一種超低溫高壓力服役輸送管用鋼板及其製造方法
2023-05-03 05:03:01
一種超低溫高壓力服役輸送管用鋼板及其製造方法
【專利摘要】本申請公開了一種超低溫高壓力服役輸送管用鋼板及其製造方法，該鋼板其化學成分按照重量百分比包括：C 0.03～0.07％，Si≤0.30％且大於0；Mn 1.5～1.9％，Al 0.015～0.06％，Nb 0.05～0.11％，Ti 0.010～0.018％，Cr 0.10～0.30％，Cu 0.10～0.30％，Ni 0.10～0.30，Mo≤0.30％且大於0，P≤0.015％且大於0，S≤0.004％且大於0，N≤0.005％且大於0，Ca/S≥2，Ti/N≥4，餘量為鐵及雜質元素，所述鋼板的碳當量Ceq≤0.43，所述鋼板的裂紋敏感指數Pcm≤0.21。本發明的製得的鋼板屈服強度≥500MPa，抗拉強度(Rm)≥600MPa，具有良好低溫韌性、裂紋止裂性能、焊接性能，成本低廉，製備方法簡單，易於操控，也適用於大型船舶、海洋工程、橋梁和高層建築等重要結構件製造。
【專利說明】一種超低溫高壓力服役輸送管用鋼板及其製造方法
【技術領域】
[0001] 本申請涉及一種超低溫高壓力服役大口徑輸送管用熱軋厚壁鋼板及其製造方法， 該鋼板可用於天然氣長距離輸送用大壁厚大口徑高強度直縫埋弧焊鋼管的加工，以及大型 船舶、海洋工程、鐵路橋梁和高層建築等建設工程。
【背景技術】
[0002] 能源是國民經濟實現可持續發展的重要基礎，天然氣是一種低碳礦物能源，擴大 其在我國能源結構中的比例，對於保障我國能源、保護生態環境具有重要的現實意義。管道 輸送是經濟、高效和環保的能源介質輸送方法，未來十年隨著天然氣消費在我國一次性能 源消費中比例的快速提升，天然氣管網建設必將高速增長。為了滿足我國經濟發展的需要， 大量的天然氣須從西部向經濟發展較快的東部地區輸送，如正在施工的"西氣東輸三線"， 以及規劃中的"西氣東輸四線"和"西氣東輸五線"等，且大量的天然氣還將通過"中亞D 線"、"西伯利亞東線"和"西伯利亞西線"等進口。而大口徑、高壓力輸氣管道建設是現代高 效、低成本長距離輸送的基本特點，為了保證管道安全，還要求較高的低溫韌性。如"西氣東 輸三線"的管徑Φ 1219mm，鋼級X80,設計輸氣壓力12MPa，設計年輸氣量300億立方米，要求 鋼板寬度大於3750mm，對於裸露在外部環境使用的管道，使用的鋼板一 40°C夏比V型衝擊 功彡210J、一 30°C落錘剪切面積彡85%西伯利亞東線"的管徑Φ 1422mm，鋼級K60 (X70)， 設計輸氣壓力l〇MPa，設計年輸氣量380億立方米，要求鋼板寬度大於4350mm，鋼板一 60°C 的夏比V型衝擊功彡120J、一 30°C落錘剪切面積彡85%。由於這些管道將穿越一些特殊地 質條件地區,要求鋼板的厚度彡30mm。
[0003] 目前，世界上的鋼鐵企業還沒有開發出滿足這些管道項目建設的需要的鋼板。如 專利CN102277530B公布了一種"深海用彡25mm厚的及其生產方法"，其強度控制在X65水 平，一 40°C的夏比V型衝擊功彡200J，一 20°C落錘剪切面積彡85%，力學性能不能滿足上 述工程項目設計要求；且鑑於其為海底管線，其寬度也必將低於3200mm。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在於提供一種鋼板及其製造方法，以克服現有技術中的不足。
[0005] 為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：
