專利名稱：具有抗hic性能x80管線鋼及其熱軋板制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種管線鋼及其熱軋板的制造方法，特別涉及一種具有抗HIC性能X80管線鋼及其熱軋板制造方法。
背景技術(shù)：
目前世界上絕大多數(shù)國家的石油、天然氣用鋼管均遵循美國石油協(xié)會API 5L規(guī)范，或以此為基礎(chǔ)并根據(jù)具體的管線工程需要提出補(bǔ)充要求。對于制造此類焊管用的熱軋板卷鋼或鋼板通稱之為管線鋼。按其具體使用目的不同，管線鋼大致上又可分為三個層次，即第一個層次僅對鋼材的強(qiáng)度提出要求；第二個層次不僅對強(qiáng)度有要求，而且還有韌性要求；第三個層次除強(qiáng)度和韌性要求外，還有抗HIC(Hydrogen Induced Crack氫誘裂紋)性能要求。其中后一層次鋼種性能均包含了前一層次鋼種的性能，是前一層次的補(bǔ)充和擴(kuò)展。是管線鋼中要求最為嚴(yán)格、技術(shù)水平要求最高的鋼種，是管道用鋼系列的一個重要組成部分。因此，可以講它是代表一個鋼鐵聯(lián)合企業(yè)熱軋產(chǎn)品生產(chǎn)的最高水平，是當(dāng)代冶金技術(shù)和裝備水平完美結(jié)合的典型產(chǎn)品。
目前，在具有抗HIC性能的管線鋼熱軋板卷設(shè)計制造方面的專利有X52、X60、X65、X70鋼級，但是具有抗HIC性能并滿足API 5L標(biāo)準(zhǔn)要求的X80管線鋼熱軋板卷方面的專利還沒有。
日本專利JP 2002129288公開了“high strength pipe bend and itsmanufacturing method”，其中API X80-100鋼包含C≤0.03％、Si≤0.3％、Mn0.8-2.5％、P≤0.015％、S≤0.005％、Nb 0.01-0.05％、Ti 0.005-0.030％、Al≤0.05％、N 0.001-0.06％，以及其它任意金屬Ni 0.01-1.0％、Cu 0.1-1.2％、Cr 0.1-1.0％、V 0.01-0.10％、Ca 0.001-0.005％、Mg 0.0001-0.002％，其它為鐵，Q＝2.2-3.7，Q＝2.7C+0.4Si+Mn+0.8Cr+0.5(Ni+Cu)+Mo+V。原料鋼管在800-1000℃熱軋，彎曲然后淬火，得到最終彎管產(chǎn)品。中國專利申請01126611.2公開了“一種低碳低合金鋼及所制管材”，該發(fā)明涉及一種低碳低合金鋼及所制管材，屬于金屬鋼鐵領(lǐng)域。所要解決的技術(shù)問題是增加合金鋼的強(qiáng)韌性及提高淬透性和焊接性能。低碳低合金鋼包括以下元素碳0.10～0.16％；硅0.20～0.40％；錳1.00～1.35％；鋁0.02～0.035％；釩0.07～0.13％；鎳0.05～0.25％；硼0.0005～0.0035％；磷≤0.010％；硫≤0.005％；鉬≤0.01％；銅≤0.20％；鈮≤0.01％；鐵和微量雜質(zhì)余量。該發(fā)明的低碳低合金鋼可制成X60～X80鋼級管線管或相似強(qiáng)度鋼級的管材。這這兩項(xiàng)專利都存在沖擊韌性不是十分理想，并且由于貴重金屬含量較高導(dǎo)致成本較高，而且不具備良好的抗HIC性能，這類管線鋼無法滿足輸送酸性介質(zhì)的高要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題是在滿足API-5L對X80管線鋼性能的要求的基礎(chǔ)上提高X80管線鋼的沖擊韌性，降低其生產(chǎn)成本，提高抗HIC性能。
具有抗HIC性能的管線鋼對于鋼的純凈度、成分偏析以及鋼的微觀組織要求都比較嚴(yán)格。提高鋼的純凈度可以通過降低P、S等雜質(zhì)的含量來實(shí)現(xiàn)。而降低鋼的成分偏析就必須降低C、Mn等易偏析元素的含量及配合適當(dāng)?shù)倪B鑄工藝，但是降低C、Mn元素雖然有利于提高沖擊韌性和抗HIC性能，但大大降低了鋼的強(qiáng)度。減少顯微組織的偏析通過合理的成分配置以及配合適當(dāng)?shù)目剀埧乩涔に囍贫葋韺?shí)現(xiàn)。本專利為了得到即有高的強(qiáng)度又有抗HIC性能的X80管線鋼，在成分設(shè)計上采用較低的C、P、S含量，以利于抗HIC性能；同時為了彌補(bǔ)由于C降低引起的強(qiáng)度降低，適當(dāng)添加有利于抗HIC性能的Cu、Ni等合金元素。為了得到具有較少偏析的微觀組織，提高Nb含量配合低的碳含量，得到NbC顆粒，細(xì)化微觀組織提高再結(jié)晶終止溫度，減少組織偏析，既保證強(qiáng)度和韌性又保證抗HIC性能。在設(shè)計本發(fā)明時做了較多的對比試驗(yàn)，最后得到能夠平衡各種性能的成分和工藝。
本發(fā)明設(shè)計超低碳具有針狀鐵素體X80管線鋼，不僅具有高的強(qiáng)度和韌性，還具有良好的抗HIC性能。在本發(fā)明產(chǎn)生前，一般的管線鋼主要為“鐵素體+珠光體”組織類型的鋼種，為“貧珠光體”組織類型的高強(qiáng)度管線鋼熱軋板卷。這類鋼種在板厚中心部分常有明顯的帶狀珠光體。而采用以“低碳或超低碳針狀鐵素體”為組織特征的管線鋼成分、工藝設(shè)計、可明顯消除鋼中的帶狀珠光體組織，保證管線鋼板卷抗HIC性能。
