專(zhuān)利名稱(chēng)：低屈強(qiáng)比超高強(qiáng)度x130管線鋼及其熱軋平板的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種超高強(qiáng)度低屈強(qiáng)比X130管線鋼及其熱軋平板的制造方法。
背景技術(shù)：
近年來(lái)能源結(jié)構(gòu)的變化以及對(duì)能源需求的增長(zhǎng)，極大地促進(jìn)了長(zhǎng)距離油氣輸送管線的發(fā)展。為提高輸送效率、降低工程投資，長(zhǎng)距離石油天然氣輸送管線用鋼向高鋼級(jí)發(fā)展已成必然趨勢(shì)。同樣的輸送條件下，應(yīng)用高鋼級(jí)管線鋼產(chǎn)品可以使鋼管的壁厚減薄，節(jié)省用鋼量， 降低工程投資與提高施工效率；或在管道口徑、壁厚不變的條件下提高輸送壓力，達(dá)到提高輸送量的目的。管線鋼鋼級(jí)的不斷提高已經(jīng)成為管線鋼的發(fā)展趨勢(shì)，長(zhǎng)距離高壓輸氣管線應(yīng)用屈服強(qiáng)度等級(jí)不小于690MI^的XlOO及其以上管線鋼是目前國(guó)際管道工業(yè)和冶金工業(yè)共同發(fā)展的方向。目前，世界各國(guó)廣泛使用的管線鋼的最高鋼級(jí)僅到X80(屈服強(qiáng)度大于等于 555MPa)，如CN1715434專(zhuān)利公開(kāi)了一種高強(qiáng)度高韌性X80管線鋼；少量試驗(yàn)段采用了 XlOO 與X120鋼管，它們的屈服強(qiáng)度均低于900MPa，其強(qiáng)度水平達(dá)不到X130的要求。國(guó)內(nèi)外已公開(kāi)的高強(qiáng)管線鋼專(zhuān)利，有的屈服強(qiáng)度低，不能滿(mǎn)足X130的要求，如W02008054166專(zhuān)利和 CN101165203專(zhuān)利描述的熱軋鋼板及其制備方法最高僅能滿(mǎn)足X120的強(qiáng)度要求；有的雖然屈服強(qiáng)度滿(mǎn)足了要求，但是屈強(qiáng)比高，超過(guò)了 0. 90，甚至達(dá)到了 0. 98，這不利于高強(qiáng)管線鋼的工程應(yīng)用，如JP2002^5283專(zhuān)利；有的雖然強(qiáng)度可以達(dá)到900MPa以上，但是需要對(duì)熱軋板材進(jìn)行熱處理，增加了制造成本與工藝復(fù)雜度，如US5900075專(zhuān)利描述了一種需要熱處理促進(jìn)Cu析出硬化的管線鋼。因此，鋼板具有高強(qiáng)度是長(zhǎng)距離高壓輸送油氣工程對(duì)管線鋼性能提出的最基本的要求。從考慮輸送管道的運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性出發(fā)，還應(yīng)對(duì)管線用鋼的韌性、屈強(qiáng)比提出更高的要求。具有低屈強(qiáng)比、高韌性的超高強(qiáng)度管線鋼將是未來(lái)管線鋼的重要發(fā)展方向之一， 它能在降低管道建造成本的條件下，同時(shí)又能保證管道運(yùn)營(yíng)的安全。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種無(wú)需軋后熱處理、屈強(qiáng)比不超過(guò)0. 90的超高強(qiáng)度X130管線鋼及其熱軋平板的制造方法。為了解決這一問(wèn)題，本發(fā)明高強(qiáng)度低屈強(qiáng)比X130管線鋼成分設(shè)計(jì)思想是以超低 C、高M(jìn)n，通過(guò)加入微量Nb、Ti等微合金元素、少量Mo、Cr及Cu、Ni合金元素，結(jié)合控軋控冷工藝，獲得由貝氏體+MA組元構(gòu)成的組織結(jié)構(gòu)，以保證管線鋼具有高強(qiáng)度低屈強(qiáng)比的性能。本發(fā)明低屈強(qiáng)比超高強(qiáng)度X130管線鋼的組成成分重量百分比為 CO. 030% -0. 090%, Mn 1. 50% -2. 50%, Si 0. 10% -0. 60%, P ^ 0. 015%, S^O. 003%, Nb 0. 040% -0. 150%, Ti 0. 005% -0. 03%, Alt 0. 01 % -0. 06 %, N ^ 0. 012 % ；Cu, Ni
