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CN1840287A - 高强度高韧性管道用无缝钢管的制造方法 - Google Patents

高强度高韧性管道用无缝钢管的制造方法 Download PDF

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CN1840287A
CN1840287A CNA2005100598548A CN200510059854A CN1840287A CN 1840287 A CN1840287 A CN 1840287A CN A2005100598548 A CNA2005100598548 A CN A2005100598548A CN 200510059854 A CN200510059854 A CN 200510059854A CN 1840287 A CN1840287 A CN 1840287A
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seamless steel
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toughness
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村濑恒夫
近藤邦夫
久宗信之
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Nippon Steel Corp
Original Assignee
Sumitomo Metal Industries Ltd
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Abstract

本发明提供一种高强度高韧性管道用无缝钢管的制造方法，包括以下工序：(1)将(a)式：CEQ＝C+Mn/6＋(Cu＋Ni)/15＋(Cr＋Mo＋V)/5[％]…(a)所定义的碳等量Ceq为 0.60重量％以下的钢坯加热穿孔后在950℃以上经热轧制成无缝钢管；(2)将上述无缝钢管不经冷却至Ar3点以下就立即放入温度被保持在(Ar3点+50℃)～1100℃的炉内加热；(3)以5℃/sec以上的冷却速度进行冷却，并(4)在550℃～Ac1点的温度间进行回火。根据本发明，可以制造出具有良好的强度和韧性，且强度偏差小的无缝钢管。因而，在焊接施工中，可以非常有效地采用为寒冷地区的管道用无缝钢管。

Description

高强度高韧性管道用无缝钢管的制造方法
技术领域
本发明涉及一种管道用无缝钢管的制造方法，特别是关于要求具有高强度和优良韧性的管道用无缝钢管的制造方法。
技术背景
以往为得到高强度而且具有优良韧性的钢材，通常采用在热轧后，经过Ar1点以下的冷却后，再加热并进行淬火-回火处理(下称「再加热淬火法」)或控制轧制等方法使得组织细粒化。
通过再加热淬火法使得组织细粒化来制造API规格，X60以上的高强度管道时，必需添加Ti，Nb等加强析出的元素或Cr，Mo，Cu，Ni等提高淬硬性的元素。
但是，过度添加这些元素会引起管端焊接部分的韧性劣化和焊接时出现裂缝。因此对于添加量有较多限制，从而高强度化本身也就存在一定极限。
另一方面，采用控制轧制达到以组织细粒化的方法，必需进行在Ar1～Ar3点的二相温度域中精轧制。但是无缝钢管的轧制中润滑比较困难使得精轧制的温度难以降低，因而无法得到充分的细粒组织。
为此，轧制后不经过再加热而进行淬火的所谓「直接淬火法」被提案为上述方法的替代方法。但是此方法也有可能由于轧制后的温度不均匀而在钢管长度以及圆周方向上产生强度偏差。
作为对策，在如特开平9-287029号公报中公开了一种采用通过轧制后放入炉内保温从而使得强度没有偏差的无缝钢管的制造方法。
但是，经本发明者进一步研究得到的结果发现，采用特开平9-287029号公报所提出的方法大量生产的无缝钢管之间的强度偏差仍然比较大，必须加以控制。例如，根据特开平9-287029号公报所提出的方法制成的钢管，将会出现屈服强度在13～20MPa，拉伸强度在9～16MPa范围的偏差。
发明内容
在此，本发明的目的是为了提供一种在大批量生产的情况下，也能实现钢管间的偏差小，且高强度高韧性管道用无缝钢管的制造方法。
本发明者为了解决上述课题经过反复研究的结果发现：随着精轧制温度变动，Ti，Nb，V元素的析出发生变动，导致钢管间的强度发生较大偏差。即，就Ti，Nb而言，(1)利用直接淬火法(包括进行保温的情况)，在淬火时一部分作为碳氮化物析出，其析出量和固溶状态的量受到精轧制温度和钢中N量的影响。(2)淬火时析出的碳氮化物，在此后的回火时凝固粗大化，无法提高强度。以及(3)淬火时固溶状态的Ti，Nb在此后的回火时发生细微析出，显示高强度化的行为。因而可知钢的强度是随着Ti，Nb添加量以及精轧制温度的变动而产生偏差。另一方面，就V而言，(4)淬火时几乎呈固溶状态，在此后的回火时发生细微析出，显示高强度化的行为，因而钢即使含V，此强度受精轧制温度变动的影响不大。