具有抗HIC性能的X80管線鋼成分設(shè)計思想是以低C、高M(jìn)n，通過加入微量Nb、V、Ti等微合金元素、少量Mo及Cu、Ni合金元素，結(jié)合熱軋控軋控冷工藝，獲得針狀鐵素體組織，以保證管線鋼具有高強(qiáng)度高韌性的性能。其主要的基本元素選取和作用如下碳是鋼中最經(jīng)濟(jì)、最基本的強(qiáng)化元素，通過固溶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化對提高鋼的強(qiáng)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(fù)面影響，因此近代管線鋼的發(fā)展過程是不斷降低C含量的過程，如圖1所示。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。從圖1可見，當(dāng)C含量低于0.11％時管線鋼可具有良好的焊接性。所以，目前管線鋼的C含量一般小于0.11％，對需更高韌性的管線鋼則采用C小于0.06％的超低C含量設(shè)計，本發(fā)明選取0.025-0.055％。
錳通過固溶強(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γ→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。因此對X80管線鋼的Mn含量設(shè)計在1.70～1.95％范圍。
鈮是現(xiàn)代微合金化管線鋼中最主要的元素之一，對晶粒細(xì)化的作用十分明顯。通過熱軋過程中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)控制軋制和控制冷卻使精軋階段非再結(jié)晶區(qū)軋制的形變奧氏體組織在相變時轉(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)明選取0.02-0.10％。
釩具有較高的析出強(qiáng)化作用和較弱的晶粒細(xì)化作用，在Nb、V、Ti三種微合金元素復(fù)合使用時，V主要是通過在鐵素體中以VC析出強(qiáng)化來提高鋼的強(qiáng)度，本發(fā)明選取0.045-0.065％。
鈦是強(qiáng)的固N(yùn)元素，Ti/N的化學(xué)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(xì)小的高溫穩(wěn)定的TiN析出相。這種細(xì)小的TiN粒子可有效地阻礙板坯再加熱時的奧氏體晶粒長大，有助于提高Nb在奧氏體中的固溶度，同時對改善焊接熱影響區(qū)的沖擊韌性有明顯作用，本發(fā)明選取0.01-0.02％。
鉬是擴(kuò)大γ相區(qū)，推遲γ→α相變時先析出鐵素體形成、促進(jìn)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卷取溫度下低碳管線鋼中加入0.2～0.4％的Mo就可獲得明顯的針狀鐵素體組織，同時因相變向低溫方向轉(zhuǎn)變，可使組織進(jìn)一步細(xì)化，主要是通過組織的相變強(qiáng)化提高鋼的強(qiáng)度。
硫、磷是鋼中不可避免的雜質(zhì)元素，希望越低越好。通過超低硫(小于30ppm)及Ca處理對硫化物進(jìn)行夾雜物形態(tài)控制，可使管線鋼具有高的沖擊韌性及良好的抗HIC性能，本發(fā)明硫選取≤0.002％，磷選取≤0.015％。
銅、鎳可通過固溶強(qiáng)化作用提高鋼的強(qiáng)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(guī)格管線鋼中還可補(bǔ)償因厚度的增加而引起的強(qiáng)度下降，本發(fā)明銅選取0.2-0.4％，鎳選取0.25-0.35％。
因此，針對微合金化低碳針狀鐵素體組織具有高強(qiáng)度高韌性和良好焊接性能及抗HIC性能，以及低的包辛格效應(yīng)等特點(diǎn)，以晶粒細(xì)化、相變強(qiáng)化、析出強(qiáng)化和位錯強(qiáng)化等材料強(qiáng)化理論為基礎(chǔ)，借鑒寶鋼長期管線鋼生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和具有低碳針狀鐵素體組織特征的管線鋼試驗(yàn)室研究結(jié)果，對具有抗HIC性能的針狀鐵素體X80管線鋼的成分設(shè)計采用了超低的碳含量、超低硫、Nb、V、Ti、Cu、Ni微合金化、控制組織的Mo合金化的成分設(shè)計。
煉鋼工藝采用超低碳(碳小于0.06％)、超低硫(硫小于30ppm)、夾雜物形態(tài)控制的純凈鋼冶煉技術(shù)，熱軋工藝采用了控軋控冷的熱機(jī)械處理技術(shù)，通過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)度高韌性的低碳針狀鐵素體組織。具有抗HIC性能的X80管線鋼可用于制造輸送酸性介質(zhì)的管線鋼鋼管，其良好的抗HIC性能保證了運(yùn)輸?shù)陌踩浴?br> 本發(fā)明的技術(shù)方案是具有抗HIC性能X80管線鋼，其組成成分的重量百分比為

