CN110846565A

CN110846565A - 组织及性能稳定的低成本大壁厚抗酸管线钢及其生产方法

Info

Publication number: CN110846565A
Application number: CN201910945235.0A
Authority: CN
Inventors: 贾国生; 亢庆峰; 吕德文; 贾改风; 孙毅; 裴庆涛; 王朔阳; 其他发明人请求不公开姓名
Original assignee: Handan Iron and Steel Group Co Ltd; HBIS Co Ltd Handan Branch
Current assignee: Handan Iron and Steel Group Co Ltd; HBIS Co Ltd Handan Branch
Priority date: 2019-09-30
Filing date: 2019-09-30
Publication date: 2020-02-28

Abstract

本发明组织及性能稳定的低成本大壁厚抗酸管线钢，其化学成分重量百分比为：C 0.03%～0.08%，Si 0.15%～0.20%，Mn 1.05%～1.15%，P＜0.01%，S＜0.002%，Nb 0.025%～0.035%，Ti 0.015%～0.025%，Al＜0.05%，Ca＜0.006%，其他为Fe和不可避免的微量杂质。其生产方法包括炼钢、连铸、轧制、卷取和冷却工序；轧制工序，粗轧的最后道次轧制出口温度为1015℃～1050℃。本发明通过最佳C含量，减少C的偏析以及珠光体的生成；通过控轧控冷减少组织的混晶，实现沿厚度方向组织的均匀，最终实现低成本大壁厚抗酸管线钢组织及性能的稳定。

Description

组织及性能稳定的低成本大壁厚抗酸管线钢及其生产方法

技术领域

本发明属于钢铁冶金技术领域，具体涉及一种组织及性能稳定的低成本大壁厚抗酸管线钢的生产方法。

背景技术

随着石油和天然气工业的发展，天然气资源中的H₂S等腐蚀介质含量增加。H₂S等腐蚀介质产生的Ｈ原子容易在珠光体、夹杂物等缺陷位置不断渗透、积聚形成氢气。当氢气压力增大到一定程度后，导致管线钢的氢致开裂。

材料中的碳含量太高，对材料的抗酸性、低温韧性、成型性、焊接性、延塑性不利，影响制管后综合性能。材料中碳含量太低，导致转炉终点氧较高，不利于夹杂物的去处,影响制管后的抗酸性能，且合金成本增加。因此，合适的C含量对管线钢组织及性能稳定性具有重要意义。同时碳在冶炼过程中容易产生中心偏聚，致使钢板心部产生珠光体条带或M/A岛等氢原子聚集缺陷，尤其是厚规格，导致抗HIC和SSCC性能大幅下降。

中国专利CN104099522A公开了“无铜镍抗酸管线钢X52MS 及其热轧板卷的制造方法”，其碳含量优选为0.035％，碳含量过低，转炉脱碳困难，增大冶炼难度，且不利于钢的强化。CN102851590A公开了“一种抗酸性低锰X70管线钢及其生产方法”，其碳含量为0.05％～0.07％,但是却加入了昂贵的Cu、Ni、Mo合金，生产成本较高。

在管线钢生产过程中，轧制和冷却工序的控制情况是产品显微组织以及力学性能的重要决定性因素，其生产难点也集中在轧制和冷却工序，尤其是厚规格管线钢。当产品厚度规格较大时，对轧制和冷却工艺的控制也相应提高，如轧制和冷却工艺控制不当，产品将会出现组织和力学性能不均匀的情况。中国专利申请CN107326261A公开了“低屈强比薄规格高强抗酸管线钢热轧卷板及其制造方法”，其碳含量为0.04-0.065，规格较薄，且加入了一定量的Cr；冷却工序中冷速较慢，卷取温度较高，不利于合金和组织的强化。

随着我国能源管道输送事业高速发展，对管线钢低温韧性和附加性能提出更高的要求，特别是大壁厚钢板要具有良好的低温韧性和抗酸性腐蚀性能。现阶段国际上通常添加Ni、Cu等高成本合金元素来提高管线钢的抗酸性能，使得抗酸管线钢成本消耗极大，不符合竞争激烈的市场环境。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种低成本大壁厚抗酸管线钢及其生产方法；通过选定最佳C含量0.05%～0.067%，减少C的偏析以及珠光体的生成，并减少合金加入量；通过控轧控冷减少组织的混晶，实现沿厚度方向组织的均匀，最终实现低成本大壁厚抗酸管线钢组织及性能的稳定。

