專利名稱：具有高止裂韌性的針狀鐵素體型x70管線鋼及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及管線鋼及其制造方法，特別涉及具有高止裂韌性的針狀鐵素體型X70管線鋼及其制造方法。
背景技術(shù)：
隨著世界范圍能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整，天然氣使用需求上升，促進(jìn)了天然氣管線的發(fā)展。長距離高壓輸送已成為今日油氣輸送管線主要方式特征之一。長距離高壓輸送對(duì)管線鋼性能提出了更為嚴(yán)格的要求。從考慮輸送管道的運(yùn)營穩(wěn)定性和安全性出發(fā)，對(duì)管線用鋼的強(qiáng)度、韌性均提出了更高的要求，特別是在長距離輸送條件下要求具有高止裂韌性以及焊接性能，高強(qiáng)度高韌性管線鋼成為管線鋼發(fā)展的必然趨勢(shì)。
管線鋼發(fā)展過程中有兩個(gè)重要的特點(diǎn)一是管道向大口徑方向發(fā)展的趨勢(shì)，目前國際上最大的輸氣管道口徑已達(dá)Φ1420mm；二是輸送壓力逐漸增高的趨勢(shì)，從早期4.5MPa輸送壓力發(fā)展到10.0MPa左右，目前最大的輸氣管線壓力可達(dá)15MPa。輸送壓力適當(dāng)增加可加大泵站間距、減少操作維護(hù)人員、降低工程及運(yùn)營維護(hù)的費(fèi)用。在高壓、大口徑輸送條件下，通常采用高強(qiáng)度等級(jí)鋼材更為合理，同時(shí)對(duì)制管用鋼材的強(qiáng)度、韌性和焊接性提出了更加嚴(yán)格的要求，具有高止裂韌性的管線鋼對(duì)高壓輸氣管道工業(yè)發(fā)展起重要作用。
因此，具有高強(qiáng)度、高止裂韌性和高的抗動(dòng)態(tài)撕裂性能的X70管線鋼是本世紀(jì)輸氣管線的主導(dǎo)鋼材。
現(xiàn)有具有針狀鐵素體組織的X70管線鋼如中國專利公開號(hào)CN1351189A所公開的“一種超低碳高韌性抗硫化氫用輸氣管線鋼”專利，文中所述的X65管線鋼具有抗硫化氫應(yīng)力腐蝕性能和高的低溫韌性。但上述專利在成分上要求P、S含量均非常低(P≤0.003％、S≤0.007)，這除了增加生產(chǎn)制造成本，且制造難度很大，難以工業(yè)化生產(chǎn)；Nb含量相對(duì)較低。還有如中國專利公開號(hào)CN1351187A所公開的“一種高潔凈度高強(qiáng)韌性輸氣管線鋼的制備方法”，該專利與前述分析的專利相近，重點(diǎn)在高純凈鋼方面，P、S等含量要求均非常的低(S≤0.0008％)，P≤0.0015％)，增加生產(chǎn)制造成本，難以工業(yè)化生產(chǎn)，還有C含量較高，C(0.066-0.086％)，Mn含量較低Mn(1.23-1.43％)，且不含Mo。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有高止裂韌性的針狀鐵素體型X70管線鋼及其制造方法，通過微合金的適當(dāng)配合，適當(dāng)增加Nb的含量可適當(dāng)提高精軋非再結(jié)晶區(qū)溫度，通過控軋控冷工藝，使生產(chǎn)過程更容易實(shí)現(xiàn)，成本更低、更易于生產(chǎn)、產(chǎn)品性能更好。
為滿足大口徑、厚壁焊管高壓輸送的安全性，X70高性能管線鋼是采用超低碳微合金化處理技術(shù)、夾雜物形態(tài)控制技術(shù)和控制軋制控制冷卻技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)，并以超低碳針狀鐵素體組織為特征，使之在具有高強(qiáng)度的同時(shí)具有滿足高止裂韌性要求的高的低溫沖擊韌性。
以往管線鋼主要為“鐵素體+珠光體”組織類型的鋼種，這類鋼種可保證-20℃板卷沖擊韌性大于70J，在厚規(guī)格高鋼級(jí)管線鋼板厚中心部分常有明顯的帶狀珠光體。而采用以“超低碳針狀鐵素體”為組織特征的管線鋼通過恰當(dāng)?shù)某煞衷O(shè)計(jì)及發(fā)揮控軋控冷工藝可明顯消除鋼中的帶狀珠光體組織，得到細(xì)小的針狀組織，保證厚規(guī)格管線鋼板卷具有-20℃沖擊韌性大于240J的高韌性和-15℃的DWTT斷口卷取面積大于90％，進(jìn)而使高壓輸氣管線具有高止裂性能。
