一種ERW用X65熱軋卷板及其製造方法與流程
2023-05-30 03:46:01
本發明涉及一種油氣輸送管道用管線鋼熱軋卷板的製造，特別涉及一種高頻直縫電阻焊(ERW)用管線鋼熱軋卷板及其製造方法，該卷板強度為API Spec 5L標準中X65鋼級。
背景技術：
石油是工業發展的主要能源，石油管道輸送具有高效、安全、經濟等特點。為降低石油管線輸送的成本，石油輸送管道趨向於大口徑、高鋼級方向發展。同時，確保管道輸送的穩定性和安全性，長距離、高壓輸送管線需要管線鋼具有足夠的強度來保障安全。目前，X65仍然是長輸管線工程的主流鋼級。
目前國內油氣管道工程中使用的管材可分為無縫鋼管、高頻電阻焊鋼管(ERW或HFW)、埋弧焊鋼管三大類8種，主要使用的有無縫鋼管(SML)、螺旋縫埋弧焊管(SSAW)、直縫埋弧焊管(LSAW)、高頻直縫電阻焊管(ERW)等4種。
高頻直縫電阻焊管是將熱軋卷板經過成型機後，利用高頻電流的集膚效應和鄰近效應，使管緣加熱熔化，在擠壓輥的作用下進行壓力焊接來生產的。高頻電阻焊方法於20世紀50年代開始應用焊管生產，20世紀末國際上ERW鋼管的生產已經比較成熟。ERW鋼管無論在陸地還是海洋的油井管、油氣輸送管方面都得到了較為普遍的使用。
目前，採用常規熱連軋機組生產X65管線鋼熱軋卷板在工程上已批量應用，形成相關技術，但一般需要添加較多量的貴重合金(Nb、 V、Ni)，合金成本高。採用低鈮添加適量合金鉻生產X65管線鋼熱軋卷板卻少有報導，以下簡單介紹與本發明較為接近的專利和文獻：
(1)專利申請CN101418363A，一種低碳高韌性X60/X65管線鋼的生產方法，公開的成分中含C≤0.060％，Mn：1.20％～1.40％，Nb：0.02％～0.04％，V：0.02％～0.04％。該專利申請中C含量較低，需要添加合金元素Nb和V保證強度，合金成本高。
(2)專利申請CN101082106A，一種低成本生產X65管線鋼的方法，公開的成分中含C：0.046％～0.060％，Mn：1.40％～1.60％，Nb：0.045％～0.050％。該專利申請中Nb含量較高，合金成本高。
(3)劉曉東，孫瑋在《軋鋼》2007年24卷第5期56-59頁發表的論文「濟鋼低成本X65管線鋼的開發與生產」中，公開的X65管線鋼的成分為C：0.06％～0.07％，Mn：1.49％～1.52％，Nb：0.077％～0.081％，Ni：0.10％～0.13％，合金成本高。
(4)宋海武，齊長發等人在《特殊鋼》2009年30卷第3期發表的論文「控軋控冷工藝參數對X65管線鋼顯微組織的影響」中，公開的X65管線鋼成分為C：0.08％，Mn：1.38％，Nb：0.032％，V：0.041％，合金成本高。
(5)錢江，江海濤在《寬厚板》2006年12卷第6期發表的論文「X65熱軋管線鋼板的衝擊韌性研究」中，公開的X65熱軋管線鋼板的成分為C：0.055％，Mn：1.57％，Nb：0.051％，Nb合金成本高。
以上公開的專利或文獻中，C含量都不高，一般都需要添加一定量Nb和V保證強度，個別添加Ni，合金成本高。均與本發明採用低Nb添加Cr設計有明顯不同之處。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種X65鋼級管線鋼熱軋卷板及其製造方法，特別是採用低鈮含鉻成分設計用於ERW制管的X65熱軋卷板及其製造方法。
針對目前生產ERW用X65熱軋卷板存在的合金成本高的問題，提出本發明的技術方案。
ERW用X65熱軋卷板的化學成分(重量，％)配比如下：C：0.07％～0.10％，Si：0.10％～0.30％，Mn：1.10％～1.25％，P≤0.018％，S≤0.005％，Ti：0.008％～0.020％，Als：0.02％～0.06％，Nb：0.010％～0.019％，Cr：0.30％～0.50％，N≤0.005％，Ceq≤0.40％，其餘為Fe和不可避免元素。
本發明中各元素的作用機理如下：
C：碳屬於固溶元素，主要起固溶強化作用，是保證強度最為有效的元素，可以提高淬透性，因此，碳含量不宜過低；但是，碳含量的增加對材料韌性和焊接性不利，所以，碳含量也不能過高，本發明碳控制在0.07％～0.10％較為適宜。
Si：矽可以起到固溶強化作用，但其含量過高會使鋼的塑性和韌性降低，其最佳範圍是0.10％～0.30％。
Mn：錳主要起固溶強化的作用，可彌補管線鋼因碳含量降低而損失的屈服強度，還能增加奧氏體穩定性，對低溫韌性和提高淬透性也有利。錳還起降低相變溫度的作用，有助於晶粒細化，提高強度和韌性。但是，錳含量過高易誘發偏析，Mn含量控制在1.10％～1.25％較為適宜。