具有抗HIC性能X80管線鋼的制造方法為通過技術(shù)方案合金配方，采用以LF+RH+喂鈣絲為主要特征的煉鋼技術(shù)，應(yīng)用250mm厚連鑄坯，通過粗軋軋機(jī)和7機(jī)架連軋機(jī)組上的再結(jié)晶區(qū)和未再結(jié)晶區(qū)的控制軋制以及控制冷卻技術(shù)，生產(chǎn)規(guī)格≤15mm厚的具有抗HIC性能的高強(qiáng)度高韌性X80管線鋼熱軋板卷。
●工藝路線鐵水預(yù)脫硫→LD轉(zhuǎn)爐冶煉→爐外精煉(RH+LF+喂鈣絲)→連鑄→板坯再加熱→控制軋制→控制冷卻→卷取●熱軋工藝設(shè)計(1)板坯加熱溫度1170～1250℃；(2)粗軋終止溫度960～1040℃；(3)精軋壓縮比≥75％(4)精軋終止溫度800～860℃；(5)卷取溫度430～580℃；本發(fā)明的有益效果是由于成分設(shè)計采用了超低的碳含量、超低硫、Nb、V、Ti、Cu、Ni微合金化、控制組織的Mo合金化的成分設(shè)計。獲得了具有高強(qiáng)度高韌性的低碳針狀鐵素體組織，可大大提高管線鋼抗HIC性能，滿足輸送酸性介質(zhì)的要求。
與現(xiàn)有生產(chǎn)鋼種(最高級別X70及抗HIC X65鋼種)相比，按照上述技術(shù)方案生產(chǎn)出的管線鋼熱軋板卷的性能達(dá)到以下要求
(1)拉伸性能目標(biāo)σ0.5＝580～690MPa，σb＝621～830MPa，σ0.5/σb≤0.93，δ50≥18％。
(2)V型缺口沖擊性能目標(biāo)試驗(yàn)溫度-20℃，10×10×55mm試樣的沖擊功平均值≥120J剪切面積單個≥80％，平均≥90％。
(3)DWTT性能目標(biāo)試驗(yàn)溫度-15℃，平均剪切面積SA％≥85％，單個SA％≥70％。
(4)橫向冷彎性能目標(biāo)d＝2a，180°，完好。
(5)硬度試驗(yàn)(橫截面硬度)目標(biāo)Hv10≤270。
(6)金相組織目標(biāo)晶粒度(ASTM E112)8級或更細(xì)。組織為針狀鐵素體+多邊形鐵素體+MA組織。
(7)HIC性能目標(biāo)NACE TMO284-96標(biāo)準(zhǔn)B溶液，滿足CLR≤15％、CTR≤5％、CSR≤2％。


