.055%、V:0.08~0.10%、Ni:0.20~0.30%、Al:0.03~0.06%、Ca:0.0005~0.0030%、P≤0.008%、S≤0.002%、[N]:0.004~0.006%、[O]≤0.002%、[H]≤0.0015%、B≤0.0008%,其余为Fe和不可避免的杂质。
当所述抗酸管线钢的钢板厚度D,26mm≤D<32mm时,按重量百分比计,所述抗酸管线钢的化学成分优选包括C:0.04~0.06%、Si:0.10~0.30%、Mn:0.90~1.0%、Nb:0.055~0.065%、V:0.08~0.10%、Ni:0.20~0.30%、Mo:0.03~0.06%、Al:0.03~0.06%、Ca:0.0005~0.0030%、P≤0.008%、S≤0.002%、[N]:0.004~0.006%、[O]≤0.002%、[H]≤0.0015%、B≤0.0008%,其余为Fe和不可避免的杂质。
当所述抗酸管线钢的钢板厚度D,32mm≤D≤40mm时,按重量百分比计,所述抗酸管线钢的化学成分优选包括C:0.04~0.06%、Si:0.10~0.30%、Mn:1.0~1.1%、Nb:0.07~0.08%、V:0.10~0.12%、Ni:0.20~0.30%、Mo:0.05~0.08%、Al:0.03~0.06%、Ca:0.0005~0.0030%、P≤0.008%、S≤0.002%、[N]:0.004~0.006%、[O]≤0.002%、[H]≤0.0015%、B≤0.0008%,其余为Fe和不可避免的杂质。
上述抗酸管线钢中各成分在钢材中的作用不同,对其中核心成分的作用介绍如下:
C是钢中最常见的合金元素之一,是稳定奥氏体元素,有利于扩大工艺窗口;C可以通过形成固溶体和析出共晶结构,显著增加钢的硬度和强度;过低的C会导致管线钢强度增量成本大幅增加,而C元素过高则会加重中心偏析,使管线钢抗酸性能、落锤性能降低;方案中出于成本、抗酸性能等方面的考虑选择C:0.02~0.06%。
Si可以通过形成固溶体和析出弥散粒子的方式增加钢材的硬度和强度,从而提高抗拉强度和耐冲击性能,同时也是冶炼过程中脱氧的重要合金元素;但是,Si含量过高会导致钢板的表面除磷困难;考虑到以上原因,本方案设计Si:0.10~0.30%。
Mn与C元素可以通过固溶强化提高钢的强度,同时Mn可以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;但由于Mn在钢铁中的溶解度变化比较大,当钢铁凝固过程中温度下降时,Mn元素会从溶液中析出并偏聚到晶体生长中心区域导致晶界弱化、局部机械性能及抗酸性能下降;处于保证钢材强度和抗酸性能考虑,本方案中选择Mn:0.80~1.10%。
V在配方中具有重要的作用,起到细化晶粒、稳定奥氏体、提高强度及改善焊接热影响区软化的问题,同时,生成的VC可以成为氢的不可逆陷阱,有利于提高抗酸性能;V与N生成的VN可以在高温时起到拖曳作用,有效细化奥氏体晶粒;但V在回火过程中的析出作用,会导致屈强比升高,并增加了合金成本,考虑到上述因素,本方案中选择V:0.06~0.12%。
Nb是强细晶元素,合理的Nb会增加奥氏体的稳定性、细化晶粒、提高未再结晶温度从而有效提高工艺窗口,对落锤性能的改善具有重要的作用;Nb与V配合使用相较于单独使用Nb或V强化效果更明显;但是,过高的Nb含量会导致大线能量焊接时焊接接头处冲击韧性下降,所以本方案中选择Nb:0.02~0.08%。
Mo可以提高材料的淬透性,针对低C、低Mn的大厚度抗酸管线钢,为了保证厚度方向组织的均匀性,需添加一定的Mo合金;均匀的组织有利于对提高管线钢强度和韧性;但Mo过高,会导致大尺寸马氏体组织的增加, 降低落锤性能。因此,本方案选用Mo≤0.08%。
Ni是稳定奥氏体元素,通过固溶强化提高钢的强度,并可以降低层错能提高韧性,在管线钢中可以有效提高管线钢的低温韧性,是一种有益元素;Ni属于贵重金属,含量过高将大大提高合计成本;综合上述原因,本方案中选择Ni:0.20~0.30%。
