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CN111286672B - 一种针状铁素体型x60级抗hic管线钢及其轧制方法 - Google Patents

一种针状铁素体型x60级抗hic管线钢及其轧制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种针状铁素体型X60级抗HIC管线钢及其制造方法，属于特殊用途管线钢的轧钢技术领域。管线钢的化学成分按重量百分比为C：0.03%‑0.06%，Si：0.15%‑0.30%，Mn：0.60‑1.00%，P≤0.012%，S≤0.003%，Al：0.02%‑0.04%，Nb：0.02%‑0.04%，Ti：0.010%‑0.020%，Cr：0.20%‑0.50%，Mo：0.10%‑0.20%，Cu：0.15%‑0.30%，同时满足Nb+Ti：0.04%‑0.06%，Cr+Mo+Cu：0.45%‑1.00%，余量为Fe和不可避免的杂质。

Description

一种针状铁素体型X60级抗HIC管线钢及其轧制方法
技术领域
本发明属于轧钢技术领域，涉及特殊用途管线钢的轧制方法，具体为一种针状铁素体型X60级抗酸管线钢的轧制方法。
背景技术
抗酸管线钢主要应用于输送含有H2S/CO2等酸性介质的石油和天然气管道建设，由于输送介质中的H2S/CO2容易引起管道发生氢鼓泡(HB)、氢致开裂(HIC)、硫化物应力腐蚀开裂(SSCC)和应力导向氢致开裂(SOHIC)等腐蚀行为，严重影响管道的输送安全。因此对抗酸管线钢的化学成分、冶金质量、显微组织控制等要求极高，生产难度较大。
近年来，随着油气资源需求量的大幅度增加，富含硫的陆上和海上油气田已逐步开发，这些油田的油气大都是含有H2S、CO2等腐蚀介质共存的重度腐蚀油气。出于安全考虑，世界各国加大了抗HIC管线钢与钢管的开发。影响管线钢抗HIC性能的主要因素有化学成分、钢中非金属夹杂物和显微组织类型，化学成分主要是Mn和S、P杂质元素含量，ISO国际标准和API 5L标准对抗酸管线钢的化学成分做了严格要求，并且化学成分和夹杂物可以通过冶炼工艺加以控制，而显微组织类型需要通过特殊轧制工艺才能实现。目前，关于X60级抗HIC管线钢制造和轧制工艺的文献和专利很多，但针状铁素体型X60级抗HIC管线钢还未见有报道。专利CN108893677A公布了一种抗酸管线钢及生产方法，其化学成分与本专利存在较大差异，且其显微组织为贝氏体+少量铁素体组织，但其钢级没有指出；发明专利CN200510023651.3公布了一种酸性环境用X65管线钢及其制造方法，其化学成分与本专利差别较大，并且其轧制工艺与本专利明显不同，其显微组织类型没有明确；专利CN110541109A介绍了一种海底用抗酸管线钢X60MOS及其生产方法，其化学成分及轧制工艺与本专利不同；专利CN109811258A介绍了一种深海抗酸管线钢及轧制方法，其化学成分和轧制工艺与本专利显著不同，其显微组织为铁素体+珠光体类型。
文献：孔祥磊,黄国建,徐烽.酸性环境用X60管线钢热轧卷板的研制[J].金属热处理,2012(11):55-59.介绍了在X60酸性环境用管线钢的研究，该文献中X60管线钢的化学成分与本专利不符，且其显微组织为铁素体+少量珠光体组织；硕士论文：陈本文.X60级管线钢生产工艺路线优化[D].辽宁科技大学,2012.介绍了X60级抗酸管线钢的冶炼工艺，没有介绍其轧制工艺；同样，硕士论文：吕建华.X60管线钢的试验研究及其生产试制[D].2007.介绍了普通X60管线钢的制造方法，其化学成分和显微组织与本专利不同，并且不涉及抗酸性能。
发明内容
