CN102534429A - 高强度低屈强比x90热轧钢板及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
一种高强度低屈强比X90热轧钢板及其生产方法，属于高强度管线钢生产技术领域。钢的化学成分质量百分比为：C：0.02～0.07％，Si：0.10～0.40％，Mn：1.40～1.54％，P：≤0.012％，S：≤0.003％，Alt：0.02～0.06％，Nb：0.05～0.10％，Ti：0.008～0.040％，Cr：0.20～0.35％，Mo：0.20～0.35％，N：≤0.008％，H：≤0.0002％，余量为Fe和不可避免杂质元素。制备方法包括转炉冶炼、炉外精炼、加热、除鳞、轧制、超快速冷却等工序。优点在于，产品韧性优良，并具有良好的可焊性和自止裂能力，可降低工程建设成本。
Description
技术领域
本发明属于高强度管线钢生产技术领域，特别是涉及一种高强度低屈强比X90热轧钢板及其生产方法，用于石油、天然气的输送管道建设。
背景技术
世界能源管道建设正在向着长距离、超高强、高压输送发展，随着X100和X120开发的进展，2002年，API和ISO同时制定了新的工作项目，其目的是在API 5L和ISO 3183中增加从X90到X120的超高强度钢级。X90、X100和X120这三个钢已被列入2007年发布的API Spec 5L管线钢管规范第44版，超高强管线钢向其最终的实际应用迈进了一大步。
近年来，我国已在X70/X80高强度管线钢的开发上取得了重大进展，在国际管道界从跟跑者成为领跑者。目前应我国经济发展要求，每年有近1100亿m3的气源量急需输送，且随着新疆煤制气产能的迅速提高，气源量仍在增加。“十二五”期间急需建成多条管道工程满足输气的要求。而由于河西走廊宽度受限、土地征用、居民搬迁、与地方政府协调、运营维护等方面的原因，必须尽最大限度减少管道数量，提高单管输送能力。因此提高管道输送压力、钢级和壁厚成为必选技术路线。而在超高强度管线钢管的开发方面，我国与国外在可焊性和自止裂韧性等研究方面差距很大。
为探索制定我国大规模管道建设所需的高新管线钢科技攻关方案，2010-2011年期间，中国石油集团组织国内外管道行业和冶金行业专家召开多次技术论证会，对我国“十二五”期间输气管道强度设计系数及X90/X100高强度管线钢开发应用研究重大专项进行专家论证。专家组对技术指标设置、创新体系建设、保障措施等提出了宝贵意见和建议，建议“输气管道强度设计系数研究”和“X90/X100高强度管线钢技术开发应用”课题尽快立项，开展西三线一级地区0.8设计系数的前期设计和X90/X100技术准备工作，并考虑在我国开展大规模管道建设。输气管道一类地区设计系数提高0.08个百分点，可节约管材用量和降低工程建设成本10％。超高强X90/X100管线钢的开发和应用，可有效提高管道输送效率，减小钢管壁厚，降低工程成本。
虽然三个超高强度管线钢级别X90、X100和X120已于2007年同时被列入了API5L和ISO 3183标准，但其进展却各不相同。X90是X80和X100强度等级的中间钢级，X90的开发和应用似乎是顺理成章的事情，然而实际情况并非如此。在全球众多的管道学术会议中始终看不到有关X90的论文和相关报道，然而X100和X120的研究开发一度成为热点，并相继完成若干试验段的建设。
考虑我国实际情况，在超高强度管线钢开发方面应充分重视X90的开发。以X90的开发作为从X80向X100跃进理想的过渡点和中间站既是可行的，而且本身也会有很好的经济效益。因此开发韧性优良的X90管线钢及其工艺技术，意义重大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强度低屈强比X90热轧钢板及其生产方法，产品韧性优良，并具有良好的可焊性和自止裂能力，可降低工程建设成本。
