超高強度x100管線鋼及其熱軋板製造方法

2023-06-22 16:04:36 1

專利名稱：超高強度x100管線鋼及其熱軋板製造方法
技術領域：
本發明涉及一種管線鋼及其製造方法，特別涉及一種超高強度X100管線鋼及其熱軋板製造方法。
背景技術：
近年來能源結構的變化以及對能源需求的增長，極大地促進了長距離輸送管線的發展。為提高輸送效率、降低工程投資，長距離石油天然氣輸送管線用鋼向高鋼級發展已成趨勢。目前世界各國使用的管線鋼標準中的最高鋼級僅到X80(屈服強度大於等於555MPa)，為滿足未來長距離輸送石油天然氣管道建設的發展需要超高強度等級的X100(屈服強度等級大於等於690MPa)和X120(屈服強度等級大於等於830MPa)管線鋼已在發展研製之中。相對目前X80及X80以下鋼級的管線鋼來講，使用X100級高強度管線可提高輸送的工作壓力以提高管道輸送的運營效率，或在輸送壓力不變的情況下通過減少管道壁厚達到降低管道建設成本的目的。美國專利US 20030217795主要闡述了X100管線管的生產方法以及生產出的管線管的主要性能。其中，用於製造X100管線鋼管的鋼板成分與工藝已經給出，但是在成分上主要以低碳為主，附以Mo、Cu、Ni、B等合金元素。特別值得一提的是這個專利中的主要技術點是利用Mg的氧化物冶金作用來提高管體的焊接性能。日本專利JP 2003306749 A主要闡述了X100鋼管及用其製造鋼管的鋼板製造方法，其X100管線鋼板的成分中指出用Mg和Al的氧化物及氮化物冶金方法細化晶粒，並且採用C-Mn-Ni-Cr-Mo-B系成分設計。在煉鋼時採用氧化物冶金的方法雖然能夠提高產品性能，但也增加成本和製造的複雜性。日本專利JP 2001113374 A提供了一種抗拉強度在900MPa以上的X100管線管的生產方法及原理，重點在於鋼管焊接工藝方面，焊接較容易實現，並且具有較好的低溫韌性。它主要注重鋼管的生產方式和方法，儘管提及X100鋼板的成分設計，主要也是用Mg的氧化物冶金方法來提高焊接性能。歐洲專利EP 1020539，其內容與美國專利US 20030217795近似。歐洲專利EP 1354973提供了API X60～X100管線鋼管的鋼板及鋼管的製造方法。鋼管具有優良的變形性能和低溫韌性。高強度鋼板具多數平均晶粒尺寸小於貝氏體晶粒尺寸的鐵素體相。提供了成分設計方法，C以低碳為主，衝擊韌性和焊接性能稍差；其次，Mn、Mo、Cu等合金元素的含量過高將導致製造成本的提高和增加可製造難度，對鋼板的焊接性能不利，同時不利於資源的有效利用。最後，在成分設計中與美國專利US 20030217795一樣，加入了Mg元素，增加可製造難度。

