專利名稱：超高強(qiáng)度x100管線鋼及其熱軋板制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種管線鋼及其制造方法，特別涉及一種超高強(qiáng)度X100管線鋼及其熱軋板制造方法。
背景技術(shù)：
近年來能源結(jié)構(gòu)的變化以及對能源需求的增長，極大地促進(jìn)了長距離輸送管線的發(fā)展。為提高輸送效率、降低工程投資，長距離石油天然氣輸送管線用鋼向高鋼級發(fā)展已成趨勢。目前世界各國使用的管線鋼標(biāo)準(zhǔn)中的最高鋼級僅到X80(屈服強(qiáng)度大于等于555MPa)，為滿足未來長距離輸送石油天然氣管道建設(shè)的發(fā)展需要超高強(qiáng)度等級的X100(屈服強(qiáng)度等級大于等于690MPa)和X120(屈服強(qiáng)度等級大于等于830MPa)管線鋼已在發(fā)展研制之中。相對目前X80及X80以下鋼級的管線鋼來講，使用X100級高強(qiáng)度管線可提高輸送的工作壓力以提高管道輸送的運營效率，或在輸送壓力不變的情況下通過減少管道壁厚達(dá)到降低管道建設(shè)成本的目的。美國專利US 20030217795主要闡述了X100管線管的生產(chǎn)方法以及生產(chǎn)出的管線管的主要性能。其中，用于制造X100管線鋼管的鋼板成分與工藝已經(jīng)給出，但是在成分上主要以低碳為主，附以Mo、Cu、Ni、B等合金元素。特別值得一提的是這個專利中的主要技術(shù)點是利用Mg的氧化物冶金作用來提高管體的焊接性能。日本專利JP 2003306749 A主要闡述了X100鋼管及用其制造鋼管的鋼板制造方法，其X100管線鋼板的成分中指出用Mg和Al的氧化物及氮化物冶金方法細(xì)化晶粒，并且采用C-Mn-Ni-Cr-Mo-B系成分設(shè)計。在煉鋼時采用氧化物冶金的方法雖然能夠提高產(chǎn)品性能，但也增加成本和制造的復(fù)雜性。日本專利JP 2001113374 A提供了一種抗拉強(qiáng)度在900MPa以上的X100管線管的生產(chǎn)方法及原理，重點在于鋼管焊接工藝方面，焊接較容易實現(xiàn)，并且具有較好的低溫韌性。它主要注重鋼管的生產(chǎn)方式和方法，盡管提及X100鋼板的成分設(shè)計，主要也是用Mg的氧化物冶金方法來提高焊接性能。歐洲專利EP 1020539，其內(nèi)容與美國專利US 20030217795近似。歐洲專利EP 1354973提供了API X60～X100管線鋼管的鋼板及鋼管的制造方法。鋼管具有優(yōu)良的變形性能和低溫韌性。高強(qiáng)度鋼板具多數(shù)平均晶粒尺寸小于貝氏體晶粒尺寸的鐵素體相。提供了成分設(shè)計方法，C以低碳為主，沖擊韌性和焊接性能稍差；其次，Mn、Mo、Cu等合金元素的含量過高將導(dǎo)致制造成本的提高和增加可制造難度，對鋼板的焊接性能不利，同時不利于資源的有效利用。最后，在成分設(shè)計中與美國專利US 20030217795一樣，加入了Mg元素，增加可制造難度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種超高強(qiáng)度X100管線鋼及其熱軋板制造方法。主要解決現(xiàn)有X100管線鋼配方比較復(fù)雜、生產(chǎn)成本較高、制造難度較大以及沖擊韌性和焊接性能稍有不足的技術(shù)問題。本發(fā)明的技術(shù)方案為一種超高強(qiáng)度X100管線鋼，其組成成分的重量百分配比為C0.015～0.080％，Mn1.80～2.50％，Si≤0.6％，S≤0.0030％，P≤0.015％，Nb0.04～0.15％，Ti0.005～0.030％，V≤0.120％，Alt≤0.060％，N≤0.010％，O≤0.006％，Mo0.10～0.60％，Cu≤0.50％、Ni≤1.50％、Cr≤1.0％，B≤0.0020％，Ca≤0.01％，其余為鐵和不可避免雜質(zhì)。