本发明根据以上的见解而得出的，其主要内容如下：
高强度高韧性管道用无缝钢管的制造方法，其特征为包括以下工序：
(1)将(a)式：
CEQ＝C+Mn/6+(Cu+Ni)/15+(Cr+Mo+V)/5[％]…(a)
所定义的碳等量Ceq为0.60重量％以下(本详细说明书中的「％」在没有特别注明情况下定义为「重量％」)的钢坯加热穿孔后在950℃以上经热轧制成无缝钢管；
(2)将上述无缝钢管不经冷却至Ar3点以下就立即放入温度被保持在(Ar3点+50℃)～1100℃的炉内进行加热；
(3)以5℃/sec以上的冷却速度进行冷却，并
(4)在550℃～Ac1点的温度间进行回火。
此外根据需要，在本发明的方法中，可以用由，以重量百分比为基准，C：0.02～0.15％，Si：1.0％以下，Mn：0.3～2.5％，P：0.015％以下，S：0.010％以下，Ti：0～0.10％，Nb：0～0.05％，V：0.01～0.10％，Al：0.001～0.1％，N：0.006％以下，残余为Fe以及不可避免的杂质而组成的钢坯，制成高强度高韧性管道用无缝钢管。
此外根据需要，在本发明的方法中，还可以用由，以重量百分比为基准，选自Cr：1.0％以下，Mo：1.0％以下，Cu：1.0％以下，Ni：1.0％以下，B：0.003％以下及Ca：0.005％以下中的一种或多种元素，残余为Fe以及不可避免的杂质而组成的钢坯，制成高强度高韧性管道用无缝钢管。
具体实施方式
以下详细说明本发明的管道用无缝钢管的制造方法的实施方式。首先，说明限定所采用钢坯的组成的理由。
碳等量(Ceq)：0.60％以下
以上(a)式所规定的碳等量在0.60％以下，是为了确保钢管的焊接性。管道用无缝钢管通常在铺设管道现场进行周焊接。碳等量过大的钢管在焊接时易发生裂缝问题。为了防止裂缝必须对钢管进行预热。碳等量在0.60％以下时，无需预热作业即可进行周焊接。
C：0.02～0.15％
C是提高钢的强度必须添加的元素。为确保必要的强度其添加量需0.02％以上。另一方面当超过0.15％时，母材及焊接部的热影响部分将会发生韧性降低现象，为此本发明中C含量限定在0.02％以上0.15％以下。
Si：1.0％以下
Si主要是以脱氧为目的而添加，还有利于提高强度。但是当Si含量超过1.0％时，母材及焊接部的热影响部分将会发生韧性降低现象，为此本发明中Si含量限定在1.0％以下。
Mn：0.3～2.5％
Mn是确保钢的强度和韧性的有效元素，但低于0.3％以下时不能得到预期效果。另一方面当Mn含量超过2.5％时，母材韧性将会降低，为此本发明中Mn含量限定在0.3％以上2.5％以下。
P：0.015％以下
P是钢中所存在的杂质，会使母材韧性降低的元素。尽可能少为好。但是如要极度地降低其含量将会导致成本的增加。为此，本发明中P的含量限定在0.015％以下。
S：0.010％以下
S和P相同，是钢中所存在的杂质，会使母材韧性降低的元素。尽可能少为好，但是如要极度地降低其含量将会导致成本的增加。为此本发明中S的含量限定在0.010％以下。
Ti：0～0.10％
Ti不是必需添加的元素。但是适当的添加以及通过下述的精轧制温度的管理，可在减少强度的偏差的同时增强析出，进而能提高强度。但Ti添加量超过0.10％时，过度的增强析出也会降低韧性。为此，本发明中Ti的含量限定在0％以上0.10％以下。
Nb：0～0.05％
Nb和Ti相同不是必需添加的元素。但是适当的添加以及通过下述的精轧制温度的管理，可在减少强度的偏差的同时增强析出，并且能通过结晶粒的细粒化提高韧性。但Nb添加量超过0.05％时，也会降低韧性。为此，本发明中Nb的含量限定在0％以上0.05％以下。
V：0.01～0.10％
如同上述，V在淬火时几乎呈固溶状态，回火时析出，因此几乎不受精轧制温度的影响而能够提高强度。但V含量不满0.01％时效果不佳。另一方面当超过0.10％时过度的析出会使韧性劣化，为此本发明中V含量限定在0.01％以上0.10％以下。
Al：0.001～0.1％
Al是主要以脱氧为目的而添加，不满0.001％使得脱氧不足将导致钢质劣化。但是含量超过0.1％后，脱氧效果几乎不变，反而增加中间物而使韧性劣化，为此本发明中Al含量限定在0.001％以上0.1％以下。
N：0.006％以下
N是钢中所存在的杂质，在添加Ti时，与Ti结合以TiN形式固定下来，所产生的不良影响较小。另一方面，在没有添加Ti情况下，回火时以V氮化物形式析出，有利于提高强度。但是不论何种情况，N的含量超过0.006％时，将会增加粗大的夹杂物使得韧性劣化。为此本发明中N含量限定在0.006％以下。
