CN102828125A - 一种基于应变设计的管线用钢x70及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于应变设计的管线用钢X70及其制造方法，其成分的含量范围按重量百分比：C0.06％-0.10％，Si0.1％-0.6％，Mn1.0％-2.5％，P≤0.015％，S≤0.003％，Cr＜0.1％、Mo 0.05％-0.35％，Nb0.01％-0.15％，Ti0.005％-0.03％，Al0.01％-0.06％；同时含有Cu、Ni中的一种或两种，Cu 0％-0.5％、Ni 0％-0.5％；余量为Fe和微量不可避免的杂质。其控轧控冷方法板坯加热温度为1050-1280℃；再结晶区控制轧制的温度控制范围为900-1250℃；非再结晶区控制轧制的温度控制范围为700-950℃；开始冷却温度为650-800℃；终止冷却温度为100-500℃；冷却速度为5-35℃/s。本发明不添加V、B等元素，Mo、Cu、Cr、Ni总量较低，且无需后续热处理，工艺简单、成本低，生产效率高。

Description

一种基于应变设计的管线用钢X70及其制造方法

技术领域

本发明设计了一种管线用钢及其制造方法，特别涉及一种基于应变设计的X70管线用钢及其制造方法。应用本发明制备的管线钢可以应用于极地、冻土带、地震带以及深海等采用X70钢级的管线管，以及各种压力容器与工程机械用焊接钢材。

背景技术

近年来，能源结构的变化以及对能源需求的增长，极大地促进了新油气资源的勘探与开采。目前发现的大储量油田和天然气田多分布在极地、冻土带、地震带以及深海等特殊地质条件区域。在这些区域地层或海底洋流的大规模运动，管线钢不但要承受较高的内压，同时还必须具有相当高的变形能力和应变强化能力，以承受由于地质断层相对运动、地震波传播、土层液化、海底暗流引起的轴向压缩变形及弯曲变形。显然，经由该类地区的管道失效不再由应力控制，而由应变控制，单纯的高强度高韧性并不能确保管线的安全，管线钢还应具有很好的抗大应变能力。基于此，管道用钢选材设计上应该用基于应变的设计方法代替基于应力的设计方法。

基于应变设计的管线用钢，除了横向性能(如强度、屈强比、延伸率、冲击功、落锤剪切面积等)满足基于应力设计要求的标准外，还对其纵向性能的抗大应变能力做出了严格规定。表征抗大应变能力的典型参数有：高均匀延伸率(UEL≥10％)，低屈强比(Y/T≤0.85)以及无屈服平台(圆屋顶型)的应力应变曲线。

基于应变设计的管线用钢是管线钢发展最具挑战性的领域之一。目前，国内采用TMCP工艺生产高强度高韧性的管线钢已经基本成熟，特别是“西气东输”等一系列国家重点工程的实施，X70、X80管线钢得到大规模的应用。但是，目前的X70、X80级别管线钢都为典型的少珠光体或针状铁素体组织，这样的组织类型对应的钢板性能具有很好的强度和韧性匹配，但是其塑性不足，均匀变形延伸率UEL不大于10％，屈强比大都在0.85以上，有的甚至达到0.92。采用传统TMCP工艺生产的管线钢，不能满足基于应变设计方法的选材标准。

当前，基于应变设计的管线钢的研究国内外均有报道，但是存在如下问题：如专利US5545270A、US5531842、US5755895A与CN101456034A等提供了X80及其以上级别双相管线钢的成分与制造方法，对X70级别管线钢没有涉及，且添加了大量的高价格金属元素Mo、Ni、Cr等，不适合高性价比管线钢的生产。特别是专利US5545270A、US5531842与US5755895A，提出进行三阶段轧制，增加了一次中间坯待温，降低了生产效率；最后轧制需要在两相区间进行，由于轧制温度低，轧制抗力高对轧机要求苛刻。论文Development of a high-deformability linepipe with resistance tostrain-aged hardening by HOP(heat-treatment on-line process)，JFETechnical Report No.12(Oct.2008)，涉及到X70大应变管线钢的成分、工艺与性能，但是其抗大应变特征的获得，得益于后续的HOP工艺。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明所要解决的技术问题是提供一种可满足输送地质条件恶劣地带油气资源且可经济高效生产的抗大应变能力X70级别管线用钢，特别设计了一种基于应变设计的管线用钢X70及其制备方法。

本发明的管线钢的成分设计方案，与传统X70相比，采用较高的碳含量、少量的有选择性添加Cu、Ni、Mo、Cr等合金元素，并添加少量的Nb、Ti等微合金元素。组织为多边形铁素体与贝氏体的复相组织。多边形铁素体均匀延伸率高、贝氏体强度好，合适的双相体积分数匹配可以同时获得高均匀延伸、适当的强度、良好的韧性、高的应变硬化指数与低的屈强比。

