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CN100352962C - 具有抗hic性能x80管线钢及其热轧板制造方法 - Google Patents

具有抗hic性能x80管线钢及其热轧板制造方法 Download PDF

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CN100352962C
CN100352962C CNB2004100255859A CN200410025585A CN100352962C CN 100352962 C CN100352962 C CN 100352962C CN B2004100255859 A CNB2004100255859 A CN B2004100255859A CN 200410025585 A CN200410025585 A CN 200410025585A CN 100352962 C CN100352962 C CN 100352962C
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CN
China
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steel
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sightingpiston
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郑磊
杨晓臻
胡会军
陆敏
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Baoshan Iron and Steel Co Ltd
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Baoshan Iron and Steel Co Ltd
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Abstract

本发明涉及一种管线钢及其热轧板卷的制造方法，特别涉及一种具有抗HIC性能X80管线钢及其热轧板卷制造方法。解决了现有X80管线钢抗HIC性能不好的缺陷。一种具有抗HIC性能X80管线钢，其组成成分的重量百分比为：碳0.025～0.055%；硅：0.19～0.30%；锰：1.70～1.95%；钛：0.01～0.02%；铝：0.015～0.040%；钒：0.045～0.065%；镍：0.25～0.35%；铬≤0.02%；硼：≤0.0002%；磷：≤0.015%；硫：≤0.002%；钙：0.0020～0.0045%；钼：0.20～0.40%；铜：0.20～0.40%；铌：0.02～0.10%；氮：≤0.006%；氧：≤0.004%；氢：≤0.00025；铁和微量杂质：余量。可用于制造输送酸性介质的管线钢钢管，其良好的抗HIC性能保证了运输的安全性。

Description

具有抗HIC性能X80管线钢及其热轧板制造方法
技术领域：本发明涉及一种管线钢及其热轧板卷的制造方法，特别涉及一种具有抗HIC性能X80管线钢及其热轧板卷制造方法。
背景技术：目前世界上绝大多数国家的石油、天然气用钢管均遵循美国石油协会API 5L规范，或以此为基础并根据具体的管线工程需要提出补充要求。对于制造此类焊管用的热轧板卷钢或钢板通称之为管线钢。按其具体使用目的不同，管线钢大致上又可分为三个层次，即：第一个层次仅对钢材的强度提出要求；第二个层次不仅对强度有要求，而且还有韧性要求；第三个层次除强度和韧性要求外，还有抗HIC(Hydrogen Induced Crack氢诱裂纹)性能要求；其中后一层次钢种性能均包含了前一层次钢种的性能，是对前一层次钢种的补充和扩展，第三个层次钢种是管线钢中要求最为严格、技术水平要求最高的钢种，是管道用钢系列的一个重要组成部分。因此，可以讲它是代表一个钢铁联合企业热轧产品生产的最高水平，是当代冶金技术和装备水平完美结合的典型产品。
目前，在具有抗HIC性能的管线钢热轧板卷设计制造方面的专利有X52、X60、X65、X70钢级，但是具有抗HIC性能并满足API 5L标准要求的X80管线钢热轧板卷方面的专利还没有。