本发明所采用的钢坯中，作为任意添加的元素，还可以含有Cr，Mo，Cu，Ni，B及Ca中任何一种或二种以上的元素。以下对于这些任意添加元素加以说明。这些任意添加元素不是必要添加元素。通过向基本成份中再添加任意元素，会进一步提高强度和韧性。
Cr：1.0％以下
Cr是提高淬硬性的元素。添加后能够达到高强度化，但Cr的含量超过1.0％会引起焊接部分韧性劣化。为此在添加Cr的情况下，Cr含量限定在1.0％以下为佳。
Mo：1.0％以下
与Cr相同，Mo是提高淬硬性的元素。添加后能够达到高强度化，但Mo的含量超过1.0％会引起焊接部分韧性劣化，为此在添加Mo的情况下，其含量限定在1.0％以下为佳。
Cu：1.0％以下
Cu是在高强度化的同时提高耐腐蚀的元素。但过量添加会增加材料成本而且现场焊接性劣化，为此在添加Cu的情况下，其含量限定在1.0％以下为佳。
Ni：1.0％以下
Ni是能够在韧性不劣化情况下实现高强度化，但过量添加会增加材料成本而且现场焊接性劣化，为此在添加Ni的情况下，其含量限定在1.0％以下为佳。
B：0.003％以下
添加少量B能提高淬硬性，但添加超过0.003％以上会使得母材以及焊接热影响部分的韧性降低，为此在添加B的情况下，其含量限定在0.003％以下为佳。
Ca：0.005％以下
Ca与钢中的S起反应后产生硫化物，但不会产生轧制方向的延伸，在轧制后依然保持球状。因此，能够抑制以如MnS那样延伸的夹杂物的顶端为起始点的氢气诱发裂缝的发生，但过量添加会影响钢的纯洁性及母材的韧性劣化，为此，在添加Ca的情况下，其含量限定在0.005％以下为佳。
本发明中所使用的钢坯除了上述的成份之外，余下成份为Fe和不可避免的杂质。本发明对有这样的钢组成的钢坯，进行制管、加热保持、淬火以及回火的加工。以下按加工顺序加以说明。
制管工序
首先，作为原材料的钢锭制造以及对此钢锭穿孔制成中空原始管的工序中，可采用原有的技术，没有任何限制。比如由连续铸造机铸造的钢锭加热至1100～1300℃，使用如倾斜滚动轧机的穿孔机制成中空原始管即可。
对于延伸轧制以及精轧的方法也可以采用现有的技术，没有任何限制。比如采用曼内斯曼芯棒式无缝管轧机方式，使用连续钢管轧机进行延伸轧制后，再使用定径机或缩径轧制机进行精轧，调整尺寸即可。
在此，关于精轧温度，从结晶粒的细粒化观点来看希望越低越好，但精轧温度低于950℃时，Ti，Nb，V的碳氮化物的一部分将会析出，在回火工序时产生粗大化，不利于强度提高，是导致强度偏差发生的一大原因。在此，本发明对于精轧温度限定在950℃以上。
加热保持工序
精轧后立即加以淬火的直接淬火法中，虽然因轧制后的组织粗大使得淬硬性得以提高，而容易达到高强度化，但会引起轧制后的温度不均，可能导致钢管的长度方向和圆周方向的强度发生偏差。因此，本发明将淬火前得到的钢管装入炉内进行均匀加热工序。
但是，在从精轧结束后到被装入加热炉之前的这一段时间里，如钢管被冷却至Ar3点以下，将会析出一部分铁酸盐，导致无法得到必要的强度。因此，本发明中，精轧后的钢管不经冷却至Ar3点以下就立刻被装入炉内。
另外，炉内温度未达到(Ar3点+50℃)时，会发生强度偏差。另一方面，炉内温度超过1100℃时发生结晶粒成长，导致韧性劣化。在此，本发明要求炉内温度在(Ar3点+50℃)以上1100℃以下。
淬火工序
在炉内均匀加热后的钢管，以5℃/sec以上的冷却速度冷却至如常温进行淬火。如果此淬火时的冷却速度未能达到5℃/sec时，将会得不到含有马氏体和贝氏体的组织，也就无法达到必要的强度。
回火工序
为了使得淬火时在固溶状态中的Ti，Nb，V的碳氮化物完全析出，实现高强度化，回火温度必须达到550℃以上。但是，回火温度超过Ac1点时，反而导致强度降低。因此，本发明将回火温度限制在550℃以上Ac1点以下。
如遵循以上要求，本发明可以对所制造的无缝钢管之间的强度偏差抑制在屈服强度9～15MPa及拉伸强度7～14MPa的范围内。因此，即使在大量生产时，也能够制造出钢管之间偏差小，同时拥有高强度和优良韧性的管道用无缝钢管。
[实施例]
下面，参考本发明的实施例基，进一步详细加以说明。将表1中所表示成份的钢投入150吨转炉中溶解后，用连续铸造机中制成钢锭，使用倾斜滚动穿孔机制成中空原始管。对中空原始管采用芯棒式无缝管轧机和定径机进行表2的热轧和热处理后，制成外经323.9mm，厚15.88mm的无缝钢管各10根。
在这些钢管中取得JIS12号拉伸试样片和JIS4号夏比试样片，求得各个试样片的屈服强度，拉伸强度，夏比断口转移温度(下称vTrs)以及它们之间偏差。其结果在表2中列出。
表2列示的本发明的无缝钢管(试样编号1～22)具有400MPa以上的屈服强度和-50℃以下的vTrs，并且强度偏差也被抑制在屈服强度15MPa以下及拉伸强度14MPa以下。