本发明中各成分的含量范围按重量百分比：C0.06％-0.10％，Si0.1％-0.6％，Mn1.0％-2.5％，P≤0.015％，S≤0.003％，Cr＜0.1％、Mo0.05％-0.35％，Nb0.01％-0.15％，Ti 0.005％-0.03％，Al0.01％-0.06％；同时含有Cu、Ni中的一种或两种，Cu 0％-0.5％、Ni 0％-0.5％；余量为Fe和微量不可避免的杂质。

本发明中基于应变设计用管线钢X70的主要组成成分的作用如下：

C：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，为此，本发明将C含量上限设定为0.10％。近代管线钢的发展过程是不断降低C含量的过程。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。当C含量过低时，不能充分发挥Nb等元素的沉淀强化作用，本发明将C含量下限设定为0.06％。

Si：加入Si是为了炼钢过程中脱氧与提高基体的强度。如果添加过量的Si，母材的焊接热影响区的韧性就会显著降低，野外焊接施工性能也会变差。因此，Si含量在本发明中设定为0.01-0.60％。

Mn：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。为了保证强度与低温韧性之间的平衡，Mn的最低含量设定为1.0％。提高Mn的含量，钢的可淬透性增加，含量增加到一定程度后，会导致焊接性能下降尤其是严重恶化焊接热影响区的韧性。另外，过高的Mn含量还会增加连铸坯中心偏析，使钢板性能的各向异性增加。因此，本发明的Mn含量上限设计为2.5％。

Nb：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，经过控制轧制和控制冷却使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。本发明就是配合C含量添加适量Nb发挥NbC的作用，本发明选取Nb含量范围0.01％-0.15％。

Ti：是强的固N元素，Ti/N的化学计量比为3.42，利用0.01％左右的Ti就可固定钢中30ppm左右的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粒子可有效地抑制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，改善焊接热影响区的冲击韧性。当Als的含量过低(如低于0.005％)，Ti会形成氧化物，这些内生质点可以起到晶内铁素体形核核心的作用，细化焊接热影响区组织。为了获得这一效果，至少要添加0.005％Ti。当Ti添加量超过某一定值，TiN颗粒就会粗化，TiC的沉淀强化作用显现，造成低温韧性恶化。因此，本发明选取Ti含量范围0.005％-0.03％。

Al：Al的存在通常是作为钢中的脱氧剂，也有细化组织的作用。但是，当Al的含量超过0.06％，氧化铝非金属夹杂的量增加从而降低钢的洁净度。Al含量过低则脱氧不充分，Ti等易氧化元素就会形成氧化物，因此Al的含量下限设定为0.01％。

Cr、Mo：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终轧温度下超低碳管线钢中加入，就可获得明显的针状铁素体及贝氏体组织，同时因相变向低温方向转变，可使组织进一步细化，组织细化有利于低温韧性的改善。为了获得强度、塑性与韧性的合理搭配，本发明选取Cr＜0.10％、Mo0.05％-0.35％。

Cu、Ni：可通过固溶强化作用提高钢的强度，同时Cu还可以改善钢的耐蚀性，Ni的加入主要是改善Cu在钢中易引起的热脆性，且对低温韧性有益。在厚规格管线钢中还可补偿因厚度的增加而引起的水冷强度不足而造成的强度下降。本发明选取Cu0％-0.50％、Ni0％-0.50％。

P、S：是钢中不可避免的杂质元素，希望越低越好。出于冶炼成本的考虑，又不能无限制的低。因此，本发明将P、S含量上限设定为0.015％与0.003％。通过超低S(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。

因此，针对铁素体+贝氏体双相组织具有高均匀延伸率、低屈强比等特征，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，对具有双相组织X70管线钢的成分设计采用了低碳、超低硫、Nb、Ti复合微合金化、控制组织的Mo、Cr合金化及适当加入Cu、Ni的成分设计。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、高均匀延伸率与低屈强比的铁素体+贝氏体组织。

为了保证较低的屈强比与较高强韧性的匹配，除了选用双相组织设计外，钢板生产过程中还采用了两阶段控制轧制技术，其中第一阶段轧制为再结晶区轧制，该阶段至少三个道次的单道次变形量不小于15％，达到充分细化原始奥氏体晶粒的目的；第二阶段轧制为非再结晶区轧制，该阶段的累积变形量不小于60％，完成铁素体晶粒细化及晶粒内部位错密度累积的任务，钢板轧后在层流冷却过程中，采用指定的温度范围配合相应的冷却速度。