圖1為鋼中C含量、碳當(dāng)量與鋼焊接性關(guān)系的Graville曲線2為實(shí)施例1卷號4056700100卷板組織金相圖
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1，14.6×1550×Cmm的X80管線鋼熱軋板卷的設(shè)計制造●化學(xué)成份(wt％)

●工藝路線鐵水預(yù)脫硫→LD轉(zhuǎn)爐冶煉→爐外精煉(RH、LF、喂Ca絲)→連鑄→板坯精整→板坯再加熱→控制軋制→控制冷卻→卷取●熱軋工藝(1)板坯加熱溫度1200±15℃；(2)粗軋終止溫度980±20℃(3)精軋壓縮比≥75％(4)精軋終止溫度820±15℃；(5)卷取溫度540±15℃；●性能結(jié)果試制板卷常規(guī)性能檢驗(yàn)結(jié)果

注拉伸、沖擊均為30°方向取樣；CVN沖擊試樣尺寸為10×10×55mm；橫向冷彎完好，其組織金相圖見圖2。
●HIC性能來樣爐號121626，卷號4056700100取樣位置及數(shù)量板寬1/4處3根，板寬1/2處3根試樣尺寸與取向尺寸20×100×厚度mm，試樣100mm長度方向平行軋向試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)NACE TM0284-96標(biāo)準(zhǔn)；溶液NACE TM0284-96標(biāo)準(zhǔn)B溶液試驗(yàn)結(jié)果●板寬1/2處


●板寬1/4處

實(shí)施例2，12.7×1550×Cmm的X80管線鋼熱軋板卷的設(shè)計制造●化學(xué)成份(wt％)

●工藝路線鐵水預(yù)脫疏→LD轉(zhuǎn)爐冶煉→爐外精煉(PH、LF、喂Ca絲)→連鑄→板坯精整→板坯再加熱→控制軋制→控制冷卻→卷取●熱軋工藝(1)板坯加熱溫度1200±15℃；(2)粗軋終止溫度990±20℃(3)精軋壓縮比≥75％(4)精軋終止溫度820±15℃；(5)卷取溫度510±15℃；●性能結(jié)果試制板卷常規(guī)性能檢驗(yàn)結(jié)果