相对于本发明的钢管，比较例(试样编号23～36)显示出低强度及高vTrs，或者，屈服强度在9～33MPa，拉伸强度在7～34MPa的较大偏差。
由此可知，根据本发明的方法所制造的无缝钢管的强度偏差被明显抑制。
[发明的效果]
根据本发明可以制造出具有良好的强度和韧性，且强度偏差小的无缝钢管。因而，在焊接施工中，可以非常有效地采用为寒冷地区的管道用无缝钢管。
                                                                                表1
钢 化学成分(重量％)   变态点(℃)
  记号   C   Si   Mn   P   S   Ti   Nb   V   Al   N   其他   Ceq   Al   A3
  本发明   A   0.06   0.21   1.23   0.012   0.003   0.025   -   0.02   0.030   0.0042   -   0.269   724   861
  B   0.06   0.18   1.10   0.011   0.002   -   0.006   0.03   0.027   0.0038   -   0.249   726   862
  C   0.05   0.22   1.30   0.012   0.003   -   -   0.04   0.029   0.0032   Cu：0.25，Ni：0.22   0.306   717   852
  D   0.06   0.21   1.29   0.011   0.002   -   -   0.04   0.027   0.0037   Cr：0.19，Mo：0.09   0.339   725   854
  E   0.05   0.19   1.30   0.010   0.001   -   -   0.03   0.031   0.0035   Cu：0.27，Ni：0.20，Ca：0.0030   0.304   716   850
  F   0.10   0.25   1.44   0.014   0.004   -   -   0.05   0.021   0.0037   Cr：0.27 Mo：0.10   0.424   722   843
  A   0.12   0.19   1.45   0.010   0.002   -   -   0.08   0.031   0.0026   Cr：0.25 Mo：0.12   0.452   719   833
                                                                                              表2
  式样编号   钢编号   精轧温度℃   装炉前温度℃   炉内温度℃   冷却速度℃   回火温度℃   屈服强度MPa   拉伸强度MPa   断口转移温度℃
  最大   最小   平均   最大   最小   平均   最大   最小   平均   最大   最小   平均
本发明   1   A   980   930   950   40   600   449   464   455.0   15   550   564   555.2   14   -64   -56   -59.5   8
  2   A   980   930   970   40   600   456   470   463.5   14   558   571   565.5   13   -59   -50   -54.5   9
  3   A   980   930   970   40   700   447   461   456.2   14   548   559   556.6   11   -60   -53   -56.5   7
  4   A   1000   940   960   40   600   456   467   462.5   11   558   567   564.3   9   -57   -51   -54.4   6
  5   A   1000   940   980   40   600   462   471   466.9   9   565   573   569.7   8   -56   -50   -52.7   6
  6   A   1000   940   980   40   700   457   469   463.9   12   559   570   566.0   11   -59   -52   -55.2   7