3中的一種或兩種，其中Cu 0% -1. 20%, Ni 0%-1. 20% ;Cr、Mo中的一種或兩種，其中Cr 0% -1. 20%,Mo 0% -1. 20% ；Cu、Cr、Ni、Mo總量彡2. 40% ；余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。為了實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的性能，本發(fā)明對(duì)C、Nb、Cu、Ni、Cr和Mo的添加量與添加方式做出了優(yōu)化:C優(yōu)選為0. 030% -0. 060% ;Nb優(yōu)選為0. 040% -0. 080%；Cu與Ni等比例添加，總量?jī)?yōu)選為0. 20% -1.0% ；Cr與Mo總量?jī)?yōu)選為0. 20% -1.0%。本發(fā)明超高強(qiáng)度X130管線鋼的主要組成成分的作用如下C:鋼中最經(jīng)濟(jì)、最基本的強(qiáng)化元素，通過(guò)固溶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化對(duì)提高鋼的強(qiáng)度有明顯作用，但是提高C含量對(duì)鋼的延性、韌性和焊接性有負(fù)面影響，為此，本發(fā)明將C含量上限設(shè)定為0.090%。近代管線鋼的發(fā)展過(guò)程是不斷降低C含量的過(guò)程。降低C含量一方面有助于提高鋼的韌性，另一方面可改善鋼的焊接性能。當(dāng)C含量低于0.030%時(shí)，不能充分發(fā)揮Nb等元素的沉淀強(qiáng)化作用。為了起到細(xì)化晶粒、提高焊接接頭強(qiáng)度，本發(fā)明C含量的下限設(shè)定為0.030%。此外為提高鋼中的有效Nb含量，碳含量必須低于0.06%。本發(fā)明選取 C 含量范圍 0. 030-0. 090 %，優(yōu)選為 0. 030-0. 060 %。Si、Alt 加入Si是為了煉鋼過(guò)程中脫氧與提高基體的強(qiáng)度。如果添加過(guò)量的Si， 母材的焊接熱影響區(qū)的韌性就會(huì)顯著降低，野外焊接施工性能也會(huì)變差。因此，Si含量在本發(fā)明中選定為0. 10-0. 60%。鋼中脫氧還可以通過(guò)加Al完成，如果Al添加過(guò)多，生成的脫氧產(chǎn)物Al2O3容易堵塞水口。含量過(guò)低，脫氧效果不佳，Ti等易氧化元素就會(huì)生成氧化物降低收得率。本發(fā)明中選定Alt (全鋁)含量范圍0. 01-0. 06%。Mn 通過(guò)固溶強(qiáng)化提高鋼的強(qiáng)度，是管線鋼中補(bǔ)償因C含量降低而引起強(qiáng)度損失的最主要且最經(jīng)濟(jì)的強(qiáng)化元素。Mn還是擴(kuò)大γ相區(qū)的元素，可降低鋼的Y — α相變溫度，有助于獲得細(xì)小的相變產(chǎn)物，可提高鋼的韌性、降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度。為了保證強(qiáng)度與低溫韌性之間的平衡，Mn的最低含量設(shè)定為1. 50%。提高M(jìn)n的含量，鋼的可淬透性增加，含量增加到一定程度后，會(huì)導(dǎo)致焊接性能下降尤其是嚴(yán)重惡化焊接熱影響區(qū)的韌性。另外，過(guò)高的Mn含量還會(huì)增加連鑄坯中心偏析，使鋼板性能的各向異性增加。因此，本發(fā)明的Mn含量上限設(shè)計(jì)為2.50%。Nb:是現(xiàn)代微合金化管線鋼中最主要的元素之一，對(duì)晶粒細(xì)化的作用十分明顯。