本发明的目的在于解决目前通用的铁素体+珠光体型双相X60级管线钢抗HIC性能容易腐蚀开裂的问题，结合先进的控制轧制工艺(TMCP)，提出了一种针状铁素体型X60级抗酸管线钢及其轧制方法，通过严格控制X60级管线钢的轧制温度和加速冷却工艺参数，获得细晶针状铁素体组织，从而提高X60级管线钢的抗HIC的性能，从根本上解决了铁素体+珠光体型抗HIC管线钢中珠光体组织诱发的HIC开裂倾向。
为达到上述技术目标，本发明具体通过以下技术方案实现：
一种针状铁素体型X60级抗HIC管线钢，化学成分按照重量百分比计包括：C：0.03％-0.06％，Si：0.15％-0.30％，Mn：0.60-1.00％，P≤0.012％，S≤0.003％，Al：0.02％-0.04％，Nb：0.02％-0.04％，Ti：0.010％-0.020％，Cr：0.20％-0.50％，Mo：0.10％-0.20％，Cu：0.15％-0.30％，同时满足Nb+Ti：0.04％-0.06％，Cr+Mo+Cu：0.45％-1.00％，余量为Fe和不可避免的杂质；管线钢显微组织为针状铁素体，厚度尺寸范围为10～20mm。
一种针状铁素体型X60级抗HIC管线钢的轧制方法，包括以下步骤：
步骤1冶炼钢水，钢水的化学成分按照重量百分比计包括：C：0.03％-0.06％，Si：0.15％-0.30％，Mn：0.60-1.00％，P≤0.012％，S≤0.003％，Al：0.02％-0.04％，Nb：0.02％-0.04％，Ti：0.010％-0.020％，Cr：0.20％-0.50％，Mo：0.10％-0.20％，Cu：0.15％-0.30％，同时满足Nb+Ti：0.04％-0.06％，Cr+Mo+Cu：0.45％-1.00％，余量为Fe和不可避免的杂质，成分达标后保护浇铸成连铸坯；
步骤2将步骤1得到的连铸坯加热到1170℃～1250℃，加热和保温时间不低于0.8min/mm；
步骤3对步骤2的加热连铸坯在粗轧机上进行粗轧，粗轧轧制温度应控制在1000℃～1130℃范围，中间坯厚度应控制在3.5t～4.5t范围，t为成品钢板厚度；
步骤4将步骤3粗轧后的中间坯待温后进行精轧，精轧入口温度控制在950℃～1000℃范围，终轧温度控制在针状铁素体相变温度Ar3以上；
步骤5将步骤4精轧后的钢板进行加速冷却，冷却速度范围应控制在针状铁素体相变区间。
步骤6将步骤5冷却后的钢板进行卷取。
进一步的，所述的针状铁素体型X60级管线钢的轧制工艺中，精轧入口温度应控制在950℃～980℃范围，终轧温度控制在850～880℃，平均道次压下率不小于20％，最后两道次压下率不低于10％。
进一步的，所述的针状铁素体型X60级管线钢的轧制工艺中，步骤5将钢板精轧后进行加速冷却，加速冷却入口温度应高于针状铁素体相变开始温度841℃，加速冷却速度应控轧在13℃/s～20℃/s针状铁素体相变范围，终冷温度应控制在350℃～400℃范围，即在针状铁素体相变完成以下温度。
本发明的目的是为解决目前国内外生产的X60抗HIC管线钢中铁素体+珠光体组织容易导致开裂和抗HIC性能不稳定的问题，在成分设计上，降低C、Mn等促进珠光体相变元素含量，提高Nb、Mo等促进针状铁素体形成合金元素含量，从合金设计上抑制珠光体形成。此外，严格控制轧制工艺，使轧制和冷却工艺易于针状铁素体的形成和组织细化，从而提高抗HIC性能。
有益效果
本发明的有益效果为：
(1)本发明通过TMCP轧制工艺，使目前通用的X60级抗HIC管线钢的铁素体+珠光体型显微组织转变为针状铁素体显微组织，解决了铁素体+珠光体型显微组织中脆性珠光体诱发抗HIC开裂的难题。
(2)针状铁素体组织比铁素体+珠光体组织更加细小，大大提高了X60级管线钢的冲击、弯曲、拉伸以及落锤撕裂等综合的力学性能。