N是一种有害元素,含量过高容易导致连铸坯中粗大的TiN极易产生应力集中现象,从而沿晶断裂,材料的止裂性能会受到明显的损害;N在炼钢中难以完全去除,当含量低于0.004%时将极大的增加冶炼成本;考虑到该因素,通过添加V进行固氮,可有效降低N的危害,并起到了细晶效果。所以,本方案中[N]:0.004~0.006% 。
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,本方案控制Al:0.03~0.06%。
Ca主要作用是夹杂物的变性处理,本方案为保证夹杂物的改性,添加Ca:0.0005~0.0030%。
下面结合具体实施例,对本发明公开的抗酸管线钢的制造方法作进一步具体介绍;实施例中,采用180t转炉进行冶炼,出钢水150~160吨。
实施例1
S1:高炉冶炼,冶炼终点钢水中化学成分按重量百分比计包括Si:0.38%,Mn:0.16%,S:0.034%,P:0.08%;
S2:KR预脱硫,脱硫后钢水的温度1340℃,并且脱硫后钢水中化学成分S的重量百分比为0.0018%;过高的S和较低的温度均会导致后续LF脱硫时长增加,N含量超标,所以方案要求严格控制S含量。
S3:BOF顶底复吹冶炼,冶炼过程中向钢水中加入废钢调节钢水成分;冶炼终点的出钢温度为1633℃,出钢时按重量百分比加入金属锰、硅铁、铝锭调节钢水成分及进行钢水脱氧,冶炼终点钢水中化学成分按重量百分比计包括P:0.008%,S:0.0022%,C:0.035%;氧枪枪位1.8m,底吹流量为590 m3/h,顶吹流量为36500m3/h。过高的出钢温度会导致合金的过度氧化,造成资源浪费,过低的出钢温度会加重LF精炼的负担,导致电能电极损耗。
S4:LF精炼,精炼过程中全程吹氩,防止钢水氧化,并在升温过程中进行化渣、调渣,进行造白渣处理,造白渣处理后静止保持15min后加入铌铁,保证Nb元素的稳定回收;
S5:RH精炼,RH精炼过程控制真空度1mBar,脱气时间25min,按重量百分比加入钒铁后,保证净循环时间10min;随后按重量百分比加入无缝硅钙线,喂丝后进行15min的软搅拌时间,软搅拌过程渣面出现波动,但钢液不裸露,防止钢水氧化;按重量百分比计,所述RH精炼后钢水的化学成分包括C:0.32%、Si:0.20%、Mn:0.88%、Nb:0.035%、V:0.065%、Ni:0.25%、Mo:0.006%、Al:0.035%、Ca:0.0018%、P:0.008%、S:0.0012%、[N]:0.005%、[O]:0.0018%、[H]:0.0012%、B:0.0003%,其余为Fe和不可避免的杂质;出钢水160吨;
S6:连铸堆冷:通过电磁搅拌和连铸末端轻压获得厚度320mm的连铸坯,连铸坯的中心偏析C0.5级、中心疏松0.5级,所述连铸坯中A、B、C、D类夹杂物分别为0.5级、0.5级、0级和0级;连铸坯通过堆垛缓冷进行析氢处理,处理时长为72h后拆垛;
S7:装炉加热,加热连铸坯至1140℃,保温时间250min;装炉加热过程保证NbC、VC的完全固溶且NbN、VN未固溶状态,NbC、VC充分固溶可以有效起到析出强化的作用,而未溶NbN、VN则起到拖曳作用,配合加热时间,阻止奥氏体晶粒过分长大。
S8:未再结晶区单阶段轧制:将加热后的连铸坯出炉除磷测温,当连铸坯温度不高于未再结晶温度时采用多道次热轧工艺开轧,高温快轧大压下,开轧温度920℃、终轧温度822℃;其中,轧制共计16道次,其中第8-10道次、第12道次的压下量分别达到27.3%、25%、33.3%和30%,保证变形充分渗透至心部,晶粒扁平化后高度最高为5μm,提高低温落锤性能;另外,未再结晶温度Tnr采用经验公式计算,计算结果为937℃;轧制获得的钢板厚度为8mm。
S9: MULPIC快速水冷,对轧制后的钢板进行快速水冷,冷却速度为30℃/s,终冷温度控制为220℃;快速水冷后钢板的微观组织为铁素体、贝氏体及马奥岛的初始组织,各初始组织的比例分别为82%、13%和5%。