通過(guò)熱軋過(guò)程中NbC應(yīng)變誘導(dǎo)析出阻礙形變奧氏體的回復(fù)、再結(jié)晶，經(jīng)過(guò)控制軋制和控制冷卻使非再結(jié)晶區(qū)軋制的形變奧氏體組織在相變時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的相變產(chǎn)物，以使鋼具有高強(qiáng)度和高韌性。本發(fā)明就是配合C含量添加適量Nb發(fā)揮NbC的作用，本發(fā)明選取Nb含量范圍 0. 040-0. 150%,優(yōu)選為 0. 040-0. 080%。Ti,N 是強(qiáng)的固N(yùn)元素，Ti/N的化學(xué)計(jì)量比為3. 42，利用0. 01%左右的Ti就可固定鋼中30ppm左右的N，在板坯連鑄時(shí)可形成細(xì)小的高溫穩(wěn)定的TiN析出相。這種細(xì)小的 TiN粒子可有效地抑制板坯再加熱時(shí)的奧氏體晶粒長(zhǎng)大，有助于提高Nb在奧氏體中的固溶度，改善焊接熱影響區(qū)的沖擊韌性。當(dāng)Als的含量過(guò)低(如低于0.005% )，Ti會(huì)形成氧化物，這些內(nèi)生質(zhì)點(diǎn)可以起到晶內(nèi)鐵素體形核核心的作用，細(xì)化焊接熱影響區(qū)組織。為了獲得這一效果，至少要添加0. 005% Ti。當(dāng)Ti添加量超過(guò)某一定值，TiN顆粒就會(huì)粗化，TiC的沉淀強(qiáng)化作用顯現(xiàn)，造成低溫韌性惡化。因此，綜合考慮TiN細(xì)化奧氏體晶粒以及Ti/N計(jì)量比，本發(fā)明選取Ti含量范圍0. 005-0. 03%，N含量不超過(guò)0. 012%。
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Cr,Mo 是擴(kuò)大、相區(qū)，推遲Y — α相變時(shí)先析出鐵素體形成、促進(jìn)針狀鐵素體形成的主要元素，對(duì)控制相變組織起重要作用，在一定的冷卻條件和終軋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(shí)因相變向低溫方向轉(zhuǎn)變，可使組織進(jìn)一步細(xì)化，組織細(xì)化有利于低溫韌性的改善。為了獲得強(qiáng)度與韌性的合理搭配，本發(fā)明選取 CrO-L 20%,MoO-L 20%，優(yōu)選 Cr+Mo 范圍為 0. 20-1. 00%。Cu、Ni 可通過(guò)固溶強(qiáng)化作用提高鋼的強(qiáng)度，同時(shí)Cu還可以改善鋼的耐蝕性，Ni的加入主要是改善Cu在鋼中易引起的熱脆性，且對(duì)低溫韌性有益。在厚規(guī)格管線鋼中還可補(bǔ)償因厚度的增加而引起的水冷強(qiáng)度不足而造成的強(qiáng)度下降。本發(fā)明選取Cu 0-1. 20%, Ni 0-1. 20%，優(yōu)選Cu+Ni范圍為0. 20-1. 00%，推薦1 :1添加，Ni含量的下限不低于Cu含量的三分之一。P、S:是鋼中不可避免的雜質(zhì)元素，希望越低越好，但是考慮到冶煉成本，P、S含量的上限設(shè)定為0. 015%,0. 003%。通過(guò)Ca處理對(duì)硫化物進(jìn)行夾雜物形態(tài)控制，可使管線鋼具有高的沖擊韌性。本發(fā)明針對(duì)微合金低碳貝氏體組織具有高強(qiáng)度高韌性，以晶粒細(xì)化、相變強(qiáng)化、析出強(qiáng)化和位錯(cuò)強(qiáng)化等材料強(qiáng)化理論為基礎(chǔ)，對(duì)具有貝氏體組織X130管線鋼的成分設(shè)計(jì)采用了超低碳、超低硫、Nb、Ti復(fù)合微合金化、控制組織的Mo、Cr合金化及適當(dāng)加入Cu、Ni的成分設(shè)計(jì)。熱軋工藝采用了控軋控冷的熱機(jī)械處理技術(shù)，通過(guò)合理的成分和工藝進(jìn)行最終產(chǎn)品的組織控制，以獲得具有高強(qiáng)度高韌性的超低碳貝氏體組織。