[0006] 本申請實施例公開了一種超低溫高壓力服役輸送管用鋼板，其化學成分按照重量 百分比包括：CO. 03 ?0· 07%，Si 彡 0· 30%且大於 0 ;Mnl. 5 ?L 9%，A10. 015 ?0· 06%， NbO. 05 ?0. 11 %，TiO. 010 ?0. 018%，CrO. 10 ?0. 30%，CuO. 10 ?0. 30%，NiO. 10 ? 0· 30, Mo彡0· 30%且大於0, P彡0· 015%且大於0, S彡0· 004%且大於0, N彡0· 005%且 大於0, Ca/S彡2, Ti/N彡4,餘量為鐵及雜質元素，所述鋼板的碳當量Ceq[ = C+Mn/6+(Cr +Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15] < 0· 43,所述鋼板的裂紋敏感指數Pcm[ = C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20 +Ni/60+Mo/15+V/10+5B]彡 0·21。
[0007] 優選的，在上述的超低溫高壓力服役輸送管用鋼板中，所述鋼板的厚度> 30mm，寬 度 > 3730mm。
[0008] 相應地，本申請還公開了一種超低溫高壓力服役輸送管用鋼板的製造方法，包括 步驟：
[0009] 1)、冶煉：將鐵水脫硫後送入轉爐冶煉，再送入LF爐精煉，精煉完成後送入RH爐真 空處理，獲得鋼水；
[0010] 2)、板坯連鑄：將步驟1)獲得的鋼水送入連鑄機，進行無氧化保護澆注，中間包過 熱度控制在25±5°C，拉速控制在0. 65±0. 05m/min，連鑄動態輕壓下量5?IOmm ;
[0011] 3)、板坯再加熱：溫度控制在1100?1250°C，保持時間彡320min ;
[0012] 4)、粗軋：溫度控制在950?1KKTC，粗軋後中間坯厚度彡2. 5倍最終所獲得鋼板 厚度；
[0013] 5)、中間坯層流快速冷卻；
[0014] 6)、精軋：溫度控制在800?900°C，精軋結束溫度730?830°C，精軋階段總壓縮 比彡60% ;
[0015] 7)、鋼板預熱矯直；
[0016] 8)、鋼板快速冷卻：終冷溫度彡550°C，冷卻速率控制彡15°C /s ;
[0017] 9)、鋼板熱矯直；
[0018] 10)、冷卻。
[0019] 優選的，在上述的超低溫高壓力服役輸送管用鋼板的製造方法中，所述步驟1) 中，所述LF爐處理後，鋼液中S含量彡0.005%，0含量彡0.0025%。
[0020] 優選的，在上述的超低溫高壓力服役輸送管用鋼板的製造方法中，所述步驟1) 中，所述RH真空處理後，鋼液中N含量彡0. 0035%。
[0021] 優選的，在上述的超低溫高壓力服役輸送管用鋼板的製造方法中，所述步驟2) 中，獲得的板坯的厚度為320mm，寬度大於2200mm。
[0022] 優選的，在上述的超低溫高壓力服役輸送管用鋼板的製造方法中，所述步驟1) 中，RH爐真空處理後，在鋼液中N含量小於0. 0035%的條件下添加 Ti。
[0023] 優選的，在上述的超低溫高壓力服役輸送管用鋼板的製造方法中，所述步驟1) 中，RH爐真空處理後，在鋼液中S含量彡0.005%條件下餵入矽鈣線或純鈣線，並進行鋼包 底吹氦軟攪拌8-15min。
[0024] 優選的，在上述的超低溫高壓力服役輸送管用鋼板的製造方法中，所述步驟5) 中，採用噴淋方式冷卻中間坯。
[0025] 優選的，在上述的超低溫高壓力服役輸送管用鋼板的製造方法中，所述步驟8) 中，鋼板快速冷卻過程中，採用頭尾遮擋技術，保證控冷過程中鋼板冷卻溫度均勻。
[0026] 與現有技術相比，本發明的優點在於：
[0027] (1)鋼種採用了低碳高鈮及Cu、Ni、Cr多組元合金成分設計，具有高強度、高低溫 韌性和良好的焊接性能；