S10:热处理:将水冷后的钢板进行热处理,控制加热炉炉气温度为440℃,保温30min,钢板出炉冷却获得抗酸管线钢;通过加热达到马奥岛中马氏体碳化物分解的目的,同时不会出现贝氏体板条的合并长大。
表1实施例1-4及对比例1-4化学成分组成数据
通过成分设计及冶炼工艺实施例1-4及对比例1-4先分别制得厚度为320mm连铸坯,再制得厚度不同的抗酸管线钢,其中,实施例2-4及对比例1-4与实施例1的制造流程相同,区别在于实际熔炼成分和工艺参数,如下表2和3所示,未在表中标注的参数均与实施例1相同,保持不变;上述的表1为各实施例制得的连铸坯化学组成结果。表2为各实施例制得连铸坯前的步骤S1-S5工艺参数,表3为各实施例由连铸坯制得抗酸管线钢步骤S6-S10工艺参数,表4为各实施例制得钢板水冷后微观组织各相比例。
表2实施例1-4及对比例1-4制备连铸坯工艺参数
表3实施例1-4及对比例1-4连铸坯制抗酸管线钢工艺参数
表4实施例1-4及对比例1-4轧制后钢板微观组织各相比例
结合表5所示,实施例1-4及对比例1-4分别对应改变Mn、C、V和Nb单成分含量对钢材未再结晶温度Tnr和中心疏松和中心偏析的影响;分别对各实施例制得的连铸坯取样进行低倍观察;从表4中可以看出,提高了元素C或元素Mn后,导致连铸坯中心偏析加重,中心疏松0.5级;Nb元素对未再结晶温度影响较大,其他元素影响不大。
表5为实施例1-4及对比例1-4未再结晶温度、中心偏析等级和夹杂物数据
下面进一步结合双抗试验等对上述实施例1-4及对比例1-4制得的钢板进行性能测试;涉及标准及测试结果如下表6所示:
双抗试验:按照NACE TM0284标准进行抗HIC试验,试验溶液为NACE TM0284-A溶液,无应力,试验96小时,裂纹长度敏感率CLR%=0,裂纹厚度敏感率CTR%=0,裂纹敏感率CSR%=0;按照NACE TM0177标准在A溶液中用方法B进行抗SSCC实验,载荷为最小名义屈服强度的90%,无裂纹。
维氏硬度试验:试验标准ASTM E92-17,HV10试验。
拉伸试验和夏比冲击试验:试验标准ASTM A370-20。
落锤撕裂试验(DWTT):API RP 5L3-2014,全厚度试样。
实物性能:屈服强度≥460MPa、抗拉强度≥550MPa、断后延伸率A50≥40%;-40℃时DWTT 韧性撕裂面积≥85%。
裂纹长度敏感率(CLR):0,裂纹厚度敏感率(CTR):0,裂纹敏感率(CSR):0,抗SSC性能:无裂纹。
表6实施例1-4及对比例1-4抗酸管线钢性能数据
结合表6,从对比例1和2可以发现增加了C、Mn含量,导致钢板抗HIC性能的下降,其中对比例2的长度裂纹敏感率甚至达到了25.27%;对比例3未加V元素,热影响区软化明显;对比例4未加Nb元素,低温落锤性能明显下降。
图1为实施例3和对比例3的抗酸管线钢样品在焊接后按ASTM E92进行维氏硬度试验;从图1中可以看出,实施例3和对比例3试样成分相似,不同的是实施例3成分增加了0.085%的V元素,两者在焊接后实施例3试样在热影响区的软化要明显弱于对比例3试样。
实施例5为与实施例4同炉次生产,冶炼工艺、成分均相同,所不同的是钢板厚度为35mm、轧制工艺也存在部分区别;对比例5-8和实施例5为同一张钢板分割,不同的是热处理温度和时间,以及是否进行热处理;工艺参数如下表7所示,性能参数如下表8所示。
表7实施例5及对比例5-7连铸坯制抗酸管线钢工艺参数
表8实施例5及对比例5-8抗酸管线钢性能数据
结合表7工艺数据和表8性能数据,对比例6钢板为TMCP态,屈服强度仅为415MPa;经过460℃、30min回火后,实施例5屈服强度上升至475MPa,抗拉强度无明显下降,为580MPa。随着热处理温度延长,对比例5抗拉强度下降至520MPa;抗拉强度下降至520MPa;随着热处理温度降低,对比例7抗拉强度略有下降;随着热处理温度升高,对比例8抗拉、屈服强度均较实施例5明显下降。双抗性能均为:裂纹长度敏感率(CLR):0,裂纹厚度敏感率(CTR):0,裂纹敏感率(CSR):0,抗SSC性能:无裂纹。