本發(fā)明的技術(shù)方案是，具有高止裂韌性的針狀鐵素體型X70管線鋼，其成分為(質(zhì)量百分比)C0.020～0.060Mn 1.45～1.75Si 0.100～0.500S≤0.0020P0.004～0.012Nb 0.050～0.080Ti 0.005～0.025
V 0.010～0.060Mo 0.10～0.30Ca 0.0015～0.0040N ≤0.0080Altotal0.015～0.045。
進(jìn)一步，本發(fā)明還含有Cu或Ni中的一種或兩種，Cu ≤0.30、Ni≤0.30。
本發(fā)明的制造方法，包括如下步驟a.轉(zhuǎn)爐或電爐冶煉，b.爐外精煉，RH真空脫氣+LF脫硫、Ca處理c.連鑄d.熱軋，粗軋終止溫度950～1000℃，精軋終止溫度780～880℃，精軋非再結(jié)晶區(qū)壓縮比大于70％；e.卷取，板卷卷取溫度為480～580℃。
其中，所述的步驟b中Ca處理中Ca/S≥1.0。
所述的步驟c中連鑄的澆鑄溫度1565±15℃。
所述的步驟d熱軋前板坯加熱溫度1160～1220℃。
所述的步驟d熱軋后優(yōu)選冷卻速度大于5℃/s。
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(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，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(shí)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(duì)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(jì)。
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(duì)厚規(guī)格X70管線鋼的Mn含量設(shè)計(jì)一般在1.45～1.75％范圍。
鈮是現(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(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。在低碳含量下適當(dāng)提高鈮的含量有助于提高非再結(jié)晶區(qū)的溫度。
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(shí)，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。
鈦是強(qiáng)的固N(yùn)元素，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(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粒子可有效地阻礙板坯再加熱時(shí)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(shí)對(duì)改善焊接熱影響區(qū)的沖擊韌性有明顯作用。
鉬是擴(kuò)大γ相區(qū)，推遲γ→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卷取溫度下低碳管線鋼中加入0.1～0.3％的Mo就可獲得明顯的針狀鐵素體組織，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，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20ppm)及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。
銅、鎳可通過固溶強(qiáng)化作用提高鋼的強(qiáng)度，同時(shí)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(duì)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。
對(duì)于X70鋼級(jí)管線鋼，為避免在C含量較高的情況下用提高M(jìn)n含量方法來保證強(qiáng)度而引起鋼的成分偏析及產(chǎn)生帶狀珠光體組織或如馬氏體等一些硬相組織，則采用更低的C含量(C＝0.02～0.06％)、Mn大于1.45％，結(jié)合Nb、V、Ti多元微合金化，可視板卷厚度適當(dāng)加入少量Cu、Ni等合金元素，并通過Mo的低合金化控制組織相變來保證鋼的高強(qiáng)度、高的低溫沖擊韌性和高的DWTT抗動(dòng)態(tài)撕裂性能為設(shè)計(jì)思想。