[0028] (2)在受控條件下精確的加鈦處理，通過控制TiN的析出，獲得鋼中均勻的細晶組 織，並顯著降低了焊接熱影響區的晶粒長大，提高了鋼板低溫落錘性能和焊接性能；
[0029] (3)鋼液的鈣處理在S含量 2,並進行鋼包底吹氦同時進行軟攪拌8-15min，|丐處理後原串狀三氧化錯夾雜 被改性為球狀鋁鈣複合夾雜，且軟攪拌後鋼液純淨度改善；
[0030] (4)在中間坯待溫過程採用噴淋冷卻，縮短待溫時間提高效率，避免待溫過程奧氏 體晶粒長大，使精軋過程的晶粒進一步細化；
[0031] (5)精軋結束後，鋼板經預熱矯直後，顯著改善了鋼板平整度，確保了鋼板冷卻的 均勻性和鋼板冷卻後的平整度；
[0032] (6)鋼板快速冷卻過程中，採用頭尾遮擋技術，進一步改善鋼板平整度，並動態調 控組織，確保鋼板組織的均勻性。
[0033] (7)本發明實現了高性能大壁厚鋼板厚度方向組織的一致性，保證了厚度不小於 30mm、寬度不小於3730mm鋼板具有高強度、高低溫韌性，強度覆蓋X70和X80 (K60和K65)， 低溫韌性滿足：一 40°C夏比衝擊功彡250J、一 60°C夏比衝擊功彡180J、一 30°C落錘剪切面 積彡 85%、-40?的 CTOD 值彡 0· 80mm。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0034]為了更清楚地說明本申請實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現 有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 申請中記載的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下， 還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0035] 圖Ia-圖Ic所示為本發明具體實施例4中所製得鋼板的金相圖（依次為近表 面 X 500 ;厚度 1/4, X 500 ;厚度 1/2, X 500);
[0036] 圖2a-圖2c所示為本發明具體實施例1中所製得的34mm厚的鋼板的金相圖（分 別為近表面X500 ;厚度1/4, X500 ;厚度1/2, X500);
[0037] 圖3所示為本發明具體實施例4中鋼板的夏比V型衝擊試驗的韌脆轉變曲線；
[0038] 圖4所示為本發明具體實施例1中鋼板的夏比V型衝擊試驗的韌脆轉變曲線；
[0039] 圖5所示為本發明具體實施例4中鋼板的一 40°C下CTOD載荷P與引伸計測出的 缺口張開位移V的P - V曲線；
[0040] 圖6所示為本發明具體實施例1中鋼板的一 40°C下CTOD載荷P與引伸計測出的 缺口張開位移V的P - V曲線。
【具體實施方式】
[0041] 本發明旨在開發一種超低溫環境服役的大口徑輸送管用高性能大壁厚熱軋板， 其壁厚不小於30mm，寬度不小於3700mm，強度覆蓋X70和X80(K60和K65)，低溫韌性滿 足：一 40°C夏比V型衝擊功彡250J、一 60°C夏比V型衝擊功彡180J、一 30°C落錘剪切面積 彡 85%、-40?的 CTOD 值彡 0· 80mm。
[0042] 為此，本發明實施例公開了一種鋼板，其化學成分按照重量百分比包括：C0. 03? 0.07%，51彡0.30%且大於0以111.5?1.9%，六10.015?0.06%，恥0.05?0.11%， TiO. 010 ?0. 018%，CrO. 10 ?0. 30%，CuO. 10 ?0. 30%，NiO. 10 ?0. 30, Mo 彡 0. 30% 且大於0, P彡〇· 015%且大於0, S彡0· 004%且大於0, N彡0· 005%且大於0, Ca/S彡2， Ti/N > 4,餘量為鐵及雜質元素，所述鋼板的碳當量Ceq < 0. 43,所述鋼板的裂紋敏感指數 Pcm < 0· 21 〇
