CN1236020A - 高韧性、高耐磨蚀性浆体管线用钢的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高韧性、高耐磨蚀性浆体管线用钢的制造方法,是经过冶炼、锻造、热轧、冷却后卷取,该钢的化学成分(重量%)为:C0.02～0.05、Mn0.50～1.0、Si0.15～0.45、Cr0.50～0.80、Cu0.15～0.40、Ni0.10～0.25、Mo0.15～0．30、Nb0.02～0.05、Ca0.0010～0.0080、N0.0070～0.03、Ti0.01～0.022、S≤0.0060,卷取温度为:540±20℃。本发明充分利用固溶氮和析出氮化物的作用,获得了良好的强韧性配合,良好的焊接性以及高耐磨蚀性。
Description
本发明涉及一种合金钢的制造方法，特别是一种浆体输送管线用钢的制造方法。
目前，针对浆体(煤浆、灰浆和矿浆等)输送管线钢的研究和开发工作尚处于起步阶段，目前都是用输送石油和天然气的X-系列管线钢或者耐候钢代用，例如X-60，其成分为：C 0.08～0.12,Mn1.2～1.5,Nb＜0.05,V＜0.05,Ti＜0.05。有些钢种还加入Cu、Ni、Mo。由于浆体管线输送钢要求高韧性、高焊接性能、高强度(＞420MPa)，同时该钢是在液固双相介质工作，受到液体介质的腐蚀性和固体颗粒的磨损性的双重作用，现有管线钢的耐磨蚀性难于满足技术要求。例如美国于1984～1991年使用X-52管线钢输送磷矿，经使用发现，管壁磨蚀率为230μm/年，超过设计标准150μm/年，后来在某些地段改为X-56，但其管壁磨蚀率仍然超过设计标准。其原因在于：提高耐磨蚀性的方法会降低钢的可焊接性。反之亦然。因此，现有合金化技术无法在浆体输送管线钢方面取得突破的根本原因就在于难于解决焊接性和耐磨蚀性的矛盾。为解决这个矛盾，日本专利申请特开昭53-46445公开了一种“具有低温韧性、耐蚀、耐磨损性优异的钢板的制造方法”，是采用复合钢板制造这种钢管，其表面为含Cr、Ni、Cu的合金钢层，具有良好的耐磨蚀性，而里层为一般微合金钢，保证良好的韧性和焊接性。其制造方法复杂、成本高。
本发明的目的是得到一种浆体管线用钢的制造方法，通过将合金成分和控轧控冷工艺结合，可使该钢获得高韧性、良好的焊接性以及高耐磨蚀性的良好结合。
为实现上述目的，本发明提出的技术解决方案为：
一种高韧性、高耐磨蚀性浆体管线用钢的制造方法，是经过冶炼、锻造、热轧、冷却后卷取，该钢的化学成分(重量％)为：C0.02～0.05、Mn 0.50～1.0、Si 0.15～0.45、Cr 0.50～0.80、Cu0.15～0.40、Ni 0.10～0.25、Mo 0.15～0.30、Nb 0.02～0.05、Ca0.0010～0.0080、N 0.0070～0.03、Ti 0.01～0.022、S≤0.0060，卷取温度为：540±20℃。
该钢的化学成分(重量％)为：C 0.03～0.05、Mn 0.60～0.8、Si 0.18～0.40、Cr 0.65～0.75、Cu 0.20～0.30、Ni 0.10～0.20、Mo0.15～0.25、Nb 0.03～0.05、Ca 0.0020～0.0050、N 0.0080～0.02、Ti 0.010～0.020、1×10-5≤[Ti][N]≤3.5×10-5。
图1为本发明钢中Ti、N浓度关系。
图2为氮含量对本发明试验钢强度的影响。
下面对本发明做进一步详细叙述。
本发明的技术关键在于：采用氮合金化技术，降碳增氮，充分利用其对钢的耐磨蚀性的有利作用，同时降低钢中的碳，以改善焊接性能。另外，将该成分与控轧控冷工艺相结合，以形成针状铁素体，保证设计钢的高韧性、良好的焊接性和高耐磨蚀性的良好结合，得到强度相当于X60级含氮浆体输送管线用钢。