P：磷是鋼中有害元素，增加鋼的冷脆性，使焊接性能變壞，降低塑性，使冷彎性能變壞，應控制其含量≤0.018％。
S：硫是鋼中有害元素，使鋼產生熱脆性，降低鋼的延展性和韌 性，對焊接性能也不利，應控制其含量≤0.005％。
Ti：鈦是強碳氮化物形成元素，顯著細化奧氏體晶粒，可彌補因碳降低而引起的強度的下降。含量太高，易形成粗大的TiN，降低材料性能，合適的範圍是0.008％～0.020％。
Als：鋁是常用的脫氧劑，在鋼中加入少量的鋁，可細化晶粒，提高衝擊韌性，合適的範圍是0.02％～0.06％。
Nb：鈮是細晶和析出強化元素，改善焊接性能。在管線鋼中具有強烈的晶粒細化作用，這種作用主要是由於延遲或阻止熱軋後面機架中的奧氏體再結晶，Nb通過降低奧氏體向鐵素體相變溫度，在提高鐵素體形核速率的同時降低晶粒長大速率。同時Nb還可促進貝氏體組織形成和析出強化作用。但過高會增加合金成本，合適的範圍是0.010％～0.019％。
Cr：鉻有很強的固溶強化作用，還可以有效提高組織穩定性。在提高強度和細化晶粒方面，Cr與Mo一樣，可抑制塊狀鐵素體的形成、細化晶粒並促進貝氏體和針狀鐵素體轉變，獲得多而細的貝氏體組織，保證晶粒度10級以上，從而大大提高強度，且保證ERW制管的焊接性。同時，Cr與Nb配合使用，可以促進Nb的析出，提高Nb的析出強化作用。隨著Cr含量的增加，強度上升較大，但如果加入量太大，會顯著降低焊接熱影響區韌性和可焊性，而下限小於0.30％時，Cr的作用將不明顯。因此，本發明Cr的合適範圍是0.30％～0.50％。
N：固溶氮有釘扎位錯的強烈作用，對韌性有不良影響，應控制其含量≤0.005％。
一種ERW用X65熱軋卷板的製造方法，包括鐵水預處理、鋼水冶煉、爐外精煉和中薄板坯連鑄、連鑄坯再加熱、軋制、冷卻、卷取。其特徵是：
(1)冶煉連鑄工藝：冶煉工藝採用鐵水預處理、轉爐冶煉、爐外精煉，將精煉後的鋼水連鑄製成中薄連鑄板坯。轉爐冶煉採用頂吹或頂底複合吹煉，爐外精煉採用LF爐輕脫硫處理及進行鈣處理以控制夾雜物形態和提高鋼的延展性、韌性和冷彎性能，連鑄採用電磁攪拌或動態輕壓下，以提高連鑄板坯的質量。
(2)軋製冷卻工藝：連鑄板坯經加熱爐加熱至1150～1220℃，該加熱溫度範圍可以保證合金元素充分固溶，同時，抑制奧氏體晶粒過分長大；隨後在熱連軋機組進行兩階段控制軋制，第一階段終軋溫度大於960℃；第二階段開軋溫度小於1000℃，終軋溫度為780～880℃，該終軋溫度可有效細化奧氏體晶粒，晶粒度達到10級以上。軋後卷板以8～15℃/s的冷卻速度進行冷卻，在570～650℃溫度進行板卷卷取，得到細小均勻的貝氏體-鐵素體組織，其中，鐵素體含量5％～10％。
本發明技術方案的有益效果：
1)本方案C、Mn含量適中，Nb含量低，少量Cr取代貴重元素Ni、V等，節約合金成本；
2)最終組織為貝氏體-鐵素體組織，鐵素體含量5％～10％，強韌性匹配良好。
3)5％～10％鐵素體軟相，可以有效控制屈強比在小的範圍0.85～0.89，保證管道安全性；同時鐵素體軟相也減輕了ERW焊接過程中產生裂紋的傾向。
附圖說明
圖1發明鋼的組織。
具體實施方式
一種ERW用X65熱軋卷板的化學成分如下：C：0.07％～0.10％，Si：0.10％～0.30％，Mn：1.10％～1.25％，P≤0.018％，S≤0.005％，Ti：0.008％～0.020％，Als：0.02％～0.06％，Nb：0.010％～0.019％，Cr：0.30％～0.50％，N≤0.005％，Ceq≤0.40％，其餘為Fe和不可避免元素。經頂吹或頂底複合吹煉、LF爐輕脫硫處理及進行鈣處理，鋼水連鑄製成中薄連鑄板坯，連鑄採用電磁攪拌或動態輕壓下，連鑄板坯經加熱爐加熱至1150～1220℃，隨後在熱連軋機組進行兩階段控制軋制，第一階段終軋溫度大於960℃；第二階段開軋溫度小於1000℃，終軋溫度為780～880℃，軋後卷板以8～15℃/s的冷卻速度進行冷卻，在570～650℃溫度進行板卷卷取，得到細小均勻的貝氏體-鐵素體組織，其中，鐵素體含量5％～10％。
以下實施例用於具體說明本發明內容，體現發明效果。表1為實施例鋼的化學成分；表2為實施例鋼的加熱、軋製冷卻工藝；表3為實施例鋼的組織和力學性能。
表1實施例鋼的化學成分(wt，％)
表2實施例鋼的加熱、軋製冷卻工藝
表3實施例鋼的組織和力學性能
從上述實施例中可以看出，採用本發明的成分、冶煉、連鑄、加熱、軋制、冷卻和卷取工藝，生產出的ERW用X65熱軋卷板，力學性能滿足API SPEC 5L標準對X65級鋼管的要求，可以用於製造滿足API SPEC 5L標準要求的ERW用X65級鋼管，屈服強度達到490MPa以上，抗拉強度在560MPa以上，伸長率在34％以上，屈強比控制在0.90以下。