综合上述数据,采用TMCP工艺控制钢板性能时,钢板的头、中、尾的强度差超过50MPa,但经本发明公开的制备工艺,轧制热处理后钢板性能稳定性明显提高,头中尾部的强差控制在30MPa以内。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上,然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者,在不脱离本发明的精神和范围内,当可作各种的更动与润饰。因此,本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (10)
1.一种抗酸管线钢,其特征在于,按重量百分比计,所述抗酸管线钢的化学成分包括C:0.02~0.06%、Si:0.10~0.30%、Mn:0.80~1.10%、Nb:0.02~0.08%、V:0.06~0.12%、Ni:0.20~0.30%、Mo≤0.08%、Al:0.03~0.06%、Ca:0.0005~0.0030%、P≤0.008%、S≤0.002%、[N]:0.004~0.006%、[O]≤0.002%、[H]≤0.0015%、B≤0.0008%,其余为Fe和不可避免的杂质;
所述抗酸管线钢的中心偏析不高于C0.5级、中心疏松不高于0.5级。
2.根据权利要求1所述的抗酸管线钢,其特征在于,当所述抗酸管线钢的钢板厚度D,8mm≤D<16mm时,按重量百分比计,所述抗酸管线钢的化学成分包括C:0.02~0.04%、Si:0.10~0.30%、Mn:0.80~0.90%、Nb:0.02~0.04%、V:0.06~0.08%、Ni:0.20~0.30%、Al:0.03~0.06%、Ca:0.0005~0.0030%、P≤0.008%、S≤0.002%、[N]:0.004~0.006%、[O]≤0.002%、[H]≤0.0015%、B≤0.0008%,其余为Fe和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的抗酸管线钢,其特征在于,当所述抗酸管线钢的钢板厚度D,16mm≤D<26mm时,按重量百分比计,所述抗酸管线钢的化学成分包括C:0.02~0.04%、Si:0.10~0.30%、Mn:0.90~1.0%、Nb:0.035~0.055%、V:0.08~0.10%、Ni:0.20~0.30%、Al:0.03~0.06%、Ca:0.0005~0.0030%、P≤0.008%、S≤0.002%、[N]:0.004~0.006%、[O]≤0.002%、[H]≤0.0015%、B≤0.0008%,其余为Fe和不可避免的杂质。
4.根据权利要求1所述的抗酸管线钢,其特征在于,当所述抗酸管线钢的钢板厚度D,26mm≤D<32mm时,按重量百分比计,所述抗酸管线钢的化学成分包括C:0.04~0.06%、Si:0.10~0.30%、Mn:0.90~1.0%、Nb:0.055~0.065%、V:0.08~0.10%、Ni:0.20~0.30%、Mo:0.03~0.06%、Al:0.03~0.06%、Ca:0.0005~0.0030%、P≤0.008%、S≤0.002%、[N]:0.004~0.006%、[O]≤0.002%、[H]≤0.0015%、B≤0.0008%,其余为Fe和不可避免的杂质。
5.根据权利要求1所述的抗酸管线钢,其特征在于,当所述抗酸管线钢的钢板厚度D,32mm≤D≤40mm时,按重量百分比计,所述抗酸管线钢的化学成分包括C:0.04~0.06%、Si:0.10~0.30%、Mn:1.0~1.1%、Nb:0.07~0.08%、V:0.10~0.12%、Ni:0.20~0.30%、Mo:0.05~0.08%、Al:0.03~0.06%、Ca:0.0005~0.0030%、P≤0.008%、S≤0.002%、[N]:0.004~0.006%、[O]≤0.002%、[H]≤0.0015%、B≤0.0008%,其余为Fe和不可避免的杂质。