本发明的管线钢采用如下工艺路线：备料→转炉或电炉冶炼→炉外精炼→铸造→板坯再加热→控制轧制→控制冷却。

热轧工艺进行如下控制：

(1)板坯加热温度：1050-1280℃；

(2)再结晶区控制轧制的温度控制范围：900-1250℃；

(3)非再结晶区控制轧制的温度控制范围：700-950℃；

(4)开始冷却温度：650-800℃；

(5)终止冷却温度：100-500℃

(6)冷却速度：5-35℃/s

具体步骤为：

a)对设定成分控制范围内的铸态坯料清理后进行均热处理，温度控制在1050-1280℃的范围内；

b)对出炉后的坯料进行高压水除磷处理，去除坯料在加热过程中所产生的氧化铁皮；

c)对除磷后的坯料立即进行两阶段控制轧制，即再结晶区轧制和未再结晶区轧制，准确控制轧制温度及道次变形量与累积变形量；

d)终轧后的钢板进行空冷待温至水冷开始冷却温度范围，期间30％-70％的奥氏体转变为先析块状铁素体；

e)对弛豫后的钢板进行层流冷却，水冷后的钢板空冷至室温。在水冷过程中，剩余的奥氏体转变为贝氏体组织，最终得到先共析铁素体+贝氏体双相组织。

最终得到的先共析铁素体+贝氏体双相组织的钢板，其横向力学性能可以达到如下要求：屈服强度Rt0.5为485-630MPa，抗拉强度Rm为570-760MPa，屈强比Rt0.5/Rm≤0.80，-20℃冲击功CVN≥200J，-20℃DWTT剪切面积SA≥85％。钢板的纵向力学性能可以达到如下要求：均匀变形伸长率UEL≥10％，屈服强度Rt0.5≥400MPa，抗拉强度Rm≥550MPa，屈强比Rt0.5/Rm≤0.80，应力应变曲线无屈服平台且Rt1.5/Rt0.5≥1.15，其中Rt1.5为总延伸量为1.5％所对应的应力值。

本发明的优点在于：

(1)采用低碳加Mn，有选择的添加Cu、Ni、Mo、Cr，不添加V的经济型成分设计，有效地降低了生产成本；

(2)采用两阶段控制轧制的方法，即再结晶区轧制和未再结晶区轧制。变形过程中，采用合适的变形温度与变形量，使奥氏体晶粒得到有效细化；中间坯空冷待温阶段，铌碳氮化物第二相析出明显，奥氏体晶界得到有效钉扎，晶粒稳定性良好，不会发生明显的晶粒粗化现象；

(3)终轧后，钢板进行空冷待温，钢板在入水层流冷却前的温度降低到铁素体析出温度Ar3以下10-70℃，使钢板中30％-70％的奥氏体转变为塑性优良的多边形铁素体；

(4)对待温后的钢板进行层流令却，冷却速度范围控制在5-35℃/s，终冷温度控制在100-500℃范围内，保证水冷过程中，剩余的奥氏体转变为贝氏体组织，先析出的多边形铁素体不会明显长大，最终得到多边形铁素体+贝氏体双相组织；

(5)层流冷却后的钢板空冷至室温，强度和塑性指标优良。钢板的横向力学性能可以达到如下要求：屈服强度Rt0.5为485-630MPa，抗拉强度Rm为570-760MPa，屈强比Rt0.5/Rm≤0.80，-20℃冲击功CVN≥200J，-20℃DWTT剪切面积SA≥85％。钢板的纵向力学性能可以达到如下要求：均匀变形伸长率UEL≥10％，屈服强度Rt0.5≥400MPa，抗拉强度Rm≥550MPa，屈强比Rt0.5/Rm≤0.80，应力应变曲线无屈服平台且Rt1.5/Rt0.5≥1.15。

通过应用本专利，可以经济高效的生产基于应变设计的X70级别管线用钢。本专利的优点在于有选择的添加Cu、Cr、Ni、Mo等合金元素，且各合金元素总量有不同程度的降低，且不需要后续热处理，因此制造工艺简单、成本较低。应用本发明生产的X70管线钢，除了能够满足传统X70的强度要求外，还具有低屈强比与高均匀延伸的特征，应用于X70管线管必将大幅度提高管道运营的安全性。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进一步说明：

实施例1-12、对比例13-16的化学成分、工艺参数和性能结果如表1-4所示。

1.化学成分

实施例1-12及对比例13-16的化学成分(wt％)如表1。

表1化学成分(wt％)

	C	Si	Mn	P	S	Ti	Nb	Cu	Ni	Cr	Mo	Al
													1	0.06	0.33	1.68	0.01	0.003	0.017	0.03	0.24	0.23	0.09	0.05	0.04
2	0.06	0.26	1.64	0.01	0.003	0.012	0.04	0.15	0.15	0.09	0.09	0.03
													3	0.07	0.42	1.55	0.01	0.003	0.015	0.03	0	0.45	0.05	0.05	0.03