为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案是：

组织及性能稳定的低成本大壁厚抗酸管线钢，其主要成分的重量百分含量为：C 0.03%～0.08%，Si 0.15%～0.20%，Mn 1.05%～1.15%， P＜0.01%，S＜0.002%，Nb 0.025%～0.035%，Ti 0.015%～0.025%，Al＜0.05%，Ca＜0.006%，其他为Fe和不可避免的微量杂质。

上述的组织及性能稳定的低成本大壁厚抗酸管线钢，C含量优选范围为：0.05%～0.067%。

组织及性能稳定的低成本大壁厚抗酸管线钢的生产方法，包括炼钢、连铸、轧制、卷取和冷却工序；所述连铸工序：铸坯主要成分的重量百分含量为：C 0.03%～0.08%，优选0.05%～0.067%；Si 0.15%～0.20%，Mn 1.05%～1.15%， P＜0.01%，S＜0.002%，Nb 0.025%～0.035%，Ti 0.015%～0.025%，Al＜0.05%，Ca＜0.006%，其他为Fe和不可避免的微量杂质。

所述轧制工序：粗轧的最后道次轧制出口温度设置为1015℃～1050℃，精轧入口温度设置为960℃～995℃；终轧温度设置为815℃～835℃；卷取温度设置为470℃~490℃。粗轧阶段末道次压下率25.5%～26.5%，粗轧累计压下率73.5%～76.7%；精轧首道次压下率21.5%～23.8%，精轧累计压下率68.1%～70.8%。

所述冷却工序采用无反馈的集中冷却模式，在精轧末机架穿带前计算出开水组数，减少模型计算量，提高模型稳定性；设置层流冷却上下冷却集管水量比为（0.86～0.93）：1，使钢带上下表面冷却强度均衡，既保证了组织与性能的均匀性，又避免了C翘、弓背等板形问题。

所述控制轧制工序：为了对钢带提供一定张力保证板形与对中度，辊道速度应略大于钢带速度，会导致钢带仍有一定加速度；将辊道速度相对于钢带加速度设置为0.008～0.012m/s²，既保证了钢带的板形与对中度，又不至于使钢带速度变化过大、加开的冷却集管过多引起模型紊乱，保证了钢带长度方向上的冷却均匀性。

上述的组织及性能稳定的低成本大壁厚抗酸管线钢的生产方法，所述管线钢钢带厚度为17.0mm～19.0mm，组织以铁素体+贝氏体为主，其中铁素体+贝氏体体积比＞95%，晶粒度11～12级。

理论分析：

碳是钢中最经济、最有效的强化元素。但碳在冶炼过程中容易产生中心偏聚，致使钢板心部产生珠光体条带或M/A岛等氢原子聚集缺陷，导致抗HIC和SSCC性能大幅下降。本发明设计碳含量为0.03％～0.08％，若碳含量低于0.03％一方面转炉脱碳困难，增大冶炼难度；另一方面强度损失较大，钢板强度达不到要求；若高于0.08％则钢板的HIC和SSCC环境下腐蚀开裂风险成倍增加。本发明成分设计中去除了高成本的Cu、Ni、Cr元素，通过对Si、Mn、P、S元素、夹杂物以及连铸机状态的严格控制，减少Si、Mn、P、S元素偏析以及夹杂物对抗HIC实验的影响，并通过大量试验数据的对比分析，得出C含量对氢致开裂的影响，最佳C含量优选为0.05%～0.067%。

粗轧的末道次轧制出口温度设置：采用Gleeble3500热模拟试验机研究得出该级别管线钢高温应力应变曲线，确定变形温度在985℃～1088℃，并保证粗轧奥氏体充分再结晶，由此制定粗轧的最后道次轧制出口温度1015℃～1050℃，并将粗轧阶段末道次压下量提高到25.5%～26.5%。

精轧入口温度设置：采用Gleeble3500热模拟试验机研究得出该级别管线钢高温应力应变曲线，确定奥氏体未再结晶区温度为895～925℃，考虑到尽量避免精轧过程产生部分再结晶，由此制定制定精轧入口温度960℃～995℃，并将精轧首道次压下量降低至21.5%～23.8%。

终轧温度设置：采用Gleeble3500热模拟试验得出该级别管线钢奥氏体连续冷却转变曲线，得出双相区开始温度在730℃～810℃，故将终轧温度设置为815℃～835℃。