  7   B   980   930   970   40   600   447   460   453.9   13   553   564   558.2   11   -61   -52   -55.8   9
  8   B   980   930   970   40   700   444   452   448.6   8   546   555   550.3   9   -60   -53   -56.2   7
  9   C   980   930   950   40   600   467   481   476.2   14   562   574   571.0   12   -65   -58   -61.5   7
  10   C   980   930   970   40   600   476   491   482.0   15   573   587   577.9   14   -68   -60   -63.5   8
  11   C   980   930   970   40   700   472   484   478.9   12   568   578   574.2   10   -68   -61   -64.2   7
  12   C   1000   940   950   40   600   478   489   484.5   11   577   584   580.9   7   -65   -59   -62.4   6
  13   C   1000   940   980   40   600   485   499   482.5   14   584   596   590.5   12   -65   -56   -60.5   9
  14   C   1000   940   980   40   700   481   490   485.8   9   578   586   582.5   8   -64   -58   -61.0   6
  15   D   980   930   970   40   600   491   504   497.6   13   598   610   606.2   12   -68   -59   -63.8   9
  16   D   980   930   970   40   700   489   499   492.7   10   594   605   600.9   11   -71   -64   -66.0   7
  17   E   980   930   970   40   600   480   492   485.6   12   576   586   583.5   10   -65   -56   -60.5   9
  18   E   980   930   970   40   700   476   487   482.3   11   574   582   578.7   8   -68   -60   -64.3   8
  19   F   980   930   970   40   600   494   509   502.2   15   626   640   632.9   14   -60   -51   -55.3   9
  20   F   980   930   970   40   700   488   501   495.6   13   616   629   622.7   13   -64   -54   -57.4   10
  21   G   980   930   970   40   600   528   543   535.1   15   678   691   684.7   13   -52   -44   -48.9   8
  22   G   980   930   970   40   700   521   535   529.0   14   669   683   677.8   14   -55   -45   -50.6   10
数字下面有划线的，表示本发明所定范围以外
                                              表2(续)
  式样编号   钢编号   精轧温度℃   装炉前温度℃   炉内温度℃   冷却速度℃   回火温度℃   屈服强度MPa   拉伸强度MPa   断口转移温度℃
  最大   最小   平均   最大   最小   平均   最大   最小   平均   最大   最小   平均
  比较例   23   A   930   900   950   40   600   436   469   452.4   33   535   569   552.0   34   -68   -52   -58.8   16