[0043] 本發明的鋼板通過元素種類及含量的科學設計，在添加微量合金元素基礎上，實 現了焊接性能優良、超高屈服強度、高抗拉強度和良好的低溫韌性、裂紋止裂性能的匹配。 在本發明中，除非另有指明，所提到的含量均指重量百分比含量。
[0044] 本發明的鋼板的化學成分及含量的主要作用說明如下：
[0045] 碳（C):碳是影響強度、韌性、硬度及焊接性能的主要元素，可以與Nb、Ti、Cr、Mo、 Fe形成碳化物，起到析出強化和晶粒細化韌化材料的作用。碳含量的增加，對提高鋼的強度 和硬度有明顯作用，但碳含量的增加會對鋼的延性、韌性及焊接性能有負面影響。所以，本 發明選擇的碳含量為〇. 03?0. 07%，一方面主要是考慮過低的碳會使得鋼板的屈強比增 高，另一方面主要是考慮鋼板的韌性及優良的焊接性能。
[0046] 錳（Mn):錳是固溶強化元素，既可以提高鋼的強度和硬度，也能夠改善鋼的韌性。 適度提高鋼的淬透性，擴大Y相區，降低鋼的Y - α相變溫度，有助於獲得細小的相變產 物。此外，錳還能提高微合金元素鈮（Nb)在鋼中的溶解度，抑制碳氮化鈮的析出。但過多 的Mn會導致鑄坯中心Mn偏析，對厚板的強韌性有較大傷害。因此，本發明鋼採用的錳含量 為 1. 5 ?1. 9%。
[0047] 鈮（Nb):鈮是有效的晶粒細化元素，能夠明顯的抑制奧氏體晶粒長大，延遲 Y - α轉變，從而獲得更加細小的組織。在熱軋過程中，析出的碳氮化鈮可以延遲再結晶 及晶粒的長大過程，碳氮化鈮通過釘扎位錯，使得基體中可以保留更多的位錯密度，提高鋼 的強度和韌性。固溶狀態的鈮可以延遲Y - α轉變，細化鐵素體晶粒，提高鋼的韌性，在 冷卻過程中固溶的鈮可以繼續以Nb(CN)析出，進一步提高鋼的強度。本發明鋼採用的鈮為 0· 05 ?0· 11%。
[0048] 鈦（Ti):鈦是強的固氮元素，可以形成彌散分布的TiN顆粒，從而可以在坯料加熱 過程和軋制過程中抑制奧氏體晶粒粗化，起到細化晶粒的作用，提高鋼的低溫韌性；同樣， TiN顆粒對焊接熱影響區晶粒的長大能夠起到很好的抑制作用，改善焊接性能。此外，鈦可 以與鈮複合析出，提高（TiNb) (CN)的熱穩定性，對加熱過程中坯料奧氏體晶粒的長大及焊 接熱影響區晶粒的粗化起到很好的抑制作用，改善鋼板的韌性，提高鋼板的焊接性能。同 時，鈦又是強脫氧元素，加入量過高鋼中會產生氧化鈦夾雜，且TiN析出粗大，影響鋼的韌 性。本發明鋼中鈦的加入量為0. 010?0. 018%，其Ti/N彡4。
[0049] 鉻（Cr):鉻是碳化物形成元素，能夠提高鋼板硬度，起到沉澱強化的作用；鉻作為 鐵素體形成元素，在高Nb鋼中可以得到更多的針狀鐵素體組織；鉻還能夠提高鋼的抗腐蝕 及耐氫致開裂性能，但過量的鉻將降低鋼板的延伸性能，促進晶粒的長大而影響韌性，導致 焊接區域的冷裂紋的產生。本發明鋼中鉻的加入量為〇. 10?〇. 30%。
[0050] 銅（Cu):銅能提高鋼板及焊接熱影響區的強度，銅的沉澱作用還可以提高鋼的抗 疲勞性能；此外，銅還能提高鋼板的耐腐蝕性能，近加入〇. 1%的銅就可以顯著提高鋼的耐 大氣腐蝕性。但過量的銅對焊接熱影響區及焊接區的韌性是不利的，本發明鋼中銅的加入 量為 0· 10 ?0· 30%。
[0051] 鎳（Ni):鎳通過固溶強化提高鋼的強度，且並不顯著提高鋼的硬度，從而對低溫 韌性有利；同時，鎳還有助於改善鋼中加銅引起的熱脆性。本發明鋼鎳的加入量為〇. 10? 0· 30%。