(3)与常规珠光体+铁素体型管线钢相比，针状铁素体型X60级抗HIC管线钢具有显著的经济效益，TMCP工艺轧后较珠光体+铁素体组织采用更快的加速冷却速度，在提高管线钢强度和韧性的同时，可有效降低钢中贵重合金元素的添加量，降低了合金成本。
附图说明
图1为本发明X60级抗HIC管线钢化学成分的CCT曲线；
图2为实施案例1的针状铁素体显微组织图；
图3为实施案例2的针状铁素体显微组织图；
图4为实施案列3的针状铁素体显微组织图；
图5为对比案例的珠光体+铁素体显微组织图。
具体实施方式
下面将结合本发明具体的实施例，对本发明技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
选择X60管线钢为试验材料，其主要化学成分为(wt％)C：0.03％-0.06％，Si：0.15％-0.30％，Mn：0.60-1.00％，P≤0.012％，S≤0.003％，Al：0.02％-0.04％，Nb：0.02％-0.04％，Ti：0.010％-0.020％，Cr：0.20％-0.50％，Mo：0.10％-0.20％，Cu：0.15％-0.30％，同时满足Nb+Ti：0.04％-0.06％，Cr+Mo+Cu：0.45％-1.00％，，余量为Fe和不可避免的杂质，分别采用本发明技术与传统轧制工艺案例对比。
按照上述化学成分，采用转炉-RH/LF精炼-连铸冶炼工艺，浇铸成连铸坯，采用热模拟方法绘制X60级抗HIC管线钢的CCT曲线，见图1，确定针状铁素体组织相变温度范围和加速冷却工艺分别为841℃～523℃和13℃/s～20℃/s。经过连铸坯加热、粗轧、精轧和加速冷却后，按照NACE TM0284-2011(A溶液)标准，进行X60级管线钢抗HIC试验，并统计计算抗HIC性能指标的裂纹敏感率(CSR)、裂纹长度率(CLR)和裂纹厚度率(CTR)。
实施案例1
连铸坯化学成分为：C：0.03％，Si：0.15％，Mn：0.60％，P：0.010％，S：0.002％，Al：0.02％，Nb：0.025％，Ti：0.015％，Cr：0.25％，Mo：0.10％，Cu：0.15％，余量为Fe和不可避免的杂质；连铸坯加热温度为1200℃，保温系数0.9min/mm，粗轧入口温度1130℃，粗轧单道次压下量20％，压缩比2.5；精轧入口920℃，终轧温度880℃，压缩比4.6；冷却开始温度860℃，冷却速率13℃/s，终冷温度380℃。
实施案例2：
连铸坯化学成分为：C：0.05％，Si：0.25％，Mn：0.80％，P：0.009％，S：0.002％，Al：0.03％，Nb:0.040％，Ti：0.015％，Cr：0.40％，Mo：0.15％，Cu：0.15％，余量为Fe和不可避免的杂质；连铸坯加热温度为1170℃，保温系数0.9min/mm，粗轧入口温度1080℃，粗轧单道次压下量20％，压缩比2.5；精轧入口910℃，终轧温度875摄氏度，压缩比4.6；冷却开始温度856℃，冷却速率15℃/s，终冷温度355℃。
实施案例3：
连铸坯化学成分为：C：0.06％，Si：0.25％，Mn：0.80％，P：0.009％，S：0.002％，Al：0.03％，Nb：0.040％，Ti：0.020％，Cr:0.40％，Mo：0.20％，Cu：0.25％，余量为Fe和不可避免的杂质；连铸坯加热温度为1150℃，保温系数0.9min/mm，粗轧入口温度1000℃，粗轧单道次压下量20％，压缩比2.5；精轧入口910℃，终轧温度855℃，压缩比4.6；冷却开始温度845℃，冷却速率20℃/s，终冷温度378℃。
对比案例：