本發(fā)明高強(qiáng)度高韌性X100管線鋼成分設(shè)計思想是以超低C、高M(jìn)n，通過加入微量Nb、V、Ti等微合金元素、少量Mo、B及Cu、Ni合金元素，結(jié)合熱軋控軋控冷工藝，獲得貝氏體+針狀鐵素體+第二相組織，以保證管線鋼具有高強(qiáng)度高韌性的性能。其主要的基本元素作用有以下幾個方面碳是鋼中最經(jīng)濟(jì)、最基本的強(qiáng)化元素，通過固溶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化對提高鋼的強(qiáng)度有明顯作用，但是提高C含量對鋼的延性、韌性和焊接性有負(fù)面影響，因此近代管線鋼的發(fā)展過程是不斷降低C含量的過程。降低C含量一方面有助于提高鋼的韌性，另一方面可改善鋼的焊接性能。根據(jù)鋼中C含量、碳當(dāng)量與鋼焊接性關(guān)系的Graville曲線圖我們知道，當(dāng)C含量低于0.11％時管線鋼可具有良好的焊接性。所以，目前管線鋼的C含量一般小于0.11％，對本發(fā)明的X100管線鋼則采用C為0.015-0.080％的C含量設(shè)計。
錳通過固溶強(qiáng)化提高鋼的強(qiáng)度，是管線鋼中補(bǔ)償因C含量降低而引起強(qiáng)度損失的最主要且最經(jīng)濟(jì)的強(qiáng)化元素。Mn還是擴(kuò)大γ相區(qū)的元素，可降低鋼的γ→α相變溫度，有助于獲得細(xì)小的相變產(chǎn)物，可提高鋼的韌性、降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度。因此對X100管線鋼的Mn含量設(shè)計在1.80～2.50％范圍。
鈮是現(xiàn)代微合金化管線鋼中最主要的元素之一，對晶粒細(xì)化的作用十分明顯。通過熱軋過程中NbC應(yīng)變誘導(dǎo)析出阻礙形變奧氏體的回復(fù)、再結(jié)晶，經(jīng)控制軋制和控制冷卻使非再結(jié)晶區(qū)軋制的形變奧氏體組織在相變時轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的相變產(chǎn)物，以使鋼具有高強(qiáng)度和高韌性。本專利就是配合適當(dāng)?shù)腃含量提高Nb的含量發(fā)揮NbC的作用。
釩具有較高的析出強(qiáng)化作用和較弱的晶粒細(xì)化作用，在Nb、V、Ti三種微合金元素復(fù)合使用時，V主要是通過在鐵素體中以VC、VN析出強(qiáng)化來提高鋼的強(qiáng)度。
鈦是強(qiáng)的固N元素，Ti/N的化學(xué)計量比為3.42，利用0.02％左右的Ti就可固定鋼中60ppm以下的N，在板坯連鑄時可形成細(xì)小的高溫穩(wěn)定的TiN析出相。這種細(xì)小的TiN粒子可有效地阻礙板坯再加熱時的奧氏體晶粒長大，有助于提高Nb在奧氏體中的固溶度，同時對改善焊接熱影響區(qū)的沖擊韌性有明顯作用。
鉬是擴(kuò)大γ相區(qū)，推遲γ→α相變時先析出鐵素體形成、促進(jìn)針狀鐵素體形成的主要元素，對控制相變組織起重要作用，在一定的冷卻條件和終止軋制溫度下超低碳管線鋼中加入0.1～0.6％的Mo就可獲得明顯的針狀鐵素體及貝氏體組織，同時因相變向低溫方向轉(zhuǎn)變，可使組織進(jìn)一步細(xì)化，主要是通過組織的相變強(qiáng)化提高鋼的強(qiáng)度。
硫、磷是鋼中不可避免的雜質(zhì)元素，希望越低越好。通過超低硫(小于30ppm)及Ca處理對硫化物進(jìn)行夾雜物形態(tài)控制，可使管線鋼具有高的沖擊韌性及良好抗HIC性能。
銅、鎳可通過固溶強(qiáng)化作用提高鋼的強(qiáng)度，同時Cu還可改善鋼的耐蝕性，Ni的加入主要是改善Cu在鋼中易引起的熱脆性，且對韌性有益。在厚規(guī)格管線鋼中還可補(bǔ)償因厚度的增加而引起的強(qiáng)度下降。
因此，針對微合金化低碳貝氏體組織具有高強(qiáng)度高韌性和良好焊接性能，以及低的包辛格效應(yīng)等特點，以晶粒細(xì)化、相變強(qiáng)化、析出強(qiáng)化和位錯強(qiáng)化等材料強(qiáng)化理論為基礎(chǔ)，對具有貝氏體組織X100管線鋼的成分設(shè)計采用了較低的碳含量、超低硫、Nb、V、Ti微合金化、控制組織的Mo合金化的成分設(shè)計。熱軋工藝采用了控軋控冷的熱機(jī)械處理技術(shù)，通過合理的成分和工藝進(jìn)行最終產(chǎn)品的組織控制，以獲得具有高強(qiáng)度高韌性的超低碳貝氏體+針狀鐵素體組織。