日本专利JP 2002129288公开了“high strength pipe bend and itsmanufacturing method”，其中API X80-100钢包含：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％，以及其它任意金属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％，其它为铁，Q＝2.2-3.7，Q＝2.7C+0.4Si+Mn+0.8Cr+0.5(Ni+Cu)+Mo+V。原料钢管在800-1000℃热轧，弯曲然后淬火，得到最终弯管产品。中国专利申请01126611.2公开了“一种低碳低合金钢及所制管材”，该发明涉及一种低碳低合金钢及所制管材，属于金属钢铁领域。所要解决的技术问题是增加合金钢的强韧性及提高淬透性和焊接性能。低碳低合金钢包括以下元素：碳：0.10～0.16％；硅：0.20～0.40％；锰：1.00～1.35％；铝：0.02～0.035％；钒：0.07～0.13％；镍：0.05～0.25％；硼：0.0005～0.0035％；磷：≤0.010％；硫：≤0.005％；钼：≤0.01％；铜：≤0.20％；铌：≤0.01％；铁和微量杂质：余量。该发明的低碳低合金钢可制成X60～X80钢级管线管或相似强度钢级的管材。这两项专利都存在冲击韧性不是十分理想，并且由于贵重金属含量较高导致成本较高，而且不具备良好的抗HIC性能，这类管线钢无法满足输送酸性介质的高要求。
发明内容：本发明需要解决的技术问题是：在满足API-5L对X80管线钢性能的要求的基础上提高X80管线钢的冲击韧性，降低其生产成本，提高抗HIC性能。
具有抗HIC性能的管线钢对于钢的纯净度、成分偏析以及钢的微观组织要求都比较严格。提高钢的纯净度可以通过降低P、S等杂质的含量来实现。而降低钢的成分偏析就必须降低C、Mn等易偏析元素的含量及配合适当的连铸工艺，但是降低C、Mn元素虽然有利于提高冲击韧性和抗HIC性能，但大大降低了钢的强度。减少显微组织的偏析通过合理的成分配置以及配合适当的控轧控冷工艺制度来实现。本专利为了得到即有高的强度又有抗HIC性能的X80管线钢，在成分设计上采用较低的C、P、S含量，以利于抗HIC性能；同时为了弥补由于C降低引起的强度降低，适当添加有利于抗HIC性能的Cu、Ni等合金元素。为了得到具有较少偏析的微观组织，提高Nb含量配合低的碳含量，得到NbC颗粒，细化微观组织提高再结晶终止温度，减少组织偏析，既保证强度和韧性又保证抗HIC性能。在设计本发明时做了较多的对比试验，最后得到能够平衡各种性能的成分和工艺。
本发明设计超低碳具有针状铁素体X80管线钢，不仅具有高的强度和韧性，还具有良好的抗HIC性能。在本发明产生前，一般的管线钢主要为“铁素体+珠光体”组织类型的钢种，为“贫珠光体”组织类型的高强度管线钢热轧板卷。这类钢种在板厚中心部分常有明显的带状珠光体。而采用以“低碳或超低碳针状铁素体”为组织特征的管线钢成分、工艺设计、可明显消除钢中的带状珠光体组织，保证管线钢板卷抗HIC性能。
具有抗HIC性能的X80管线钢成分设计思想是以低C、高Mn，通过加入微量Nb、V、Ti等微合金元素、少量Mo及Cu、Ni合金元素，结合热轧控轧控冷工艺，获得针状铁素体组织，以保证管线钢具有高强度高韧性的性能。其主要的基本元素选取和作用如下：
碳：是钢中最经济、最基本的强化元素，通过固溶强化和析出强化对提高钢的强度有明显作用，但是提高C含量对钢的延性、韧性和焊接性有负面影响，因此近代管线钢的发展过程是不断降低C含量的过程，如图1所示。降低C含量一方面有助于提高钢的韧性，另一方面可改善钢的焊接性能。从图1可见，当C含量低于0.11％时管线钢可具有良好的焊接性。所以，目前管线钢的C含量一般小于0.11％，对需更高韧性的管线钢则采用C小于0.06％的超低C含量设计，本发明选取0.025-0.055％。
锰：通过固溶强化提高钢的强度，是管线钢中补偿因C含量降低而引起强度损失的最主要且最经济的强化元素。Mn还是扩大γ相区的元素，可降低钢的γ→α相变温度，有助于获得细小的相变产物，可提高钢的韧性、降低韧脆转变温度。因此对X80管线钢的Mn含量设计在1.70～1.95％范围。
铌：是现代微合金化管线钢中最主要的元素之一，对晶粒细化的作用十分明显。通过热轧过程中NbC应变诱导析出阻碍形变奥氏体的回复、再结晶，经控制轧制和控制冷却使精轧阶段非再结晶区轧制的形变奥氏体组织在相变时转变为细小的相变产物，以使钢具有高强度和高韧性，本发明选取0.02-0.10％。
钒：具有较高的析出强化作用和较弱的晶粒细化作用，在Nb、V、Ti三种微合金元素复合使用时，V主要是通过在铁素体中以VC析出强化来提高钢的强度，本发明选取0.045-0.065％。
钛：是强的固N元素，Ti/N的化学计量比为3.42，利用0.02％左右的Ti就可固定钢中60ppm以下的N，在板坯连铸时可形成细小的高温稳定的TiN析出相。这种细小的TiN粒子可有效地阻碍板坯再加热时的奥氏体晶粒长大，有助于提高Nb在奥氏体中的固溶度，同时对改善焊接热影响区的冲击韧性有明显作用，本发明选取0.01-0.02％。
钼：是扩大γ相区，推迟γ→α相变时先析出铁素体形成、促进针状铁素体形成的主要元素，对控制相变组织起重要作用，在一定的冷却条件和卷取温度下低碳管线钢中加入0.2～0.4％的Mo就可获得明显的针状铁素体组织，同时因相变向低温方向转变，可使组织进一步细化，主要是通过组织的相变强化提高钢的强度。