  24   A   980   800   970   40   600   386   400   393.5   14   472   485   480.1   13   -75   -66   -70.5   9
  25   A   980   930   850   40   600   430   457   446.5   27   527   554   544.8   27   -67   -53   -59.1   14
  26   A   980   930   1150   40   600   499   511   505.6   12   610   621   616.9   11   -36   -28   -32.3   8
  27   A   980   930   980   1   600   350   360   355.0   10   429   436   433.2   7   -82   -76   -78.7   6
  28   A   980   930   980   40   500   434   466   440.0   12   531   544   536.9   13   -56   -49   -51.8   7
  29   A   980   930   980   40   750   423   436   430.0   13   518   529   524.7   11   -68   -60   -63.3   8
  30   C   930   900   950   40   600   459   489   474.3   30   553   582   568.7   29   -70   -57   -62.8   13
  31   C   980   800   970   40   600   408   423   415.6   15   493   505   498.3   12   -83   -73   -78.4   10
  32   C   980   930   850   40   600   452   477   467.9   25   544   571   561.0   27   -75   -60   -66.2   15
  33   C   980   930   1150   40   600   521   535   527.8   14   628   639   632.9   11   -35   -25   -32.0   10
  34   C   980   930   980   1   600   392   401   396.9   9   471   478   475.9   7   -85   -79   -81.7   6
  35   C   980   930   980   40   500   453   466   461.5   13   547   556   553.4   9   -50   -42   -46.5   8
  36   C   980   930   980   40   750   445   457   451.9   12   535   546   541.8   11   -74   -67   -70.2   7
数字下面有划线的，表示本发明所定范围以外

Claims (3)

1.一种高强度高韧性管道用无缝钢管的制造方法，其特征为包括以下工序：
(1)将(a)式：
CEQ＝C+Mn/6+(Cu+Ni)/15+(Cr+Mo+V)/5[％]…(a)
所定义的碳等量Ceq为0.60重量％以下的钢坯加热穿孔后在950℃以上经热轧制成无缝钢管；
(2)将上述无缝钢管不经冷却至Ar3点以下就立即放入温度被保持在Ar3点+50℃至1100℃的炉内进行加热；
(3)以5℃/sec以上的冷却速度进行冷却，并
(4)在550℃～Ac1点的温度间进行回火。
2.如权利要求1所述的高强度高韧性管道用无缝钢管的制造方法，其特征是，上述钢坯含有，以重量百分比为基准，C：0.02～0.15％，Si：1.0％以下，Mn：0.3～2.5％，P：0.015％以下，S：0.010％以下，Ti：0～0.10％，Nb：0～0.05％，V：0.01～0.10％，Al：0.001～0.1％，和N：0.006％以下。
3.如权利要求1或2所述的高强度高韧性管道用无缝钢管的制造方法，其特征是，上述钢坯含有，以重量百分比为基准，选自Cr：1.0％以下，Mo：1.0％以下，Cu：1.0％以下，Ni：1.0％以下，B：0.003％以下及Ca：0.005％以下中的一种或多种元素。
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