為了保證較低的屈強(qiáng)比，鋼板生產(chǎn)過(guò)程中采用兩階段控制軋制技術(shù)，其中第一階段軋制為再結(jié)晶區(qū)軋制，該階段至少三個(gè)道次的單道次變形量不小于15%，第二階段軋制為非再結(jié)晶區(qū)軋制，該階段的累積變形量不小于60%，鋼板軋后在層流冷卻過(guò)程中，采用指定的溫度范圍配合相應(yīng)的冷卻速度。本發(fā)明低屈強(qiáng)比超高強(qiáng)度X130管線鋼的制造方法的工藝路線如下備料一轉(zhuǎn)爐或電爐冶煉一爐外精煉一鑄造一板坯再加熱一控制軋制一控制冷卻。熱軋工藝進(jìn)行如下控制(1)板坯加熱溫度1050-1280°C ；(2)再結(jié)晶區(qū)控制軋制的溫度控制范圍900-1250°C ；(3)非再結(jié)晶區(qū)控制軋制的溫度控制范圍700-950°C ；(4)終止軋制溫度700-880°C ；(5)終止冷卻溫度150-500°C ；(6)冷卻速度3_；35°C /s。與現(xiàn)有生產(chǎn)鋼種(最高級(jí)別X80)相比，按照上述技術(shù)方案生產(chǎn)出的管線鋼的性能達(dá)到以下要求拉伸性能目標(biāo)RtO.5 或 RpO. 2 彡 900MPa, Rm 彡 950MPa,屈強(qiáng)比 RpO. 2/ Rm ^ 0. 90。V型缺口沖擊性能目標(biāo)試驗(yàn)溫度-20°C，10mmxl0mmx55mm試樣的沖擊功平均值彡200J，剪切面積單值彡80%，平均彡90% ；50% FATT彡-40°C。DffTT性能目標(biāo)試驗(yàn)溫度-20°C，平均剪切面積SA%彡85%，單個(gè)SA%彡70%。橫向冷彎性能目標(biāo)d = 2a, 180°，完好。
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本發(fā)明具有如下特點(diǎn)(1)與以往管線鋼成分相比，本發(fā)明的合理配方方面考慮不加入V、B，同時(shí)加入Cu、Ni中的一種或一種以上，Cr、Mo中的一種或一種以上，這樣一來(lái)降低了生產(chǎn)制造成本和增加了生產(chǎn)可制造性；( 它以超低碳為特點(diǎn)，在保證強(qiáng)度前提下， 增加了沖擊韌性和良好的焊接性能，使管線鋼具有良好的止裂能力；C3)充分利用了 C和Nb 元素的關(guān)系，在一定的配合下使之生成NbC，產(chǎn)生細(xì)晶強(qiáng)化作用，及利用Nb的提高再結(jié)晶溫度作用以配合控軋工藝，不僅提高了產(chǎn)品的綜合性能，而且能夠采用靈活的熱軋生產(chǎn)工藝， 提高生產(chǎn)效率、減小軋機(jī)負(fù)荷，所生產(chǎn)的產(chǎn)品具有較高的沖擊韌性，能夠充分保證高的強(qiáng)度和韌性，具有良好的止裂能力；(4)為保證較低的屈強(qiáng)比，采用兩階段控軋工藝并對(duì)每階段的軋制道次、道次壓下量與累積壓下量有量化的下限規(guī)定。與目前管線工程已使用的最高強(qiáng)度等級(jí)的管線鋼X80相比，在強(qiáng)度上提高了近60%，屈服強(qiáng)度處于相同水平不高于0. 90， 對(duì)降低輸送管線的建設(shè)成本及管道安全有明顯的作用。采用本發(fā)明后，既不用添加V、B，簡(jiǎn)化了成分設(shè)計(jì)方案，也不用后續(xù)熱處理工序，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)過(guò)程，即可穩(wěn)定生產(chǎn)出具有超高強(qiáng)度低屈強(qiáng)比的管線用鋼熱軋平板，鋼板的屈服強(qiáng)度不低于900MPa，屈強(qiáng)比不高于0. 90。這種鋼板的高強(qiáng)度特征可以提高管道工程的輸送壓力，降低管道壁厚節(jié)約工程投資；低屈強(qiáng)比特征可以提高管道在復(fù)雜地質(zhì)條件下運(yùn)行的安全系數(shù)，節(jié)約管道維護(hù)成本。