注拉伸、沖擊均為30°方向取樣；CVN沖擊試樣尺寸為10×10×55mm；橫向冷彎完好。
●HIC性能取樣位置及數(shù)量板寬1/4處3根，板寬1/2處3根試樣尺寸與取向尺寸20×100×厚度mm，試樣100mm長度方向平行軋向試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)NACE TMO284-96標(biāo)準(zhǔn)；溶液NACE TMO284-96標(biāo)準(zhǔn)B溶液試驗(yàn)結(jié)果●板寬1/2處


●板寬1/4處

預(yù)計發(fā)明推廣應(yīng)用的可行性及前景我國天然氣的含硫量一般都比較低，在輸氣壓力較低情況下，可以通過脫硫后作為甜氣(PH2S≤300Pa)使用。當(dāng)輸氣壓力提高時，要使硫化氫的分壓不大于300Pa，則必須降低硫化氫的輸入濃度，這樣給脫硫處理帶來了極大的困難。因此，發(fā)展抗硫化氫腐蝕的管線鋼是勢在必行，特別是對含硫量很高的氣田來說更為必要。因此對管線用鋼的要求也越來越嚴(yán)格，要求具有高的強(qiáng)度韌性的同時，對抗HIC性能方面也做了嚴(yán)格的要求。鋼級的不斷提高，對于提高抗HIC性能來講就越難。根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行的實(shí)施例，可以預(yù)計本項(xiàng)發(fā)明在設(shè)備條件允許的情況下，生產(chǎn)操作較易進(jìn)行，具有一定的推廣應(yīng)用的可能性。因此，具有抗HIC性能的高強(qiáng)度高韌性X80管線鋼熱軋板卷有較大的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
1.一種具有抗HIC性能X80管線鋼，其組成成分的重量百分比為碳0.025～0.055％；硅0.19～0.30％；錳1.70～1.95％；鈦0.01～0.02％；鋁0.015～0.040％；釩0.045～0.065％；鎳0.25～0.35％；鉻≤0.02％；硼≤0.0002％；磷≤0.015％；硫≤0.002％；鈣0.0020～0.0045％；鉬0.20～0.40％；銅0.20～0.40％；鈮0.02～0.10％；氮≤0.006％；氧≤0.004％；氫≤0.00025；鐵和微量雜質(zhì)余量。
2.權(quán)利要求1所述的具有抗HIC性能X80管線鋼熱軋板卷制造方法，工藝步驟包括按權(quán)1配比備料、鐵水預(yù)脫硫、LD轉(zhuǎn)爐冶煉、爐外精煉即通過RH配合LF再配合喂鈣絲、連鑄、板坯再加熱、控制軋制、控制冷卻、卷取，其特征是板坯加熱溫度控制在1170～1250℃；粗軋終止溫度控制在960～1040℃；精軋壓縮比≥75％；精軋終止溫度控制在800～860℃；卷取溫度控制在430～580℃。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種管線鋼及其熱軋板卷的制造方法，特別涉及一種具有抗HIC性能X80管線鋼及其熱軋板卷制造方法。解決了現(xiàn)有X80管線鋼抗HIC性能不好的缺陷。一種具有抗HIC性能X80管線鋼，其組成成分的重量百分比為碳0.025～0.055％；硅0.19～0.30％；錳1.70～1.95％；鈦0.01～0.02％；鋁0.015～0.040％；釩0.045～0.065％；鎳0.25～0.35％；鉻≤0.02％；硼≤0.0002％；磷≤0.015％；硫≤0.002％；鈣0.0020～0.0045％；鉬0.20～0.40％；銅0.20～0.40％；鈮0.02～0.10％；氮≤0.006％；氧≤0.004％；氫≤0.00025；鐵和微量雜質(zhì)余量?？捎糜谥圃燧斔退嵝越橘|(zhì)的管線鋼鋼管，其良好的抗HIC性能保證了運(yùn)輸?shù)陌踩浴?br> 文檔編號C21D8/10GK1715435SQ20041002558
公開日2006年1月4日 申請日期2004年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月30日
發(fā)明者高珊, 鄭磊, 楊曉臻, 胡會軍, 陸敏 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司