硫、磷：是钢中不可避免的杂质元素，希望越低越好。通过超低硫(小于30ppm)及Ca处理对硫化物进行夹杂物形态控制，可使管线钢具有高的冲击韧性及良好的抗HIC性能，本发明硫选取≤0.002％，磷选取≤0.015％。
铜、镍：可通过固溶强化作用提高钢的强度，同时Cu还可改善钢的耐蚀性，Ni的加入主要是改善Cu在钢中易引起的热脆性，且对韧性有益。在厚规格管线钢中还可补偿因厚度的增加而引起的强度下降，本发明铜选取0.2-0.4％，镍选取0.25-0.35％。
因此，针对微合金化低碳针状铁素体组织具有高强度高韧性和良好焊接性能及抗HIC性能，以及低的包辛格效应等特点，以晶粒细化、相变强化、析出强化和位错强化等材料强化理论为基础，借鉴宝钢长期管线钢生产经验和具有低碳针状铁素体组织特征的管线钢试验室研究结果，对具有抗HIC性能的针状铁素体X80管线钢的成分设计采用了超低的碳含量、超低硫、Nb、V、Ti、Cu、Ni微合金化、控制组织的Mo合金化的成分设计。
炼钢工艺采用超低碳(碳小于0.06％)、超低硫(硫小于30ppm)、夹杂物形态控制的纯净钢冶炼技术，热轧工艺采用了控轧控冷的热机械处理技术，通过合理的成分和工艺进行最终产品的组织控制，以获得具有高强度高韧性的低碳针状铁素体组织。具有抗HIC性能的X80管线钢可用于制造输送酸性介质的管线钢钢管，其良好的抗HIC性能保证了运输的安全性。
本发明的技术方案是：具有抗HIC性能X80管线钢，其组成成分的重量百分比为：
 元素   C   Mn   Si   S  P   Nb  Ti   V   Alt
 范围(wt％)   0.025～0.055   1.70～1.95   0.190～0.300   ≤0.0020  ≤0.015   0.020～0.100  0.010～0.020   0.045～0.065   0.015～0.040
 元素   Mo   Cu   Ni   Cr  B   Ca  N   0   H
 范围(wt％)   0.20～0.40   0.20～0.40   0.25～0.35   ≤0.02  ≤0.0002   0.0020～0.0045  ≤0.0060   ≤0.0040   ≤0.00025
具有抗HIC性能X80管线钢的制造方法为：
通过技术方案合金配方，采用以LF+RH+喂钙丝为主要特征的炼钢技术，应用250mm厚连铸坯，通过粗轧轧机和7机架连轧机组上的再结晶区和未再结晶区的控制轧制以及控制冷却技术，生产规格≤15mm厚的具有抗HIC性能的高强度高韧性X80管线钢热轧板卷。
●工艺路线
铁水预脱硫→LD转炉冶炼→炉外精炼(RH+LF+喂钙丝)→连铸→板坯再加热→控制轧制→控制冷却→卷取
●热轧工艺设计
(1)板坯加热温度：1170～1250℃；
(2)粗轧终止温度：960～1040℃；
(3)精轧压缩比：≥75％
(4)精轧终止温度：800～860℃；
(5)卷取温度：430～580℃；
本发明的有益效果是：由于成分设计采用了超低的碳含量、超低硫、Nb、V、Ti、Cu、Ni微合金化、控制组织的Mo合金化的成分设计。获得了具有高强度高韧性的低碳针状铁素体组织，可大大提高管线钢抗HIC性能，满足输送酸性介质的要求。
与现有生产钢种(最高级别X70及抗HIC X65钢种)相比，按照上述技术方案生产出的管线钢热轧板卷的性能达到以下要求：
(1)拉伸性能：
目标：σ0.5＝580～690MPa，σb＝621～830MPa，σ0.5/σb≤0.93，δ50≥18％。
(2)V型缺口冲击性能：
目标：试验温度-20℃，10×10×55mm试样的冲击功平均值≥120J剪切面积单个≥80％，平均≥90％。
(3)DWTT性能：
目标：试验温度-15℃，平均剪切面积SA％≥85％，单个SA％≥70％。
(4)横向冷弯性能：
目标：d＝2a，180°，完好。
(5)硬度试验：(横截面硬度)
目标：Hv10≤270。
(6)金相组织：
目标：晶粒度(ASTM E112)：8级或更细。组织为针状铁素体+多边形铁素体+MA组织。
(7)HIC性能
目标：NACE TM0284-96标准B溶液，满足CLR≤15％、CTR≤5％、CSR≤2％。
附图说明：
图1为钢中C含量、碳当量与钢焊接性关系的Graville曲线图
图2为实施例1卷号4056700100卷板组织金相图
具体实施方式：实施例1，14.6×1550×Cmm的X80管线钢热轧板卷的设计制造，其中C为板卷长度。
●化学成份(wt％)
 元素   C   Mn   Si  S  P  Nb   Ti   V  Alt
 范围   0.038   1.88   0.20  0.0012  0.015  0.065   0.014   0.045  0.03
 元素   Mo   Cu   Ni  Cr  B  Ca   N   0  H
 范围   0.32   0.24   0.27  ≤0.02  ≤0.0002  0.0024   0.0040   0.0030  ＜0.00025
●工艺路线