自从氮提高钢的耐腐蚀性的有效作用被认识以来，氮在不锈钢，甚至其它钢中获得了越来越广泛的应用，这改变了传统冶金学上把氮作为有害元素的看法。实际上，除了提高耐腐蚀性以外，氮还由于其强烈的加工硬化作用，而有利于钢的耐冲击磨损性。由于固溶氮有钉扎位错的强烈作用，不可否认，它对韧性的不良影响。但应当考虑，适当氮和钢中钛结合，可以细化均热过程中奥氏体晶粒，从而对韧性、特别是焊接热影响区的韧性有利。由于氮和碳在稳定和形成奥氏体方面有类似作用，钢中在加入氮的同时，可以降低碳含量，从而降低碳当量，进一步提高焊接性。
下面对本发明中各个合金元素的作用进行介绍：
C:0.02～0.05(重量％，以下同)，固溶强化的主要元素，但其含量如太高，将降低韧性和焊接性能，其含量控制0.02～0.05。使碳当量降低，Ceq＜0.380，而冷裂纹指数Pcm＜0.160，以保证良好的焊接性。
Mn:0.50～1.0，固溶强化的重要元素，而且一定含量的Mn有助于贝氏体的获得。但其含量必须控制，否则提高碳当量，影响焊接性能。
Si:0.15～0.45，在钢中有一定的脱氧作用，同时有限量的Si和Ca复合可以将Al2O3变性为CaO.Al2O3.SiO2，有利于针状铁素体的形成，对提高钢的强韧性有利。
Cr:0.50～0.80，一方面起固溶强化作用，另一方面可以提高钢的耐腐蚀性能，当如含量太高，将提高碳当量，降低焊接性能，
Cu:0.15～0.40，一方面起固溶强化作用，另一方面可以提高钢的耐腐蚀性能。但如其含量太高，将提高碳当量，影响焊接性能。并会降低热加工性能。
Ni:0.10～0.25，一方面起固溶强化作用，另一方面可以提高钢的耐腐蚀性能，同时大约50％Cu含量的Ni可以减少甚至消除C引起的热脆。但如其含量太高，将提高碳当量，降低焊接性能。
Mo:0.15～0.30，最重要的作用是影响钢的相变特性，有助于低温卷曲时针状铁素体的形成。另外，它会提高耐腐蚀性能。当如其含量太高，将提高碳当量，降低焊接性能。
Nb:0.02～0.05，微合金元素，在控轧过程可以提高再结晶温度，并且其碳氮化物的析出会细化组织，从而提高钢的强度和韧性。一般而言0.02～0.05的Nb已经足够。
Ca:0.0010～0.0080，对硫化物变性，控制其形态，从而改善横向韧性。但由于其蒸气压太高，不容易加入钢液，为此其含量控制0.0010～0.0080。
S≤0.0060，杂质元素，越低越好。
N:0.0070～0.03，在钢中可以改善钢的耐磨蚀性(固溶氮可以提高耐腐蚀性，其产生的加工硬化效应可以提高钢的耐磨蚀性，而部分存在的Ti(C,N)的存在也有利于钢的耐磨蚀性)。同时，由于氮的加工硬化作用，由板卷制成管时的冷加工硬化效应造成的强度提高可以抵消包格申效应导致的强度的降低。此外，Ti(C,N)的存在有利于形成针状铁素体，进一步提高钢的强韧性。但含量太高的氮将会降低钢的韧性。
Ti:0.01～0.022，同N结合，形成TiN可以颗粒，阻碍奥氏体晶粒长大，从而细化相变组织，提高钢的强韧性。但其含量必须控制在1×10-5≤[Ti][N]≤3.5×10-4，以保证TiN从奥氏体中析出，而不是从钢液中析出。
本发明的关键在于采用N合金化技术，利用N取代部分C(降低C含量)，改善钢的强韧性，形成Ti(C,N)有利于形成针状铁素体，并通过控制N和Ti含量对铁素体晶粒尺寸和形貌的影响。
N和Ti含量的影响实际上反映的是钢中TiN析出相的影响。一般认为，钢中的TiN具有阻碍均热时奥氏体晶粒长大的作用，从而使相变后的铁素体晶粒细化。同时，它还是针状铁素体形核的有效核心。不过，钢中的TiN必须是从奥氏体中析出，而不是从液相中析出时，才有上述作用。这就要求，钢中[Ti][N]浓度积小于1500℃时与液相平衡的临界值，但大于1300℃时与奥氏体平衡的临界值。它们分别由下列两方程来计算。