X100管線鋼熱軋板制造方法的工藝路線如下首先按技術(shù)方案配比備料，然后進(jìn)行轉(zhuǎn)爐或電爐冶煉、爐外精煉、鑄造、板坯再加熱、控制軋制、控制冷卻。熱軋工藝進(jìn)行如下控制(1)板坯加熱溫度1100～1250℃；(2)再結(jié)晶區(qū)控軋軋制的終止溫度900～1060℃；(3)非再結(jié)晶區(qū)控軋軋制的開始溫度800～900℃；(4)終止軋制溫度720～880℃；(5)終止冷卻溫度200～500℃；(6)冷卻速度3～30℃/s。
本發(fā)明具有如下特點①與以往上述已經(jīng)申請的專利相比，本專利的合金配方相對簡單，如Cu、Ni可加可不加，不需加入Mg元素進(jìn)行氧化物冶金等，這樣降低了生產(chǎn)制造成本和增加了生產(chǎn)可制造性；②它主要以超低碳為特點，在保證強(qiáng)度前提下，增加了沖擊韌性和良好的焊接性能，使管線鋼具有良好的止裂能力，隨著鋼鐵冶煉技術(shù)的發(fā)展，超低碳管線鋼的冶煉難度進(jìn)一步降低，目前通過控制冶煉的終點碳含量和RH的爐外精煉工藝可獲得超低碳管線鋼；③充分利用了C和Nb元素的關(guān)系，在一定的配合下使之生成NbC產(chǎn)生細(xì)晶強(qiáng)化作用，及利用Nb的提高再結(jié)晶溫度作用以配合控軋工藝，不僅提高了產(chǎn)品的綜合性能，而且能夠采取靈活的熱軋生產(chǎn)工藝，提高生產(chǎn)率、減小軋機(jī)負(fù)荷，所生產(chǎn)的產(chǎn)品具有較高的沖擊韌性(-80℃下的夏比沖擊功可以達(dá)到200J以上)，能夠充分保證高的強(qiáng)度和韌性，具有良好的止裂能力。與目前管道工程已使用的最高強(qiáng)度等級的管線鋼X80相比，在強(qiáng)度上提高了20％，對降低輸送管道的建設(shè)成本有明顯的作用。對比專利與本發(fā)明成分對比見表1，其中專利1-5依次對應(yīng)于美國專利US 20030217795、日本專利JP2003306749 A、日本專利JP 2001113374 A、歐洲專利EP 1354973和歐洲專利EP1354973。
表1相近專利與本專利的對比

與現(xiàn)有生產(chǎn)鋼種(最高級別X80)相比，按照上述技術(shù)方案生產(chǎn)出的管線鋼的性能達(dá)到以下要求(1)拉伸性能目標(biāo)σ0.5≥690MPa，σb≥780MPa；(2)夏比V型缺口沖擊性能目標(biāo)試驗溫度-20℃，10×10×55mm試樣的沖擊功平均值≥200J，剪切面積單個≥80％，平均≥90％。50％FATT≤-60℃；(3)DWTT(落錘撕裂試驗)性能目標(biāo)試驗溫度-15℃，平均剪切面積SA％≥85％，單個SA％≥70％；(4)橫向冷彎性能目標(biāo)d＝2a(d為彎曲直徑，a為鋼板厚度)，180°，完好。


附圖為本發(fā)明金相組織圖
具體實施例方式實施例1-6的化學(xué)成分見表2●表2化學(xué)成分wt％

●熱軋工藝設(shè)計(1)板坯加熱溫度1100～1250℃；(2)再結(jié)晶區(qū)控軋軋制的終止溫度900～1060℃；(3)非再結(jié)晶區(qū)控軋軋制的開始溫度800～900℃；(4)終止軋制溫度720～880℃；(5)終止冷卻溫度200～500℃；(6)冷卻速度3～30℃/s。
●性能結(jié)果本發(fā)明熱軋板的金相組織為貝氏體+針狀鐵素體+第二相組織，參照附圖。
分別進(jìn)行力學(xué)拉伸、夏比沖擊、DWTT實驗，實驗結(jié)果如表3所示。
表3試制板卷性能檢驗結(jié)果