煉鋼工藝采用了超低碳(碳小于0.06％)、超低硫(硫小于20ppm)、夾雜物形態(tài)控制的純凈鋼冶煉技術(shù)。以往管線鋼煉鋼生產(chǎn)一般采用的工藝路線是“轉(zhuǎn)爐-LF脫硫-RH真空脫氣-連鑄”，而對(duì)本發(fā)明成分是采用超低碳、高錳含量成分，如采用原有的工藝路線，為防止在加錳鐵合金時(shí)的回碳，則需采用金屬錳，這要增加合金成本。而本發(fā)明則是使用低碳錳鐵，對(duì)煉鋼工藝路線進(jìn)行調(diào)整，通過“轉(zhuǎn)爐-RH真空脫氣-LF脫硫-連鑄”的煉鋼工藝路線，采用低碳錳鐵合金，也同樣能實(shí)現(xiàn)所需的超低碳(碳小于0.06％)、超低硫(硫小于20ppm)的成分要求，還可降低合金成本。
管線鋼的板坯加熱溫度一方面要保證微合金元素Nb的充分固溶，同時(shí)又要避免奧氏體晶粒的粗化，在本發(fā)明為1160～1220℃。
以往管線鋼的熱連軋生產(chǎn)中對(duì)粗軋終止溫度沒有明確的要求，通常是大于1000℃。而本發(fā)明在熱連軋工藝中要求粗軋終止溫度范圍在950～1000℃，這有利于保證低溫沖擊韌性和抗動(dòng)態(tài)撕裂性能。
按微合金控軋控冷生產(chǎn)工藝一般要求精軋非再結(jié)晶區(qū)壓縮比大于50％，而本發(fā)明為保證低溫沖擊韌性和抗動(dòng)態(tài)撕裂性能，要求精軋非再結(jié)晶區(qū)壓縮比大于70％。
一般“鐵素體+珠光體”管線鋼的卷取溫度為580～650℃，而為保證針狀鐵素體針狀的形成，本發(fā)明的板卷卷取溫度設(shè)定為480～580℃。
因此，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)度高韌性的超低碳針狀鐵素體組織。
生產(chǎn)工藝路線設(shè)計(jì)為轉(zhuǎn)爐或電爐冶煉→爐外精煉(RH真空脫氣+LF脫硫，Ca處理)→連鑄→板坯再加熱→控制軋制→控制冷卻→卷取。
具有高強(qiáng)度、高止裂韌性和高的抗動(dòng)態(tài)撕裂性能的X70管線鋼可用于制造石油、天然氣的管線鋼鋼管，其高止裂韌性保證了管線運(yùn)營的安全性。
對(duì)于止裂所需韌性，國際上有許多機(jī)構(gòu)在這方面進(jìn)行了研究，通過實(shí)物高壓氣體爆破試驗(yàn)，得出止裂所需韌性的表達(dá)式，并且隨著高鋼級(jí)管線鋼的開發(fā)，用高鋼級(jí)鋼管數(shù)據(jù)對(duì)公式進(jìn)行了修正。按照著名的Battelle止裂性能公式計(jì)算，對(duì)于焊管口徑為1219mm、壁厚為17.5mm、工作壓力為15Mpa時(shí)要求的最低的韌性止裂沖擊功為140J。而本發(fā)明的-20℃沖擊功大于240J，較要求具有足夠的富余量的高的止裂韌性，同時(shí)-15℃的DWTT斷口剪切面積大于90％，對(duì)保證高壓輸氣管線的安全性具有足夠的安全余量。
用連鑄坯通過7機(jī)架熱連軋機(jī)組生產(chǎn)的X70熱軋板卷，在滿足X70高強(qiáng)度同時(shí)，具有高的低溫沖擊韌性和優(yōu)良抗動(dòng)態(tài)撕裂性能，-20℃的夏比沖擊功在240J以上，-15℃DWTT試驗(yàn)的斷口剪切面積≥90％。設(shè)計(jì)制造的熱軋板卷厚度可達(dá)17.5mm，用于制造X70焊管。
本發(fā)明的有益效果按照上述技術(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σ0.5＝500～600MPa，σb≥570MPa，σ0.5/σb≤0.90，δ50≥22％；2)V型缺口沖擊性能試驗(yàn)溫度-20℃，10×10×55mm試樣的沖擊功平均值≥240J；剪切面積100％；3)DWTT性能試驗(yàn)溫度-15℃，剪切面積大于90％；4)橫向冷彎性能d＝2a，180°，完好；5)硬度試驗(yàn)(橫截面硬度)Hv10≤248；6)金相組織晶粒度(ASTM E112)11級(jí)或更細(xì)，組織為針狀鐵素體+少量多邊形鐵素體+MA(一種含有“馬氏體+殘余奧氏體”的混合組織)組元。
表1為本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)的成分對(duì)比。
表1 (wt％)