4	0.07	0.35	1.52	0.01	0.003	0.015	0.04	0.45	0	0.09	0.05	0.03
													5	0.10	0.25	1.72	0.01	0.003	0.015	0.03	0.20	0.20	0.05	0.05	0.03
6	0.09	0.30	1.58	0.01	0.003	0.015	0.04	0.20	0.20	0	0.15	0.03
													7	0.06	0.32	1.27	0.01	0.003	0.015	0.03	0.22	0.18	0.05	0.05	0.03
8	0.06	0.30	1.85	0.01	0.003	0.015	0.04	0.22	0.20	0	0.15	0.03
													9	0.07	0.30	1.50	0.01	0.003	0.015	0.03	0	0.20	0.09	0.10	0.03
10	0.07	0.25	1.65	0.01	0.003	0.015	0.05	0.15	0	0.09	0.10	0.03
													11	0.07	0.30	1.50	0.01	0.003	0.015	0.03	0.15	0.20	0.09	0.10	0.03
12	0.07	0.25	1.65	0.01	0.003	0.015	0.05	0.15	0.15	0.09	0.10	0.03
													13	0.02	0.25	1.65	0.01	0.003	0.015	0.05	0.15	0	0.60	0.10	0.03
14	0.05	0.30	1.50	0.01	0.003	0.015	0.03	0.15	0.20	0.10	0.10	0.03
													15	0.06	0.25	1.65	0.01	0.003	0.015	0.05	0.15	0.15	0	0.15	0.03
16	0.11	0.25	1.65	0.01	0.003	0.015	0.05	0.15	0.15	0	0.55	0.03

2.热轧工艺

工艺路线如下：备料→转炉或电炉冶炼→炉外精炼→铸造→板坯再加热→控制轧制→控制冷却。

实施例1-12、对比例13-16的工艺参数见表2.

表2工艺参数

3.性能结果

分别进行力学、夏比冲击、DWTT实验，实施例1-12、对比例13-16的横向钢板性能试验结果如表3所示，纵向性能如表4所示。

表3横向力学性能结果

	屈服强度MPa	抗拉强度MPa	屈强比	延伸率A50％	冲击功J-20℃	SA％-20℃DWTT
							1	570	760	0.75	35.9	331	90
2	531	708	0.75	40.9	336	90
							3	485	703	0.69	39.3	348	90
4	496	689	0.72	41.5	318	90
							5	490	650	0.75	39.3	340	90
6	595	744	0.80	41.8	292	90
							7	509	679	0.75	40.2	296	90
8	491	691	0.71	41.0	337	90
							9	495	685	0.72	38.6	277	90
10	555	730	0.76	41.9	287	90
							11	610	760	0.8	42.0	266	90
12	573	735	0.78	35.3	345	90
							13	435	600	0.73	40.1	333	90
14	599	722	0.83	38.7	317	90
							15	588	683	0.86	39.4	264	90
16	589	720	0.82	39.8	291	90

表4纵向力学性能结果

Claims (5)

1.一种基于应变设计的管线用钢X70及其制造方法，其成分的含量范围按重量百分比：C0.06％-0.10％，Si0.1％-0.6％，Mn1.0％-2.5％，P≤0.015％，S≤0.003％，Cr＜0.1％、Mo 0.05％-0.35％，Nb0.01％-0.15％，Ti 0.005％-0.03％，Al0.01％-0.06％；同时含有Cu、Ni中的一种或两种，Cu 0％-0.5％、Ni 0％-0.5％；余量为Fe和微量不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的基于应变设计的管线用钢X70，其特征在于所述钢的组织为铁素体+贝氏体双相组织。

3.一种根据权利要求1～2所述基于应变设计的管线用钢X70的制造方法，其特征在于工艺路线为备料→转炉或电炉冶炼→炉外精炼→铸造→板坯再加热→控制轧制→控制冷却，其中，板坯加热温度为1050-1280℃；再结晶区控制轧制的温度控制范围为900-1250℃；非再结晶区控制轧制的温度控制范围为700-950℃；开始冷却温度为650-800℃；终止冷却温度为100-500℃；冷却速度为5-35℃/s。

4.根据权利要求3所述的基于应变设计的管线用钢X70的制造方法，其特征在于对加热后的坯料进行高压水除磷处理后立即进行两阶段控制轧制，第一阶段至少三个道次的单道次变形量不小于15％，第二阶段的累积变形量不小于60％。

5.根据权利要求3所述的基于应变设计的管线用钢X70的制造方法，其特征在于对终轧后的钢板进行控冷弛豫至水冷开始温度，使30％-70％的奥氏体转变为先析块状铁素体；在水冷过程中，使剩余的奥氏体转变为贝氏体，得到先共析铁素体+贝氏体双相组织。