超高強度高韌性x120管線鋼及其製造方法

2023-05-23 06:28:26

專利名稱：：超高強度高韌性x120管線鋼及其製造方法
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、高韌性X120管線鋼及其製造方法。
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)。如CN1715434A公開了一種高強度高韌性X80管線鋼，其組成成分的重量百分比為碳O.025~0.080%;矽0.19~0.30%;錳1.70~1.90%;鈥0.01~0.02%;鋁0.015~0.040%;釩0.055~0.065%;鎳《0.30%;鉻《0.02%;硼《0.0002%;磷《0.018%;硫《0.005%;鉀0.002~0.003°/。；鉬0.20~0.40%;銅<0.30%;鈮0.02~0.08%;氮:《0.006%;氧:<0.004%;氬<0.00025;鐵和微量雜質餘量。但是，其強度達不到X120的要求。長距離高壓輸送對管線鋼性能提出了更為嚴格的要求。從考慮輸送管道的運營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鋼級的管線鋼強度將比X70鋼級提高了12%,而X120比X100提高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，長距離高壓輸氣管線應用屈服強度等級大於等於690MPa的X100管線鋼和屈服強度等級大於等於827MPa的X120超高強度等級的管線鋼是目前國際管道工業和冶金工業共同發展的方向。
發明內容本發明要解決的技術問題是為了得到具有超高強度高韌性的X120管線鋼，高強度高韌性X120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、Cr、B及Cu、Ni合金元素，結合熱軋控軋控冷工藝，獲得貝氏體+馬氏體組織，以保證管線鋼具有高強度高韌性的性能。為實現上述目的，本發明的超高強度高韌性X120管線鋼，其組成成分的重量百分比為碳0.015-0.060%;錳1.80-2.50%;矽%;鈦0.005~0.03%;鋁^0.06%;釩20.15%;硼0.0005~0.0030%;磷20.015%;疏^0.003%;鈮0.043~0.150%;氮^0.012%;銅、鎳、鉻、鉬中的兩種或兩種以上，其中，銅^).80%、鎳%、#^1.20%、鉬3.0%;鐵和微量雜質餘量。其主要組成成分的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。當C含量低於0.11。/。時管線鋼可具有良好的悍接性。所以，目前管線鋼的C含量一般小於0.11。/。,對需更高韌性的管線鋼則採用C小於0.06%的超低C含量設計。此外為提高鋼中的有效Nb含量,碳含量必須低於0.06%。本發明選取0.015~0.060%。硼要防止BN的形成，並且必須抑制Fe"(CB)6的硼的^^化物的形成。因此，硼的加入量需限制一個非常窄的範圍，本發明選取0.0005~0.0030%。需注意的是硼必須存在於沿晶界的固溶體中。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《I起強度損失的最主要且最經濟的強化元素。Mn還是擴大Y相區的元素，可降低鋼的y—a相變溫度，有助於獲得細小的相變產物，可提高鋼的韌性、降低初脆轉變溫度。因此對X120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。本發明就是配合適當的C含量提高Nb的含量發揮NbC的作用，本發明選取0.043~0.150%。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沖擊韌性有明顯作用。本發明選取0.005~0.03%。鉻、鉬是擴大Y相區，推遲Y—oc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，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。本發明選取鉻化20%、鉬^1.0%。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。本發明選取銅￡0.80%、鎳^1.20%。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。因此，針對微合金化低碳貝氏體組織具有高強度高韌性，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X120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、Cr、B合金化及適當加入Cu、Ni、的成分^L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組織。本發明的超高強度高韌性X120管線鋼的製造方法的工藝路線如下備料—轉爐或電爐冶煉—爐外精煉—鑄造—板坯再加熱—控制軋制4控制冷卻。熱軋工藝進行如下控制(1)板坯加熱溫度1100~1250°C;(2)再結晶區控軋軋制的溫度控制範圍900~120(TC;(3)非再結晶區控軋軋制的溫度控制範圍720~940°C(4)終止軋制溫度720~880°C;(5)終止冷卻溫度200~500。C;(6)冷卻速度330°C/s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cJo.^827MPa，ab2931MPa，(2)V型缺口衝擊性能目標試驗溫度-20。C，10mmx10mmx55mm試樣的沖擊功平均值2231J，剪切面積單個》80%,平均290%;50%FATT《-40。C。(3)DWTT性能目標試驗溫度-20。C，平均剪切面積SA。/。285。/Q,單個SA。/Q70%。(4)橫向冷彎性能目標d=2a，180。，完好。本發明具有如下特點(1)與以往管線鋼成分相比，本發明的合金配方方面考慮B元素，以便得到貝氏體組織。同時考慮加入Cu、Ni、Cr、Mo等元素的二種或二種以上，這樣一來降低了生產製造成本和增加了生產可製造性；(2)它以超低碳為特點，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；(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^L負荷，所生產的產品具有較高的衝擊韌性，能夠充分保證高的強度和韌性，具有良好的止裂能力。與目前管線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40%，對降低輸送管線的建設成本有明顯的作用。具體實施例方式實施例1~5的化學成分、工藝參數和性能結果如下*化學成分實施例1~5的化學成分(wt°/。)如表1。表一化學成分(wt%)tableseeoriginaldocumentpage9工藝路線如下備料—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。實施例1~5的工藝參數見表2。表2:tableseeoriginaldocumentpage10*性能結果分別進行力學、夏比衝擊、DWTT實驗，實施例1~5的試製板巻性能實驗結果如表3所示。表3tableseeoriginaldocumentpage10注拉伸、沖擊為橫向，試樣尺寸為10mmxlOmnix55mm，橫向冷彎完好。權利要求1、一種超高強度高韌性X120管線鋼，其特徵在於，其組成成分的重量百分比為碳0.015～0.060％；錳1.80～2.50％；矽≤0.60％；鈦0.005～0.03％；鋁≤0.06％；釩≤0.15％；硼0.0005～0.0030％；磷≤0.015％；硫≤0.003％；鈮0.043～0.150％；氮≤0.012％；銅、鎳、鉻、鉬中的兩種或兩種以上，其中，銅≤0.80％、鎳≤1.20％、鉻≤1.20％、鉬≤1.0％；鐵和微量雜質餘量。2、一種製造如權利要求1所述的超高強度高韌性X120管線鋼的方法，工藝步驟包括備料、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，其特徵在於，板坯加熱溫度為1100~1250°C;再結晶區控軋軋制的溫度控制範圍900~1200*C;非再結晶區控軋軋制的溫度控制範圍720~940°C;終止軋制溫度720-880°C;終止冷卻溫度200~500°C;冷卻速度3~30°C/s。全文摘要本發明涉及一種超高強度高韌性X120管線鋼及其製造方法。超高強度高韌性X120管線鋼組成成分的重量百分比為碳0.015～0.060％；錳1.80～2.50％；矽≤0.60％；鈦0.005～0.03％；鋁≤0.06％；釩≤0.15％；硼0.0005～0.0030％；磷≤0.015％；硫≤0.003％；鈮0.043～0.150％；氮≤0.012％；銅、鎳、鉻、鉬中的兩種或兩種以上，其中，銅≤0.80％、鎳≤1.20％、鉻≤1.20％、鉬≤1.0％；鐵和微量雜質餘量。本發明的超高強度高韌性X120管線鋼與目前管線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40％，對降低輸送管線的建設成本有明顯的作用。文檔編號C22C38/58GK101165203SQ200610117239公開日2008年4月23日申請日期2006年10月18日優先權日2006年10月18日發明者吳海鳳,磊鄭,珊高申請人:寶山鋼鐵股份有限公司