具體實(shí)施例方式下面通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。本發(fā)明實(shí)施例鋼的化學(xué)成分見(jiàn)表1。其中對(duì)比例M和25來(lái)自W02008/0M166A1 專(zhuān)利，對(duì)比例沈來(lái)自JP2003003233專(zhuān)利。本發(fā)明實(shí)施例鋼的熱軋工藝參數(shù)見(jiàn)表2。本發(fā)明實(shí)施例鋼的力學(xué)性能見(jiàn)表3。表1本發(fā)明實(shí)施例鋼的化學(xué)成分(wt % )
權(quán)利要求
1.一種低屈強(qiáng)比超高強(qiáng)度X130管線鋼，其特征在于該鋼的組成成分重量百分比為C 0. 030% -0. 090%,Mn 1. 50% -2. 50%,Si 0. 10% -0. 60%,P 彡 0. 015%,S 彡 0. 003%,Nb 0. 040% -0. 150%,Ti 0. 005% -0. 03%,AltO. 01% -0. 06%,N 0. 012%;Cu、Ni 中的一種或兩種，其中 CuO% -1. 20%,Ni 0% -1. 20% ；Cr,Mo 中的一種或兩種，其中 Cr 0% -1. 20%, Mo 0% -1. 20% ；Cu、Cr、Ni、Mo總量彡2. 40% ；余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超高強(qiáng)度X130管線鋼，其特征在于所述的 CO. 030% -0. 060%，所述的 Nb 0. 040% -0. 080%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超高強(qiáng)度X130管線鋼，其特征在于所述的Cu與M等比例添加，總量為0. 20% -1. 0% ；所述的Cr與Mo總量為0. 20% -1. 0%o
4.一種權(quán)利要求1、2或3所述的超高強(qiáng)度X130管線鋼熱軋平板的制造方法，包括冶煉、爐外精煉、鑄造和熱軋，其特征在于所述熱軋工藝按如下控制板坯加熱溫度為 1050-1280°C ；再結(jié)晶區(qū)控軋溫度為900-1250°C，至少三個(gè)道次，每道次變形量不小于15% ； 非再結(jié)晶區(qū)控軋溫度為700-950°C，累積變形量不小于60% ；終軋溫度為700-880°C，軋后層流冷卻，終冷溫度為150-500°C，冷卻速度為3-35°C /s。
全文摘要
本發(fā)明提供一種低屈強(qiáng)比超高強(qiáng)度X130管線鋼及其熱軋平板的制造方法，其成分C 0.030％-0.090％，Mn 1.50％-2.50％，Si 0.10％-0.60％，P≤0.015％，S≤0.003％，Nb 0.040％-0.150％，Ti 0.005％-0.03％，Alt0.01％-0.06％，N≤0.012％；Cu、Ni中的一種或兩種，其中Cu 0％-1.20％、Ni 0％-1.20％；Cr、Mo中的一種或兩種，其中Cr 0％-1.20％、Mo 0％-1.20％；余量為Fe。其方法包括冶煉、爐外精煉、鑄造和熱軋，板坯加熱溫度1050-1280℃，再結(jié)晶區(qū)控軋溫度900-1250℃，非再結(jié)晶區(qū)控軋溫度700-950℃，終軋溫度700-880℃，終冷溫度150-500℃，冷卻速度3-35℃/s。本發(fā)明不添加V和B，不用后續(xù)的熱處理工序，即可生產(chǎn)出屈服強(qiáng)度大于900MPa，屈強(qiáng)比不高于0.90的熱軋平板。
文檔編號(hào)B21B37/74GK102400062SQ201010276430
公開(kāi)日2012年4月4日 申請(qǐng)日期2010年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月7日
發(fā)明者任毅, 劉文月, 張帥, 王爽 申請(qǐng)人:鞍鋼股份有限公司