TiN与奥氏体平衡： lg[Ti][N]=0.32-8000/T (1)
TiN与液相平衡： lg[Ti][N]=5.9-16586/T (2)
T为温度，对方程(1)取1573K，对方程(2)取1773K，经推导上述方程(1)、(2)，得到1×10-5≤[Ti][N]≤3.5×10-4。
卷取温度为：540±20℃，由于加入Mo使贝氏体的转变点降低，因此需要在低温进行卷取；同时保证形成针状铁素体。
下面结合实施例和附图介绍本发明的效果。
本实施例是在实验室50kg非真空感应炉内冶炼的，利用氮气和N-Mn-Fe合金加入的方法，对钢进行氮的合金化。所冶炼的四炉钢的化学成分如表1所示。四炉钢的其它合金成分基本一致，只有N和Ti含量分别有意从0.0070％到0.030％、＜0.01％到0.022％变化。
钢锭锻造成42mm厚的板坯，以模拟连铸坯的厚度，锻后空冷。将该板坯在小轧机上进行模拟热轧、加速冷却(水淋冷却)和卷曲，加工成厚度为7mm的板。钢的均热温度为1250℃、终轧温度为850℃、卷曲温度分别为540和600℃。
在轧后的7mm板上沿纵向截取符合API标准的板状拉伸试样进行拉伸试验，测定屈服强度σ0.5、抗拉强度σb和延伸率δ50。同时沿纵横向截取5×10×10mm的ISO-V型冲击试样，在-20℃下进行冲击试验，测定其冲击韧性，并将其值换算成标准试样10×10×10mm冲击值。此外，对板在锻造和热轧后的组织进行了金相和扫描电镜观察。
本发明分析了N和Ti含量、卷取温度对铁素体晶粒尺寸大小、形貌和对针状铁素体形核的影响。
1．N和Ti含量对铁素体晶粒尺寸的影响
金相观察表明：四炉钢在热轧前的原始组织均为块状铁素体+少量珠光体，随着成分的不同钢中铁素体晶粒大小和珠光体面积份数不同。从珠光体面积份数来看，2号钢中最少、约4％,1和3号钢较多、约为5％，而4号钢最多，为6％。
2．[Ti][N]对铁素体晶粒尺寸和形貌的影响
参见图1，在[Ti]、[N]浓度关系图上给出了理想化学配比Ti/N=3.42的直线，同时给出了TiN分别与奥氏体平衡(1300℃)和与液相平衡(1500℃)的曲线，相应的四炉试验钢也示在图中。可以看出，它们都低于液相平衡线，但高于奥氏体平衡线，这表明所有试验钢中的TiN颗粒是从奥氏体中析出的，它们有细化铁素体尺寸和促进针状铁素体形核的作用，对钢的强度有一定的重要作用。2号钢中[N][Ti]浓度积最高，以下按1号、3号及4号顺序抵减。实验结果表明，其阻碍奥氏体晶粒长大及形成针状铁素体的倾向也依次递减。这充分说明TiN颗粒的重要性。
3．卷取温度对铁素体晶粒形貌的影响
同热轧前的原始组织相比，试验钢在热轧后于540和600℃卷取时的金相组织表明热轧后的组织明显细化；540℃卷曲的组织为针状铁素体+块状铁素体。600℃卷曲的组织则以块状铁素体为主，另有少量针状铁素体。
试验钢经过热轧后的强度和塑性如表2所示。可以看出，所有试验钢在540℃卷曲时的强度和塑性水平远远超过了X60管线钢的技术标准，其屈强比σ0.5/σb在0.84～0.88范围内。很有意义的是，四炉钢的强度基本上按1、2、3和4号钢的顺序递增，而塑性降低，但相对变化较小。钢中氮含量对强度的影响如图2所示。
本发明由于适当利用氮的合金化，在[N]=0.0080～0.02范围内充分利用固溶氮和析出氮化物的有利作用，获得了良好的强韧性配合：屈服强度σ0.5=487～520MPa、抗拉强度σb=561～591MPa，屈强比0.84～0.88，塑性δ50=29～33％,-20°纵向冲击韧性CVN=180～200J/cm2，而横向冲击韧性CVN=150～190J/cm2。必须说明的是，这些结果是在实验室炼钢(S含量高达70～80ppm)和小轧机热轧试验(冷却能力比工业生产现场低)条件下取得的。有理由相信，工业生产的实物水平将会更好。