本发明的所述钢板化学成分为：C：0.02～0.07％，Si：0.10～0.40％，Mn：1.40～1.54％，P：≤0.012％，S：≤0.003％，Alt：0.02～0.06％，Nb：0.05～0.10％，Ti：0.008～0.040％，Cr：0.20～0.35％，Mo：0.20～0.35％，N：≤0.008％，H：≤0.0002％，余量为Fe和不可避免杂质元素；均为重量百分数。
采用上述化学成分设计，通过两阶段控轧+超快速冷却技术，本发明制备出了X90钢板，屈服强度达到625MPa以上，抗拉强度在695MPa以上，屈强比在0.91以下；
夏比冲击韧性：-20℃，全尺寸10×10×55mm V型缺口试样，夏比冲击功(CNV)≥320J，夏比冲击剪切面积≥90％。
落锤性能：-20℃，全壁厚落锤试样剪切面积(DWTT SA)≥85％。
本发明的制备方法包括转炉冶炼、炉外精炼、加热、除鳞、轧制、超快速冷却等工序；在工艺中控制如下技术参数：
(1)将钢坯加热到1150-1220℃，钢坯上下表面温差≤20℃；
(2)钢坯进行高压水除鳞，除鳞水压力控制在21～26MPa；
(3)钢坯分两阶段进行轧制，第一阶段开轧温度控制在1050-1100℃，中间进行待温，待温时间控制在100-200s，第二阶段开轧温度控制在870-900℃，终轧温度控制在821-850℃范围，第二阶段单道次压下率均控制在10-30％范围；
(4)钢板热轧后进行超快速冷却，终冷温度控制在300-400℃，冷却速度控制在31-40℃/s。
本发明内容的构成要点立足于以下认识：
C元素对提高钢板强度是有效的，但同时降低了其低温冲击韧性及其焊接性，由于超高强X90管线钢对韧性水平及可焊性要求比较严格，因此碳的含量控制在较低碳含量0.02～0.07％范围内。
Mn通过固溶强化提高强度，还可降低γ-α相变温度，进而细化铁素体晶粒。但众所周知，Mn是易偏析元素，会造成铸坯中心偏析严重，而导致钢板心部带状组织严重，引起各向异性，导致冲击断口出现分层或脆断，大大降低钢板的低温韧性性能和抗HIC性能，尤其对于超高强度钢种来说，添加过多的Mn对低温冲击韧性有害。
Mo较强的贝氏体相变控制元素。在高强度微合金钢中，添加适量的Mo元素就可以获得明显的贝氏体组织，同时因相变向低温方向转变，可使相变组织进一步细化，大幅提高钢的强韧性能，同时还可有效降低屈强比。在超高强X90管线钢中，通过添加一定量的Mo合金，实现相变强化效果，提高X90管线钢的强度稳定性和提高其低温冲击韧性。因此本发明中Mo含量控制在0.20～0.35％范围，得到了细小均匀的贝氏体组织和优良的强韧性能。
Cr合金具有类似Mo合金的作用，可以抑制先共析铁素体生成，向右下方移动铁素体相变曲线，实现相变强化效果，同时降低相变开始温度，细化贝氏体组织，提高X90管线钢的强度稳定性和提高其低温冲击韧性，而且显著降低材料的屈强比。本发明进行了大量试验，通过添加不同的Cr含量，发现：伴随着Cr的含量的提高，钢板的抗拉强度大幅度提高，材料的屈强比明显降低，见附图3所示。因此本发明中Cr含量控制在0.20～0.35％范围，在不影响韧性的前提下，获得了X90管线钢的低屈强比，最重要的是Cr合金很廉价，对降低成本有利。
本发明采用该生产工艺的依据是：
通过控制板坯加热温度和上下表面温度的均匀性，有效控制原始奥氏体晶粒的尺寸和均匀性，同时为后续轧制过程板形控制有利。实践证明，对于高强度钢种来说，当钢坯上下表面温差大于30℃时，在轧制过程中容易出现上翘或者下扣的现象，导致卡钢或者轧制板形太差，出现轧废或事故；
钢坯出钢后采用一次高压水除鳞，控制除鳞水压力在21～26MPa，有效去除钢坯表面的氧化铁皮，一方面有利于钢坯温度的精确测量，另一方面可避免轧制过程氧化铁皮的压入，造成钢板表面质量问题；