卷取温度选择：奥氏体连续冷却转变曲线，得出珠光体和魏氏组织出现的温度大于550℃，且为了避免晶粒过于细化导致的屈强比过高，选定卷取温度为470℃~490℃。

由于钢带较短，冷却模型无反馈，采用恒速轧制可进一步优化冷却模型。但为了对钢带提供一定张力保证板形与对中度，辊道速度应略大于钢带速度，会导致钢带仍有一定加速度；将辊道速度相对于钢带加速度为设置为0.008～0.012m/s²，既保证了钢带的板形与对中度，又不至于使钢带速度变化过大、加开的冷却集管过多引起模型紊乱，保证了钢带长度方向上的冷却均匀性。

在钢带运行过程中，由于重力原因，上表面的冷却强度大于下表面。设定上下冷却集管最佳水量比例在（0.86～0.93）：1，使下集管水量大于上集管水量，保证了钢带上下表面的冷却均匀性。

本发明的有益效果在于：

本发明在不添加贵金属的情况下，通过对Si、Mn、P、S元素、夹杂物以及连铸机状态的严格控制，减少Si、Mn、P、S元素偏析以及夹杂物对氢致裂纹的影响，从而得出C含量对氢致开裂的影响，得出最佳C含量优选为0.05%～0.067%；本发明通过对轧制工艺和冷却工艺的控制，解决了大壁厚抗酸管线钢组织沿厚度方向不均匀的问题，且生产成本更低，强度更高，规格更厚、性能更加稳定和优良，具有很强的实用性。

附图说明

图1是本发明目标钢种奥氏体连续冷却转变曲线图；

图2是本发明实施例1管线钢1/2厚度的微观组织图（500X）；

图3是本发明实施例2管线钢1/2厚度的微观组织图（500X）；

图4是本发明实施例3管线钢1/2厚度的微观组织图（500X）；

图5是本发明实施例4管线钢1/2厚度的微观组织图（500X）；

图6是本发明实施例5管线钢1/2厚度的微观组织图（500X）；

图7是本发明实施例6管线钢1/2厚度的微观组织图（500X）；

图8是本发明实施例7管线钢1/2厚度的微观组织图（500X）；

图9是本发明实施例8管线钢1/2厚度的微观组织图（500X）。

具体实施方式

本发明组织及性能稳定的低成本大壁厚抗酸管线钢，其主要成分的重量百分含量为：C 0.03%～0.08%，优选0.05～0.067%；Si 0.15%～0.20%，Mn 1.05%～1.15%， P＜0.01%，S＜0.002%，Nb 0.025%～0.035%，Ti 0.015%～0.025%，Al＜0.05%，Ca＜0.006%，其他为Fe和不可避免的微量杂质。

组织及性能稳定的低成本大壁厚抗酸管线钢的生产方法，包括炼钢～连铸、轧制、卷取和冷却，各工序的工艺如下所述：炼钢～连铸工序：所得铸坯主要成分的重量百分含量为：C 0.03%～0.08%，优选0.05～0.067%；Si 0.15%～0.20%，Mn 1.05%～1.15%， P＜0.01%，S＜0.002%，Nb 0.025%～0.035%，Ti 0.015%～0.025%，Al＜0.05%，Ca＜0.006%，其他为Fe和不可避免的微量杂质。

所述轧制工序：粗轧的最后道次轧制出口温度设置为1015℃～1050℃，粗轧阶段末道次压下率25.5%～26.5%，粗轧累计压下率73.5%～76.7%；精轧入口温度设置为960℃～995℃；精轧首道次压下率21.5%～23.8%，精轧累计压下率68.1%～70.8%；终轧温度设置为815℃～835℃；卷取温度设置为470℃~490℃。

冷却工序采用无反馈的集中冷却模式，在精轧末机架穿带前计算出开水组数，减少模型计算量，提高模型稳定性。设置层流冷却上下冷却集管水量比为（0.86～0.93）：1，使钢带上下表面冷却强度均衡，既保证了组织与性能的均匀性，又避免了C翘、弓背等板形问题。

由于钢带较短，冷却模型无反馈，采用恒速轧制可进一步优化冷却模型。但为了对钢带提供一定张力保证板形与对中度，辊道速度应略大于钢带速度，会导致钢带仍有一定加速度，将辊道速度相对于钢带加速度为设置为0.008～0.012m/s²，既保证了钢带的板形与对中度，又不至于使钢带速度变化过大、加开的冷却集管过多引起模型紊乱，保证了钢带长度方向上的冷却均匀性。