连铸坯化学成分为：C：0.07％，Si：0.25％，Mn：1.40％，P：0.009％，S：0.002％，Al：0.03％，Nb：0.020，Ti：0.010％，Cr:0.15％，Mo：0.15％，Cu：0.10％，余量为Fe和不可避免的杂质；采用常规X60级抗HIC管线钢的轧制工艺，主要工艺为连铸坯加热温度1200℃，保温系数0.9min/mm，粗轧入口温度1100℃，粗轧单道次压下量20％，压缩比2.5；精轧入口930℃，终轧温度900℃，压缩比4.6；冷却开始温度880℃，冷却速率5℃/s，终冷温度为510℃。
实施效果：
实施案例1～实施案例3均获得了针状铁素体组织，由于实施案例1中冷却速度相对较慢一些，获得的针状铁素体晶粒尺寸较实施案例2和3粗大，见图2～图4。另外，对比案例获得的显微组织为铁素体+珠光体组织，铁素体晶粒粗大，见图5。
表1为本发明实施案例和对比案例所获得的X60级管线钢的抗HIC性能，与对比案例相比，实施案例管线钢均具有优异的抗HIC性能，各项抗HIC性能指标满足标准要求，而对比案例中管线钢的裂纹长度率(CLR)指标不满足标准要求。
表1本发明实施案例和对比案例X60级管线钢的抗HIC性能
类别 CSR(％) CLR(％) CTR(％)
实施案例1 0 1.1 0.6
实施案例2 0 0 0
实施案例3 0 0 0
对比案例1 0.6 26.7 1.2
标准要求 ≤2 ≤15 ≤5
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种针状铁素体型 X60 级抗 HIC 管线钢，其特征在于，管线钢的化学成分按照重量百分比计包括： C ： 0.03%-0.06% ， Si ：0.15%-0.30% ，Mn： 0.60-1.00% ， P ≤0.012% ， S ≤ 0.003% ， Al ：0.02%-0.04%，Nb：0.02%-0.04%，Ti：0.010%-0.020%，Cr：0.20%-0.50%，Mo：0.10%-0.15%，Cu：0.15%-0.30%，同时满足Nb+Ti：0.04%-0.06%，Cr+Mo+Cu：0.45%-1.00%，余量为 Fe 和不可避免的杂质；管线钢显微组织为针状铁素体，厚度尺寸范围为 10~20mm；
所述针状铁素体型 X60 级抗 HIC 管线钢，包括以下步骤：
步骤 1 按照上述 针状铁素体型 X60 级抗 HIC管线钢的化学成分及其重量百分比经冶炼、保护浇铸，得到连铸坯；
步骤 2 将步骤 1 得到的连铸坯加热到 1170℃~1250℃，加热和保温时间不低于0.8min/mm；
步骤 3 将步骤 2 的加热连铸坯在粗轧机上进行粗轧开坯，粗轧轧制温度应控制在1000℃~1130℃范围，中间坯厚度应控制在3.5t~4.5t 范围，t 为成品钢板厚度；
步骤 4 将步骤 3 粗轧后的中间坯进行精轧，精轧入口温度控制在 950℃~1000℃范围，终轧温度控制在针状铁素体相变温度 Ar3 以上；
步骤 5 将步骤 4 精轧后的钢板进行加速冷却，冷却速度范围控制在针状铁素体相变区间；
步骤 6 将步骤 5 冷却后的钢板进行卷取。
2.如权利要求 1 所述的一种针状铁素体型 X60 级抗 HIC 管线钢，其特征在于：在步骤 4 中精轧入口温度控制在950℃~980℃范围，终轧温度控制在 850~880℃范围，为细化晶粒，精轧平均道次压下率不小于 20%，最后两道次压下率不低于 10%。
3.如权利要求 1 所述的一种针状铁素体型 X60 级抗 HIC 管线钢，其特征在于：在步骤 5 中，将钢板精轧后进行加速冷却，加速冷却入口温度应高于针状铁素体相变开始温度841℃，加速冷却速度应控制在 13℃/s~20℃/s 针状铁素体相变范围，终冷温度应控制在350℃~400℃范围，即在针状铁素体相变完成以下温度。
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