[0052] 鋁（Al) :A1為強固N元素，形成細小的AlN顆粒析出，可抑制板坯加熱、乳制、淬火 加熱及焊接過程中的晶粒長大，達到細化晶粒、提高鋼板的低溫韌性及改善焊接性能。本發 明選擇的鋁含量為0. 015?0. 06%。
[0053] 氮（N):氮可導致時效和脆化，對鋼的性能是有害的。鋼中少量氮可與Nb、Ti、Al 形成化合物在鋼中析出細化晶粒，提高鋼的強度和韌性等。本發明氮含量不大於〇. 003%， 且Ti/N彡4。
[0054] 硫⑶：硫是有害元素，其不僅增加鋼的熱脆性，且易與Mn結合形成MnS，在高溫軋 制後形成長條形MnS夾雜，不僅影響鋼板的抗層狀撕裂性能，且鋼板中的H易擴散到MnS與 基體界面，形成氫致開裂裂紋，形成分層缺陷，嚴重影響鋼板的內在質量。因此，本發明選擇 的硫含量不大於0.004%。
[0055] 本發明實施例公開了一種鋼板及其製造方法。本領域技術人員可以借鑑本文內 容，適當改進工藝參數實現。特別需要指出的是，所有類似的替換和改動對本領域技術人員 來說是顯而易見的，它們都被視為包括在本發明。本發明的應用已經通過較佳實施例進行 了描述，相關人員明顯能在不脫離本
【發明內容】
、精神和範圍內對本文所述的應用進行改動 或適當變更與組合，來實現和應用本發明技術。
[0056] 為了進一步理解本發明，下面結合實施例對本發明進行詳細說明。
[0057] 不同實施例中採用了不同的原料組分，但是均採用相同的製造方法，其製造步驟 如下：
[0058] 1)、冶煉：將鐵水脫硫後送入轉爐冶煉，再送入LF爐精煉，LF爐處理後，鋼液中S 含量< (λ 005 %，0 含量< 0025 %。
[0059] 精煉完成後送入RH爐真空處理，獲得鋼水。RH真空處理後，鋼液中N含量 彡 0· 0035%。
[0060] RH完成真空處理後，在鋼中N含量小於0. 0035%的條件下添加 Ti,在隨後工藝澆 注等處理過程中，鋼中N會有所增加，但成品鋼中的Ti/N > 4,初軋後鋼中仍有一定量的溶 解Ti，在精軋過程中細小彌散的TiN析出，確保鋼板的晶粒度。
[0061] RH真空處理階段結束後，在鋼中S含量彡0. 005 %條件下餵入矽鈣線或純鈣線， 且成品鋼中Ca/S彡2,並進行鋼包底吹氬軟攪拌8-15min。
[0062] 2)、板坯連鑄：將步驟1)獲得的鋼水送入連鑄機，進行無氧化保護澆注，板坯厚度 320mm、寬度大於2200mm，中間包過熱度控制在25 ±5 °C，拉速0. 65 ±0. 05m/min，連鑄動態 輕壓下量5?10mm。進行鈣處理後原串狀三氧化鋁夾雜被改性為球狀鋁鈣複合夾雜，且軟 攪拌後鋼液純淨度改善，使鋼的韌性提高。
[0063] 3)、板坯再加熱：溫度控制在1100?1250°C，保持時間為> 320min。
[0064] 4)、粗軋：溫度控制在950?1100°C，粗軋後中間坯厚度> 2. 5倍鋼板厚度。
[0065] 5)、中間坯層流快速冷卻：粗軋後採用噴淋冷卻中間坯，加快其冷卻速度，縮短中 間坯待溫時間，抑制待溫過程晶粒粗大，改善鋼板的落錘性能。
[0066] 6)、精軋：溫度控制在800?900°C，精軋結束溫度730?830°C，精軋階段總壓縮 比彡60%。
[0067] 7)、鋼板預熱矯直：鋼板精軋後，採用預熱矯直，保證平整的鋼板進入快速冷卻。
[0068] 8)、鋼板快速冷卻：終冷溫度彡550°C (最低可至室溫），冷卻速率控制彡15°C /s， 鋼板快速冷卻過程中，採用頭尾遮擋技術，保證控冷過程中鋼板冷卻溫度均勻。
[0069] 9)、鋼板熱矯直；
[0070] 10)、冷卻。