铁水预脱硫→LD转炉冶炼→炉外精炼(RH、LF、喂Ca丝)→连铸→板坯精整→板坯再加热→控制轧制→控制冷却→卷取
●热轧工艺
(1)板坯加热温度：1200±15℃；
(2)粗轧终止温度：980±20℃
(3)精轧压缩比：≥75％
(4)精轧终止温度：820±15℃；
(5)卷取温度：540±15℃；
●性能结果
                                 试制板卷常规性能检验结果
 卷号  σ0.5MPa  σbMPa   σ0.5/σb   δ50％    HV10 ECVN-20℃J SA％Bc DWTT
 4056700100  590  713   0.84   37    230 313   90
注：拉伸、冲击均为30°方向取样；CVN冲击试样尺寸为10×10×55mm；横向冷弯完好，其组织金相图见图2。
●HIC性能
来样：炉号121626，卷号4056700100
取样位置及数量：板宽1/4处3根，板宽1/2处3根
试样尺寸与取向：尺寸20×100×厚度mm，试样100mm长度方向平行轧向
试验标准：NACE TM0284-96标准；溶液：NACE TM0284-96标准B溶液
试验结果：
●板宽1/2处
  编号   观察面   CLR％    CTR％    CSR％
  观察面1   0.00    0.00    0.00
  观察面2   0.00    0.00    0.00
 第1根     观察面3     0.00     0.00     0.00
    平均     0.00     0.00     0.00
 第2根     观察面1     0.00     0.00     0.00
    观察面2     0.00     0.00     0.00
    观察面3     0.00     0.00     0.00
    平均     0.00     0.00     0.00
 第3根     观察面1     0.00     0.00     0.00
    观察面2     0.00     0.00     0.00
    观察面3     0.00     0.00     0.00
    平均     0.00     0.00     0.00
 板宽1/2处HIC的平均结果     0.00     0.00     0.00
●板宽1/4处
  编号     观察面     CLR％     CTR％     CSR％
  第1根     观察面1     0.30     0.20     0.06
    观察面2     0.00     0.00     0.00
    观察面3     0.00     0.00     0.00
    平均     0.10     0.07     0.02
  第2根     观察面1     0.00     0.00     0.00
    观察面2     0.00     0.00     0.00
    观察面3     0.00     0.00     0.00
    平均     0.00     0.00     0.00
  第3根     观察面1     0.00     0.00     0.00
    观察面2     0.00     0.00     0.00
    观察面3     0.00     0.00     0.00
    平均     0.00     0.00     0.00
  板宽1/4处HIC的平均结果     0.09     0.02     0.01
实施例2，12.7×1550×Cmm的X80管线钢热轧板卷的设计制造，其中C为板卷长度。
●化学成份(wt％)
 元素     C   Mn     Si  S   P   Nb   Ti   V  Alt
 范围     0.048   1.78     0.25  0.0016   0.010   0.085   0.017   0.05  0.02
 元素     Mo   Cu     Ni  Cr   B   Ca   N   O  H
 范围     0.25   0.30     0.30  ≤0.02   ≤0.0002   0.0034   0.0040   0.0030  ＜0.00025
●工艺路线
铁水预脱硫→LD转炉冶炼→炉外精炼(RH、LF、喂Ca丝)→连铸→板坯精整→板坯再加热→控制轧制→控制冷却→卷取
●热轧工艺
(1)板坯加热温度：1200±15℃；
(2)粗轧终止温度：990±20℃
(3)精轧压缩比：≥75％
(4)精轧终止温度：820±15℃；
(5)卷取温度：510±15℃；
●性能结果
                                    试制板卷常规性能检验结果
  σ0.5MPa σb MPa     σ0.5/σb    δ50％     HV10 ECVN-20℃J SA％Bc DWTT