圖1為鋼中C含量、碳當(dāng)量與鋼焊接性關(guān)系的Graville曲線圖；圖2為本發(fā)明的工藝流程圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例1的X70管線鋼的針狀鐵素體金相組織示意圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例2的X70管線鋼的針狀鐵素體金相組織示意圖。
具體實(shí)施例方式
通過合理的合金配方，輔以適當(dāng)?shù)募庸すに?，主要?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≤18mm厚的具高止裂韌性的X70管線鋼熱軋卷。
實(shí)施例A10.3×1550×Cmm的X70管線鋼熱軋板卷其化學(xué)成份(wt％)

工藝路線LD轉(zhuǎn)爐冶煉→爐外精煉(RH、LF、喂Ca絲或噴Ca粉處理)→連鑄→板坯精整→板坯再加熱→控制軋制→控制冷卻→卷取熱軋工藝板坯加熱溫度1191℃；粗軋終止溫度960℃；精軋壓縮比80％精軋終止溫度822℃；卷取溫度527℃。
物理性能指標(biāo)

(注拉伸和沖擊均為30°方向，CVN沖擊試樣尺寸為10×10×55mm；橫向冷彎完好)其針狀鐵素體金相組織示意圖見圖3。
實(shí)施例B17.5×1550×Cmm的X70管線鋼熱軋板卷，其化學(xué)成份(wt％)如下

工藝路線LD轉(zhuǎn)爐冶煉→爐外精煉(RH、LF、Ca處理)→連鑄→板坯精整→板坯再加熱→控制軋制→控制冷卻→卷取熱軋工藝板坯加熱溫度1201℃；粗軋終止溫度970℃精軋壓縮比73％精軋終止溫度793℃；卷取溫度537℃。
物理性能指標(biāo)

(注拉伸和沖擊均為30°方向，CVN沖擊試樣尺寸為10×10×55mm；橫向冷彎完好)其針狀鐵素體金相組織示意圖見圖4。
實(shí)施例C14.6×1550×Cmm的X70管線鋼熱軋板卷工藝路線LD轉(zhuǎn)爐冶煉→爐外精煉(RH、LF、Ca處理)→連鑄→板坯精整→板坯再加熱→控制軋制→控制冷卻→卷取其他實(shí)施例成分見表2表2 (wt％)

其他實(shí)施例熱軋工藝參數(shù)見表3表3

對(duì)應(yīng)上表成分和熱軋工藝的X70管線鋼板卷性能見表4。
表4

本發(fā)明針狀鐵素體型X70管線鋼將應(yīng)用于我國“西氣東輸”輸氣管線工程中以及隨后的陜西-北京二線輸氣管線工程、冀寧輸氣管線工程等。隨著我國和全球輸氣管線的建設(shè)，本發(fā)明具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
1.具有高止裂韌性的針狀鐵素體型X70管線鋼，其成分為(質(zhì)量百分比)C0.020～0.060Mn 1.45～1.75Si 0.100～0.500S≤0.0020P0.004～0.012Nb 0.050～0.080Ti 0.005～0.025V0.010～0.060Mo 0.10～0.30Ca 0.0015～0.0040N≤0.0080Altotal0.015～0.045。
2.如權(quán)利要求1所述的具有高止裂韌性的針狀鐵素體型X70管線鋼，其特征是，還含有Cu或Ni中的一種或兩種，Cu≤0.30、Ni≤0.30。
3.具有高止裂韌性的針狀鐵素體型X70管線鋼的制造方法，其特征是，包括如下步驟a.轉(zhuǎn)爐或電爐冶煉，b.爐外精煉，RH真空脫氣+LF脫硫、Ca處理c.連鑄d.熱軋，粗軋終止溫度950～1000℃，精軋終止溫度780～880℃，精軋非再結(jié)晶區(qū)壓縮比大于70％；e.卷取，板卷卷取溫度為480～580℃。
4.如權(quán)利要求1所述的X70管線鋼的制造方法，其特征是，所述的步驟b中Ca處理中Ca/S≥1.0。
5.如權(quán)利要求1所述的X70管線鋼的制造方法，其特征是，所述的步驟c中連鑄的澆鑄溫度1565±15℃。
6.如權(quán)利要求1所述的X70管線鋼的制造方法，其特征是，所述的步驟d熱軋前板坯加熱溫度1160～1220℃。
7.如權(quán)利要求1所述的X70管線鋼的制造方法，其特征是，所述的步驟d熱軋后冷卻速度大于5℃/s。
全文摘要
具有高止裂韌性的針狀鐵素體型X70管線鋼，其成分為(質(zhì)量百分比)C 0.020～0.060、Mn 1.45～1.75、Si 0.100～0.500、S≤0.0020、P0.004～0.012、Nb 0.050～0.080、Ti 0.005～0.025、V 0.010～0.060、Mo0.10～0.30、Cu≤0.30、Ni≤0.30、Ca 0.0015～0.0040、N≤0.0080、Al
文檔編號(hào)C22C38/26GK1746326SQ20041006629
公開日2006年3月15日 申請(qǐng)日期2004年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月10日
發(fā)明者鄭磊, 高珊, 丁建華, 陸敏, 胡會(huì)軍, 楊曉臻 申請(qǐng)人:寶山鋼鐵股份有限公司