以下通过具体实施例对本发明作进一步的说明：

表1列出了实施例1～实施例8的大壁厚抗酸管线钢连铸坯的化学成分。

表1实施例1～8的化学成分(wt，％)

具体工艺参数如表2所示：

表2各实施例的制造方法工艺参数

将以上各实施例进行性能检测，其主要性能检测结果如表3所示，主要抗HIC和抗SSCC性能如表4所示。

表3各实施例主要性能检测结果

表4各实施例抗HIC和抗SSCC性能性能检测结果

从以上表3、表4的结果可以看出，本发明通过成分和工艺的组合控制，整体可以实现低成分体系下低成本、大壁厚、抗酸管线钢组织及性能的稳定。该发明不仅成本更低，强度更高，规格更厚、性能更加稳定和优良，而且生产难度小，而且极大提高生产效率和过程成本的控制。

由图2～图9可知，组织以铁素体＋贝氏体为主，其中铁素体+贝氏体体积比＞95%，无混晶现象，晶粒度为11.5级，晶粒细小。铁素体＋贝氏体组织以及细小的晶粒可以更好地起到细晶强化的作用。实施例1～实施例6无带状，实施例7、实施例8带状评级0.5（见图8～图9）。珠光体带的形成，对抗氢致裂纹不利，实施例7、实施例8抗HIC性能虽然合格，但已有微小的氢致裂纹。

当C≤0.04（实施例1和2）时，性能偏低，屈强比偏高；当C＞0.07%（实施例7和8）时，抗HIC性能虽然合格，但已有微小的氢致裂纹，且考虑到炼钢的实际控制水平，得出最佳C含量的优选范围是0.05%～0.067%。

Claims

1.组织及性能稳定的低成本大壁厚抗酸管线钢，其特征在于：管线钢主要成分的重量百分含量为：C 0.03%～0.08%，Si 0.15%～0.20%，Mn 1.05%～1.15%， P＜0.01%，S＜0.002%，Nb 0.025%～0.035%，Ti 0.015%～0.025%，Al＜0.05%，Ca＜0.006%，其他为Fe和不可避免的微量杂质。

2.如权利要求1所述的组织及性能稳定的低成本大壁厚抗酸管线钢，其特征在于：C含量优选范围为：0.05wt%～0.067wt%。

3.如权利要求1所述的组织及性能稳定的低成本大壁厚抗酸管线钢，所述管线钢钢带厚度为17mm～19mm，组织以铁素体+贝氏体为主，其中铁素体+贝氏体体积比＞95%，晶粒度11～12级。

4.组织及性能稳定的低成本大壁厚抗酸管线钢的生产方法，包括炼钢、连铸、轧制、卷取和冷却工序；其特征在于：所述连铸工序：铸坯主要成分的重量百分含量为：C 0.03%～0.08%，优选0.05%～0.067%；Si 0.15%～0.20%，Mn 1.05%～1.15%， P＜0.01%，S＜0.002%，Nb 0.025%～0.035%，Ti 0.015%～0.025%，Al＜0.05%，Ca＜0.006%，其他为Fe和不可避免的微量杂质。

5.如权利要求4所述的组织及性能稳定的低成本大壁厚抗酸管线钢的生产方法，其特征在于：所述轧制工序：粗轧的最后道次轧制出口温度设置为1015℃～1050℃，精轧入口温度设置为960℃～995℃；终轧温度设置为815℃～835℃。

6.如权利要求4所述的组织及性能稳定的低成本大壁厚抗酸管线钢的生产方法，其特征在于：所述卷取工序中，卷取温度设置为470℃~490℃。

7.如权利要求4或5所述的组织及性能稳定的低成本大壁厚抗酸管线钢的生产方法，其特征在于：所述轧制工序：粗轧阶段末道次压下率25.5%～26.5%，粗轧累计压下率73.5%～76.7%；精轧首道次压下率21.5%～23.8%，精轧累计压下率68.1%～70.8%。

8.如权利要求4或5所述的组织及性能稳定的低成本大壁厚抗酸管线钢的生产方法，其特征在于：所述轧制工序，辊道速度大于钢带速度，辊道速度相对于钢带加速度为0.008～0.012m/s²。

9.如权利要求4所述的组织及性能稳定的低成本大壁厚抗酸管线钢的生产方法，其特征在于：所述冷却工序设置层流冷却上下冷却集管水量比为（0.86～0.93）：1。