發明內容
本發明的目的是提供一種超高強度X100管線鋼及其熱軋板製造方法。主要解決現有X100管線鋼配方比較複雜、生產成本較高、製造難度較大以及衝擊韌性和焊接性能稍有不足的技術問題。本發明的技術方案為一種超高強度X100管線鋼，其組成成分的重量百分配比為C0.015～0.080％，Mn1.80～2.50％，Si≤0.6％，S≤0.0030％，P≤0.015％，Nb0.04～0.15％，Ti0.005～0.030％，V≤0.120％，Alt≤0.060％，N≤0.010％，O≤0.006％，Mo0.10～0.60％，Cu≤0.50％、Ni≤1.50％、Cr≤1.0％，B≤0.0020％，Ca≤0.01％，其餘為鐵和不可避免雜質。
本發明高強度高韌性X100管線鋼成分設計思想是以超低C、高Mn，通過加入微量Nb、V、Ti等微合金元素、少量Mo、B及Cu、Ni合金元素，結合熱軋控軋控冷工藝，獲得貝氏體+針狀鐵素體+第二相組織，以保證管線鋼具有高強度高韌性的性能。其主要的基本元素作用有以下幾個方面碳是鋼中最經濟、最基本的強化元素，通過固溶強化和析出強化對提高鋼的強度有明顯作用，但是提高C含量對鋼的延性、韌性和焊接性有負面影響，因此近代管線鋼的發展過程是不斷降低C含量的過程。降低C含量一方面有助於提高鋼的韌性，另一方面可改善鋼的焊接性能。根據鋼中C含量、碳當量與鋼焊接性關係的Graville曲線圖我們知道，當C含量低於0.11％時管線鋼可具有良好的焊接性。所以，目前管線鋼的C含量一般小於0.11％，對本發明的X100管線鋼則採用C為0.015-0.080％的C含量設計。
錳通過固溶強化提高鋼的強度，是管線鋼中補償因C含量降低而引起強度損失的最主要且最經濟的強化元素。Mn還是擴大γ相區的元素，可降低鋼的γ→α相變溫度，有助於獲得細小的相變產物，可提高鋼的韌性、降低韌脆轉變溫度。因此對X100管線鋼的Mn含量設計在1.80～2.50％範圍。
鈮是現代微合金化管線鋼中最主要的元素之一，對晶粒細化的作用十分明顯。通過熱軋過程中NbC應變誘導析出阻礙形變奧氏體的回覆、再結晶，經控制軋制和控制冷卻使非再結晶區軋制的形變奧氏體組織在相變時轉變為細小的相變產物，以使鋼具有高強度和高韌性。本專利就是配合適當的C含量提高Nb的含量發揮NbC的作用。
釩具有較高的析出強化作用和較弱的晶粒細化作用，在Nb、V、Ti三種微合金元素複合使用時，V主要是通過在鐵素體中以VC、VN析出強化來提高鋼的強度。
鈦是強的固N元素，Ti/N的化學計量比為3.42，利用0.02％左右的Ti就可固定鋼中60ppm以下的N，在板坯連鑄時可形成細小的高溫穩定的TiN析出相。這種細小的TiN粒子可有效地阻礙板坯再加熱時的奧氏體晶粒長大，有助於提高Nb在奧氏體中的固溶度，同時對改善焊接熱影響區的衝擊韌性有明顯作用。
鉬是擴大γ相區，推遲γ→α相變時先析出鐵素體形成、促進針狀鐵素體形成的主要元素，對控制相變組織起重要作用，在一定的冷卻條件和終止軋制溫度下超低碳管線鋼中加入0.1～0.6％的Mo就可獲得明顯的針狀鐵素體及貝氏體組織，同時因相變向低溫方向轉變，可使組織進一步細化，主要是通過組織的相變強化提高鋼的強度。
硫、磷是鋼中不可避免的雜質元素，希望越低越好。通過超低硫(小於30ppm)及Ca處理對硫化物進行夾雜物形態控制，可使管線鋼具有高的衝擊韌性及良好抗HIC性能。
銅、鎳可通過固溶強化作用提高鋼的強度，同時Cu還可改善鋼的耐蝕性，Ni的加入主要是改善Cu在鋼中易引起的熱脆性，且對韌性有益。在厚規格管線鋼中還可補償因厚度的增加而引起的強度下降。
因此，針對微合金化低碳貝氏體組織具有高強度高韌性和良好焊接性能，以及低的包辛格效應等特點，以晶粒細化、相變強化、析出強化和位錯強化等材料強化理論為基礎，對具有貝氏體組織X100管線鋼的成分設計採用了較低的碳含量、超低硫、Nb、V、Ti微合金化、控制組織的Mo合金化的成分設計。熱軋工藝採用了控軋控冷的熱機械處理技術，通過合理的成分和工藝進行最終產品的組織控制，以獲得具有高強度高韌性的超低碳貝氏體+針狀鐵素體組織。
X100管線鋼熱軋板製造方法的工藝路線如下首先按技術方案配比備料，然後進行轉爐或電爐冶煉、爐外精煉、鑄造、板坯再加熱、控制軋制、控制冷卻。熱軋工藝進行如下控制(1)板坯加熱溫度1100～1250℃；(2)再結晶區控軋軋制的終止溫度900～1060℃；(3)非再結晶區控軋軋制的開始溫度800～900℃；(4)終止軋制溫度720～880℃；(5)終止冷卻溫度200～500℃；(6)冷卻速度3～30℃/s。
本發明具有如下特點①與以往上述已經申請的專利相比，本專利的合金配方相對簡單，如Cu、Ni可加可不加，不需加入Mg元素進行氧化物冶金等，這樣降低了生產製造成本和增加了生產可製造性；②它主要以超低碳為特點，在保證強度前提下，增加了衝擊韌性和良好的焊接性能，使管線鋼具有良好的止裂能力，隨著鋼鐵冶煉技術的發展，超低碳管線鋼的冶煉難度進一步降低，目前通過控制冶煉的終點碳含量和RH的爐外精煉工藝可獲得超低碳管線鋼；③充分利用了C和Nb元素的關係，在一定的配合下使之生成NbC產生細晶強化作用，及利用Nb的提高再結晶溫度作用以配合控軋工藝，不僅提高了產品的綜合性能，而且能夠採取靈活的熱軋生產工藝，提高生產率、減小軋機負荷，所生產的產品具有較高的衝擊韌性(-80℃下的夏比衝擊功可以達到200J以上)，能夠充分保證高的強度和韌性，具有良好的止裂能力。與目前管道工程已使用的最高強度等級的管線鋼X80相比，在強度上提高了20％，對降低輸送管道的建設成本有明顯的作用。對比專利與本發明成分對比見表1，其中專利1-5依次對應於美國專利US 20030217795、日本專利JP2003306749 A、日本專利JP 2001113374 A、歐洲專利EP 1354973和歐洲專利EP1354973。
表1相近專利與本專利的對比