表1试验钢的化学成分，wt％
| 钢号 | C | Si | Mn | Cr | Ni | Cu | Mo | Nb | N | Ti | P | S | Ca |
| 1 | 0.04 | 0.26 | 0.65 | 0.74 | 0.16 | 0.22 | 0.20 | 0.036 | 0.0070 | 0.020 | 0.018 | 0.0080 | 0.0046 |
| 2 | 0.05 | 0.30 | 0.72 | 0.67 | 0.15 | 0.21 | 0.20 | 0.033 | 0.0130 | 0.022 | 0.021 | 0.0070 | 0.0036 |
| 3 | 0.03 | 0.18 | 0.78 | 0.71 | 0.14 | 0.22 | 0.23 | 0.034 | 0.0190 | 0.011 | 0.019 | 0.0080 | 0.0046 |
| 4 | 0.03 | 0.41 | 0.68 | 0.66 | 0.17 | 0.21 | 0.20 | 0.033 | 0.0300 | ＜001 | 0.019 | 0.0070 | 0.0007 |
表2不同卷取温度热轧后钢的力学性能
| 卷取温度℃ | 钢号 | 屈服强度σ0.5,MPa | 抗拉强度σb,MPa | σ0.5/σb | 延伸率δ50％ | -20℃纵向冲击韧性J/cm2 | -20℃横向冲击韧性J/cm2 |
| 540 | 1 | 494 | 561 | 0.88 | 33 | 180 | 175 |
| 2 | 487 | 580 | 0.84 | 31 | 200 | 190 | |
| 3 | 520 | 591 | 0.86 | 30 | 195 | 150 | |
| 4 | 532 | 602 | 0.88 | 30 | 160 | 90 | |
| 600 | 1 | 418 | 487 | 0.86 | 43.5 | ||
| 2 | 434 | 509 | 0.85 | 39.5 | |||
| 3 | 451 | 513 | 0.88 | 40 | |||
| 4 | 465 | 537 | 0.87 | 35.5 |
Claims (2)
1．一种高韧性、高耐磨蚀性浆体管线用钢的制造方法，是经过冶炼、锻造、热轧、冷却后卷取，其特征在于：该钢的化学成分(重量％)为：C 0.02～0.05、Mn 0.50～1.0、Si 0.15～0.45、Cr0.50～0.80、Cu 0.15～0.40、Ni 0.10～0.25、Mo 0.15～0.30、Nb0.02～0.05、Ca 0.0010～0.0080、N 0.0070～0.03、Ti 0.01～0.022、S≤0.0060，卷取温度为：540±20℃。
2．根据权利要求1所述的高韧性、高耐磨蚀性浆体管线用钢的制造方法，其特征在于：该钢的化学成分(重量％)为：C 0.03～0.05、Mn 0.60～0.8、Si 0.18～0.40、Cr 0.65～0.75、Cu 0.20～0.30、Ni 0.10～0.20、Mo 0.15～0.25、Nb 0.03～0.05、Ca 0.0020～0.0050、N 0.0080～0.02、Ti 0.010～0.020、1×10-5≤[Ti][N]≤3.5×10-4、S≤0.0060.
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