6.一种抗酸管线钢的制造方法,其特征在于,包括如下步骤:
S1:高炉冶炼,冶炼终点钢水中化学成分按重量百分比计包括Si:0.30~0.60%,Mn≤0.40%,S≤0.040%,P≤0.120%;
S2:KR预脱硫,脱硫后钢水的温度不低于1300℃,并且脱硫后钢水中化学成分S的重量百分比不超过0.002%;
S3:BOF顶底复吹冶炼,冶炼过程中向钢水中加入废钢调节钢水成分;冶炼终点的出钢温度为1640℃±30℃,出钢时按重量百分比加入金属锰、硅铁、铝锭调节钢水成分及进行钢水脱氧,冶炼终点钢水中化学成分按重量百分比计包括P≤0.010%,S≤0.005%,0.02%≤C≤0.05%;氧枪枪位1.5~1.8m,底吹流量为574m3/h~604 m3/h,顶吹流量为35000m3/h~38000m3/h;
S4:LF精炼,精炼过程中全程吹氩,防止钢水氧化,并在升温过程中进行化渣、调渣,进行造白渣处理,造白渣处理后静止保持10min~20min后加入铌铁,保证Nb元素的稳定回收;
S5:RH精炼,RH精炼过程控制真空度小于2mBar,脱气时间大于15min,按重量百分比加入钒铁后,保证净循环时间5~10min;随后按重量百分比加入无缝硅钙线,喂丝后进行12~18min的软搅拌时间,软搅拌过程渣面出现波动,但钢液不裸露,防止钢水氧化;按重量百分比计,所述RH精炼后钢水的化学成分包括C:0.02~0.06%、Si:0.10~0.30%、Mn:0.80~1.10%、Nb:0.02~0.08%、V:0.06~0.12%、Ni:0.20~0.30%、Mo≤0.08%、Al:0.03~0.06%、Ca:0.0005~0.0030%、P≤0.008%、S≤0.002%、[N]:0.004~0.006%、[O]≤0.002%、[H]≤0.0015%、B≤0.0008%,其余为Fe和不可避免的杂质;
S6:连铸坯堆冷:通过电磁搅拌和连铸末端轻压获得厚度不小于320mm的连铸坯,连铸坯堆垛缓冷进行析氢处理,处理时长不低于72h后拆垛;
S7:装炉加热,加热连铸坯至1160℃±20℃,保温时间250min~300min;
S8:未再结晶区单阶段轧制:将加热后的连铸坯出炉除磷测温,当连铸坯温度不高于未再结晶温度时采用多道次热轧工艺开轧,高温快轧大压下,终轧温度800℃~840℃;其中,轧制过程至少三道次的压下量不低于22%;
S9: MULPIC快速水冷,对轧制后的钢板进行快速水冷,冷却速度为25℃/s~35℃/s,终冷温度控制为不超过300℃;
S10:热处理:将水冷后的钢板进行热处理,控制加热炉炉气温度为450±10℃,保温30min;钢板出炉冷却获得抗酸管线钢。
7.根据权利要求6所述的抗酸管线钢的制造方法,其特征在于,步骤S6获得连铸坯的中心偏析不高于C0.5级、中心疏松不高于0.5级,所述连铸坯中A、B、C、D类夹杂物均不高于1级。
8.根据权利要求6所述的抗酸管线钢的制造方法,其特征在于,步骤S8中未再结晶温度Tnr采用经验公式计算,具体为:
Tnr(℃)=887+464*[C]+(6445*[Nb]-644*sqrt[Nb])+((1732*[V]-230*sqrt[V])+890*[Ti])+363*[Al]-357*[Si],[C]、[Nb]、[V]、[Ti]、[Al]、[Si]为各元素在抗酸管线钢中的重量百分比,sqrt为算术平方根函数;
所述步骤S8轧制后钢板中扁平化的晶粒高度不超过5μm。
9.根据权利要求6所述的抗酸管线钢的制造方法,其特征在于,步骤S9快速水冷后钢板的微观组织为铁素体、贝氏体及马奥岛的初始组织,各初始组织的比例分别为75%-85%、10%-25%、5%-8%。
10.根据权利要求6所述的抗酸管线钢的制造方法,其特征在于,步骤S10制得的抗酸管线钢的头、中、尾部的强度差不超过30MPa。
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