與現有生產鋼種(最高級別X80)相比，按照上述技術方案生產出的管線鋼的性能達到以下要求(1)拉伸性能目標σ0.5≥690MPa，σb≥780MPa；(2)夏比V型缺口衝擊性能目標試驗溫度-20℃，10×10×55mm試樣的衝擊功平均值≥200J，剪切面積單個≥80％，平均≥90％。50％FATT≤-60℃；(3)DWTT(落錘撕裂試驗)性能目標試驗溫度-15℃，平均剪切面積SA％≥85％，單個SA％≥70％；(4)橫向冷彎性能目標d＝2a(d為彎曲直徑，a為鋼板厚度)，180°，完好。


附圖為本發明金相組織圖
具體實施例方式實施例1-6的化學成分見表2●表2化學成分wt％

●熱軋工藝設計(1)板坯加熱溫度1100～1250℃；(2)再結晶區控軋軋制的終止溫度900～1060℃；(3)非再結晶區控軋軋制的開始溫度800～900℃；(4)終止軋制溫度720～880℃；(5)終止冷卻溫度200～500℃；(6)冷卻速度3～30℃/s。
●性能結果本發明熱軋板的金相組織為貝氏體+針狀鐵素體+第二相組織，參照附圖。
分別進行力學拉伸、夏比衝擊、DWTT實驗，實驗結果如表3所示。
表3試製板卷性能檢驗結果

(注拉伸、衝擊為橫向；拉伸試樣直徑為10mm，標距長度50.8mm；夏比衝擊試樣尺寸為10×10×55mm；橫向冷彎d＝2a，180°，完好；)預計發明推廣應用的可行性及前景市場前景石油天然氣的長距離高壓管道輸送對管線鋼性能提出了更為嚴格的要求。從考慮管道建設和運營的經濟性、運營的穩定性和安全性出發，對管線用鋼的強度、韌性均提出了更高的要求。同樣的輸送條件下，應用更高鋼級管線鋼產品可以使鋼管的壁厚減薄，節省用鋼量，或在管道口徑、壁厚不變的條件下提高輸送壓力，達到提高輸送量的目的。例如X80鋼級的管線鋼強度可比X70鋼級提高了12％，X100鋼級比X80鋼級提高了20％。因此，管線鋼鋼級的不斷提高已經成為管線鋼的發展趨勢，長距離高壓輸送天然氣管道應用X100及X100以上鋼級的超高強度管線焊管是目前國際管道工業和冶金工業共同發展的方向。根據本發明進行的實施例，可以預計本項發明在設備條件允許的情況下，生產操作較易進行，具有一定的推廣應用的可能性。尤其近年來能源結構的變化以及對能源需求的增長，促進了石油天然氣管道工業的迅速發展，長距離高壓管道輸送已成為今日油氣輸送管道的主要特徵之一。超高強度高韌性管線鋼成為管線鋼發展的必然趨勢。因此，超高強度高韌性X100管線鋼有較大的應用前景。
權利要求
1.一種超高強度X100管線鋼，其組成成分的重量百分配比為C0.015～0.080％，Mn1.80～2.50％，Si≤0.6％，S≤0.0030％，P≤0.015％，Nb0.04～0.15％，Ti0.005～0.030％，V≤0.120％，Alt≤0.060％，N≤0.010％，O≤0.006％，Mo0.10～0.60％，Cu≤0.50％、Ni≤1.50％、Cr≤1.0％，B≤0.0020％，Ca≤0.01％，其餘為鐵和不可避免雜質。
2.權利要求1所述的超高強度X100管線鋼熱軋板製造方法，工藝步驟包括按權1配比備料、然後進行轉爐或電爐冶煉、爐外精煉、鑄造、板坯再加熱、控制軋制、控制冷卻，其特徵是，板坯加熱溫度控制在1100～1250℃再結晶區控軋軋制的終止溫度控制在900～1060℃；非再結晶區控軋軋制的開始溫度控制在800～900℃；終止軋制溫度控制在720～880℃；終止冷卻溫度控制在200～500℃；冷卻速度控制在3～30℃/s。
全文摘要
本發明涉及一種管線鋼及其製造方法，特別涉及一種超高強度X100管線鋼及其熱軋板製造方法。解決現有X100管線鋼配方比較複雜、生產成本較高、製造難度較大以及衝擊韌性和焊接性能稍有不足的技術問題。一種超高強度X100管線鋼，其組成成分的重量百分配比為C0.015～0.080％，Mn1.80～2.50％，Si≤0.6％，S≤0.0030％，P≤0.015％，Nb0.04～0.15％，Ti0.005～0.030％，V≤0.120％，Alt≤0.060％，N≤0.010％，O≤0.006％，Mo0.10～0.60％，Cu≤0.50％、Ni≤1.50％、Cr≤1.0％，B≤0.0020％，Ca≤0.01％，其餘為鐵和不可避免雜質。在熱軋板製造過程中，板坯加熱溫度1100～1250℃；再結晶區控軋軋制的終止溫度900～1060℃；非再結晶區控軋軋制的開始溫度800～900℃；終止軋制溫度720～880℃；終止冷卻溫度200～500℃；冷卻速度3～30℃/s。
文檔編號B21B37/74GK1986861SQ20051011185
公開日2007年6月27日 申請日期2005年12月22日 優先權日2005年12月22日
發明者高珊, 鄭磊 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司