(注拉伸、沖擊為橫向；拉伸試樣直徑為10mm，標(biāo)距長度50.8mm；夏比沖擊試樣尺寸為10×10×55mm；橫向冷彎d＝2a，180°，完好；)預(yù)計發(fā)明推廣應(yīng)用的可行性及前景市場前景石油天然氣的長距離高壓管道輸送對管線鋼性能提出了更為嚴(yán)格的要求。從考慮管道建設(shè)和運營的經(jīng)濟(jì)性、運營的穩(wěn)定性和安全性出發(fā)，對管線用鋼的強(qiáng)度、韌性均提出了更高的要求。同樣的輸送條件下，應(yīng)用更高鋼級管線鋼產(chǎn)品可以使鋼管的壁厚減薄，節(jié)省用鋼量，或在管道口徑、壁厚不變的條件下提高輸送壓力，達(dá)到提高輸送量的目的。例如X80鋼級的管線鋼強(qiáng)度可比X70鋼級提高了12％，X100鋼級比X80鋼級提高了20％。因此，管線鋼鋼級的不斷提高已經(jīng)成為管線鋼的發(fā)展趨勢，長距離高壓輸送天然氣管道應(yīng)用X100及X100以上鋼級的超高強(qiáng)度管線焊管是目前國際管道工業(yè)和冶金工業(yè)共同發(fā)展的方向。根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行的實施例，可以預(yù)計本項發(fā)明在設(shè)備條件允許的情況下，生產(chǎn)操作較易進(jìn)行，具有一定的推廣應(yīng)用的可能性。尤其近年來能源結(jié)構(gòu)的變化以及對能源需求的增長，促進(jìn)了石油天然氣管道工業(yè)的迅速發(fā)展，長距離高壓管道輸送已成為今日油氣輸送管道的主要特征之一。超高強(qiáng)度高韌性管線鋼成為管線鋼發(fā)展的必然趨勢。因此，超高強(qiáng)度高韌性X100管線鋼有較大的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
1.一種超高強(qiáng)度X100管線鋼，其組成成分的重量百分配比為C0.015～0.080％，Mn1.80～2.50％，Si≤0.6％，S≤0.0030％，P≤0.015％，Nb0.04～0.15％，Ti0.005～0.030％，V≤0.120％，Alt≤0.060％，N≤0.010％，O≤0.006％，Mo0.10～0.60％，Cu≤0.50％、Ni≤1.50％、Cr≤1.0％，B≤0.0020％，Ca≤0.01％，其余為鐵和不可避免雜質(zhì)。
2.權(quán)利要求1所述的超高強(qiáng)度X100管線鋼熱軋板制造方法，工藝步驟包括按權(quán)1配比備料、然后進(jìn)行轉(zhuǎn)爐或電爐冶煉、爐外精煉、鑄造、板坯再加熱、控制軋制、控制冷卻，其特征是，板坯加熱溫度控制在1100～1250℃再結(jié)晶區(qū)控軋軋制的終止溫度控制在900～1060℃；非再結(jié)晶區(qū)控軋軋制的開始溫度控制在800～900℃；終止軋制溫度控制在720～880℃；終止冷卻溫度控制在200～500℃；冷卻速度控制在3～30℃/s。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種管線鋼及其制造方法，特別涉及一種超高強(qiáng)度X100管線鋼及其熱軋板制造方法。解決現(xiàn)有X100管線鋼配方比較復(fù)雜、生產(chǎn)成本較高、制造難度較大以及沖擊韌性和焊接性能稍有不足的技術(shù)問題。一種超高強(qiáng)度X100管線鋼，其組成成分的重量百分配比為C0.015～0.080％，Mn1.80～2.50％，Si≤0.6％，S≤0.0030％，P≤0.015％，Nb0.04～0.15％，Ti0.005～0.030％，V≤0.120％，Alt≤0.060％，N≤0.010％，O≤0.006％，Mo0.10～0.60％，Cu≤0.50％、Ni≤1.50％、Cr≤1.0％，B≤0.0020％，Ca≤0.01％，其余為鐵和不可避免雜質(zhì)。在熱軋板制造過程中，板坯加熱溫度1100～1250℃；再結(jié)晶區(qū)控軋軋制的終止溫度900～1060℃；非再結(jié)晶區(qū)控軋軋制的開始溫度800～900℃；終止軋制溫度720～880℃；終止冷卻溫度200～500℃；冷卻速度3～30℃/s。
文檔編號B21B37/74GK1986861SQ20051011185
公開日2007年6月27日 申請日期2005年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月22日
發(fā)明者高珊, 鄭磊 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司