[0071] 在不同實施例中，鋼板的化學成分（％)請參表1。
[0072] 表 1
[0073]
【權利要求】
1. 一種超低溫高壓力服役輸送管用鋼板，其特徵在於，其化學成分按照重量百分比 包括：C 0.03 ?0.07%，Si 彡 0.30%且大於 0;Mn 1.5 ?1.9%，A10. 015 ?0.06%，Nb 0. 05 ?0. 11%，Ti 0. 010 ?0. 018%，Cr 0. 10 ?0. 30%，CuO. 10 ?0. 30%，Ni 0. 10 ? 0? 30, Mo彡0? 30%且大於0, P彡0? 015%且大於0, S彡0? 004%且大於0, N彡0? 005%且 大於0, Ca/S彡2, Ti/N彡4,餘量為鐵及雜質元素，所述鋼板的碳當量Ceq彡0. 43,所述鋼 板的裂紋敏感指數Pcm < 0. 21。
2. 根據權利要求1所述的超低溫高壓力服役輸送管用鋼板，其特徵在於：所述鋼板的 厚度 > 30mm，寬度 > 3730mm。
3. 權利要求1所述的超低溫高壓力服役輸送管用鋼板的製造方法，其特徵在於，包括 步驟： 1) 、冶煉：將鐵水脫硫後送入轉爐冶煉，再送入LF爐精煉，精煉完成後送入RH爐真空處 理，獲得鋼水； 2) 、板坯連鑄：將步驟1)獲得的鋼水送入連鑄機，進行無氧化保護澆注，中間包過熱度 控制在25±5°C，拉速控制在0. 65±0. 05m/min，連鑄動態輕壓下量5?10mm ; 3) 、板坯再加熱：溫度控制在1100?1250°C，保持時間彡320min ; 4) 、粗軋：溫度控制在950?1KKTC，粗軋後中間坯厚度> 2. 5倍最終所獲得鋼板厚 度； 5) 、中間坯層流快速冷卻； 6) 、精軋：溫度控制在800?900°C，精軋結束溫度730?830°C，精軋階段總壓縮比 ^ 60% ； 7) 、鋼板預熱矯直； 8) 、鋼板快速冷卻：終冷溫度< 550°C，冷卻速率控制彡15°C /s ; 9) 、鋼板熱矯直； 10) 、冷卻。
4. 根據權利要求3所述的超低溫高壓力服役輸送管用鋼板的製造方法，其特徵在於： 所述步驟1)中，所述LF爐處理後，鋼液中S含量彡0.005%，0含量彡0.0025%。
5. 根據權利要求3所述的超低溫高壓力服役輸送管用鋼板的製造方法，其特徵在於： 所述步驟1)中，所述RH真空處理後，鋼液中N含量彡0. 0035%。
6. 根據權利要求3所述的超低溫高壓力服役輸送管用鋼板的製造方法，其特徵在於： 所述步驟2)中，獲得的板坯的厚度為320_，寬度大於2200_。
7. 根據權利要求3所述的超低溫高壓力服役輸送管用鋼板的製造方法，其特徵在於： 所述步驟1)中，RH爐真空處理後，在鋼液中N含量小於0. 0035%的條件下添加Ti。
8. 根據權利要求3所述的超低溫高壓力服役輸送管用鋼板的製造方法，其特徵在於： 所述步驟1)中，RH爐真空處理後，在鋼液中S含量< 0. 005%條件下餵入矽鈣線或純鈣線， 並進行鋼包底吹氦軟攪拌8-15min。
9. 根據權利要求3所述的超低溫高壓力服役輸送管用鋼板的製造方法，其特徵在於： 所述步驟5)中，採用噴淋方式冷卻中間坯。
10. 根據權利要求3所述的超低溫高壓力服役輸送管用鋼板的製造方法，其特徵在於： 所述步驟8)中，鋼板快速冷卻過程中，採用頭尾遮擋技術，保證控冷過程中鋼板冷卻溫度 均勻。
【文檔編號】C22C38/58GK104404387SQ201410592188
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年10月29日 優先權日:2014年10月29日
【發明者】聶文金, 張曉兵, 林濤鑄, 鮑德志, 鄒星祿, 皇祝平 申請人:江蘇沙鋼集團有限公司