控制第一阶段开轧温度和终轧温度，使奥氏体晶粒充分细化和均匀化；第二阶段采用低温控轧工艺，控制开轧温度和终轧温度，以及保证第二阶段的单道次压下率在10-30％范围，充分利用低温控轧和大压下效果，在硬化的奥氏体内部积累位错，为后续相变提供更多的形核点，最终通过轧后快速入水，得到细化、均匀的贝氏体相变组织，提高X90钢板的强度和低温韧性。
通过控制钢板入水温度、终冷温度和冷却速度，利用超快冷设备的极限冷却能力，充分细化钢板的晶粒，使钢板的强韧性能达到一个较好的匹配，抗拉强度高，屈强比低，并且夏比冲击韧性优良。
本发明所述的X90热轧钢板性能达到以下水平：
(1)拉伸性能：屈服强度达到≥625MPa，抗拉强度达到≥695MPa，屈强比达到≤0.91范围。
(2)韧性性能：-20℃的10×10×55mm试样夏比V型缺口冲击功在320J以上，-20℃的落锤性能(DWTT)平均剪切面积≥85％。
本发明的优点在于：本发明提供的X90钢板具有自止裂韧性和良好的焊接性，可广泛用于石油天然气管道工程建设中，对降低输送管线的建设成本有明显作用。
附图说明
图1为本发明光学电镜组织图。
图2为本发明扫描电镜组织图。
图3为本发明中不同Cr含量对钢板抗拉强度的影响。
具体实施方式
根据本发明韧性优良的高强度低屈强比X90热轧钢板及其生产方法，在100吨转炉上冶炼，在100吨RH精炼炉上精炼，在4300mm轧机上进行控轧，在超快冷UFC上进行控冷。下面通过实施例对本发明作进一步的描述。实施例中钢板化学成分见表1，实施例工艺制度见表2，实施例力学性能见表3：
实施例化学成分
表1.本发明X90热轧钢板实施例化学成分(wt％)
实施例工艺制度
表2.本发明X90热轧钢板实施例工艺制度
实施例力学性能
本发明生产的X90热轧钢板的金相组织为均匀、细小的贝氏体组织形态，参照附图1、2。实施例钢板力学性能如下表3所示。
表3.实施例X90热轧钢板力学性能
本发明通过采用特殊的合金配方，利用超快冷装置(UFC)，实现超低温相变，充分细化相变组织，提高X90管线钢的强度和韧性，具有自止裂韧性和良好的焊接性，可广泛用于石油天然气管道工程建设中，对降低输送管线的建设成本有明显作用。
Claims (3)
1.一种高强度低屈强比X90热轧钢板，其特征在于：所述钢板化学成分为：C：0.02～0.07％，Si：0.10～0.40％，Mn：1.40～1.54％，P：≤0.012％，S：≤0.003％，Alt：0.02～0.06％，Nb：0.05～0.10％，Ti：0.008～0.040％，Cr：0.20～0.35％，Mo：0.20～0.35％，N：≤0.008％，H：≤0.0002％，余量为Fe和不可避免杂质元素；均为重量百分数。
2.如权利要求1所述的韧性优良的高强度低屈强比X90热轧钢板，其特征在于：钢板的性能为：
屈服强度达到625MPa以上，抗拉强度在695MPa以上，屈强比在0.91以下；
夏比冲击韧性：-20℃，全尺寸10×10×55mm V型缺口试样，夏比冲击功(CNV)≥320J，夏比冲击剪切面积(SA)≥90％；
落锤性能：-20℃，全壁厚落锤试样剪切面积(DWTT SA)≥85％。
3.一种权利要求1所述的高强度低屈强比X90热轧钢板的制备方法，包括转炉冶炼、炉外精炼、加热、除鳞、轧制、超快速冷却等工序，其特征在于：工艺中控制如下技术参数：
(1)将钢坯加热到1150-1220℃，钢坯上下表面温差≤20℃；
(2)钢坯进行高压水除鳞，除鳞水压力控制在21～26MPa；
(3)钢坯分两阶段进行轧制，第一阶段开轧温度控制在1050-1100℃，中间进行待温，待温时间控制在100-200s，第二阶段开轧温度控制在870-900℃，终轧温度控制在821-850℃范围，第二阶段单道次压下率均控制在10-30％范围；
(4)钢板热轧后进行超快速冷却，终冷温度控制在300-400℃，冷却速度控制在31-40℃/s。
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