  597 720     0.83    38     237 337   100
注：拉伸、冲击均为30°方向取样；CVN冲击试样尺寸为10×10×55mm；横向冷弯完好。
●HIC性能
取样位置及数量：板宽1/4处3根，板宽1/2处3根
试样尺寸与取向：尺寸20×100×厚度mm，试样100mm长度方向平行轧向
试验标准：NACE TM0284-96标准；溶液：NACE TM0284-96标准B溶液
试验结果：
●板宽1/2处
  编号   观察面   CLR％     CTR％     CSR％
  第1根   观察面1   0.00     0.00     0.00
  观察面2   0.00     0.00     0.00
  观察面3   0.00     0.00     0.00
  平均   0.00     0.00     0.00
  第2根   观察面1   0.00     0.00     0.00
  观察面2   0.00     0.00     0.00
  观察面3   0.00     0.00     0.00
    平均     0.00     0.00     0.00
  第3根     观察面1     0.00     0.00     0.00
    观察面2     0.00     0.00     0.00
    观察面3     0.00     0.00     0.00
    平均     0.00     0.00     0.00
  板宽1/2处HIC的平均结果     0.00     0.00     0.00
●板宽1/4处
  编号     观察面     CLR％     CTR％     CSR％
  第1根     观察面1     0.00     0.00     0.00
    观察面2     0.00     0.00     0.00
    观察面3     0.00     0.00     0.00
    平均     0.00     0.00     0.00
  第2根     观察面1     0.00     0.00     0.00
    观察面2     0.00     0.00     0.00
    观察面3     0.00     0.00     0.00
    平均     0.00     0.00     0.00
  第3根     观察面1     0.00     0.00     0.00
    观察面2     0.00     0.00     0.00
    观察面3     0.00     0.00     0.00
    平均     0.00     0.00     0.00
  板宽1/4处HIC的平均结果     0.00     0.00     0.00
预计发明推广应用的可行性及前景：我国天然气的含硫量一般都比较低，在输气压力较低情况下，可以通过脱硫后作为甜气(PH2S≤300Pa)使用。当输气压力提高时，要使硫化氢的分压不大于300Pa，则必须降低硫化氢的输入浓度，这样给脱硫处理带来了极大的困难。因此，发展抗硫化氢腐蚀的管线钢是势在必行，特别是对含硫量很高的气田来说更为必要。因此对管线用钢的要求也越来越严格，要求具有高的强度韧性的同时，对抗HIC性能方面也做了严格的要求。钢级的不断提高，对于提高抗HIC性能来讲就越难。根据本发明进行的实施例，可以预计本项发明在设备条件允许的情况下，生产操作较易进行，具有一定的推广应用的可能性。因此，具有抗HIC性能的高强度高韧性X80管线钢热轧板卷有较大的应用前景。

Claims (2)

1、一种具有抗HIC性能X80管线钢，其组成成分的重量百分比为：碳0.025～0.055％；硅：0.19～0.30％；锰：1.70～1.95％；钛：0.01～0.02％；铝：0.015～0.040％；钒：0.045～0.065％；镍：0.25～0.35％；铬≤0.02％；硼：≤0.0002％；磷：≤0.015％；硫：≤0.002％；钙：0.0020～0.0045％；钼：0.20～0.40％；铜：0.20～0.40％；铌：0.02～0.10％；氮：≤0.006％；氧：≤0.004％；氢：≤0.00025；铁和微量杂质：余量。
2、权利要求1所述的具有抗HIC性能X80管线钢热轧板卷制造方法，工艺步骤包括：按权1配比备料、铁水预脱硫、LD转炉冶炼、炉外精炼即通过RH配合LF再配合喂钙丝、连铸、板坯再加热、控制轧制、控制冷却、卷取，其特征是：板坯加热温度控制在：1170～1250℃；粗轧终止温度控制在：960～1040℃；精轧压缩比：≥75％；精轧终止温度控制在：800～860℃；卷取温度控制在：430～580℃。
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