一種低溫管線用塑韌性良好的熱軋寬厚板及其制造方法與流程

本發明屬于低碳低合金鋼領域，尤其涉及一種油氣輸送用低溫管線用塑性和韌性良好的熱軋寬厚鋼板及其制造方法。

背景技術：

隨著世界石油、天然氣消耗量的持續增大和原有油氣田的逐漸枯竭，新建油氣項目不斷向邊遠、氣候惡劣的地區發展，如俄羅斯、阿拉斯加等高寒地區就是重點發展方向之一。由于高寒地區管道服役條件苛刻，要求輸送管線不僅要達到相應的強度，而且，必須具備良好的延展性和低溫韌性；同時，為了提高輸送效率，輸送壓力和管道口徑不斷增大，最大管道口徑已達到1420mm以上，因此，相應管線鋼板必須滿足厚壁(≥30mm)、大板寬要求(>4300mm)。

隨著應用條件的日漸苛刻，低溫地區管線鋼板的技術要求也更為嚴格，其橫、縱向屈服強度≥510MPa，橫向抗拉強度590-690MPa，縱向抗拉強度565-690MPa，屈強比≤0.90，比例延伸率A(δ5)≥20％，-40℃下V型缺口夏比沖擊功≥220J，-20℃下DWTT韌性剪切面積≥85％；此技術要求對于寬厚規格管線鋼板而言可謂是一項嚴峻的挑戰。

目前，國內外對低溫地區管線鋼及寬厚規格管線鋼有一些研究，經檢索發現了部分有關的專利和文獻。但其所記載的內容與本發明的 技術方案及所述產品性能等方面存在明顯差異。

檢索到的相關專利和文獻如下：

《K60級低合金管線鋼板的制備方法》(RU2465344C1)公開了了一種K60管線鋼板，其成分中(重量百分比)C：0.07％～0.09％、Mn：1.60％～1.70％、Ni：0.25％～0.35％、Cu：0.15％～0.20％、V：0.04％-0.06％；鋼板厚度不超過27mm，Ni、Cu等貴重合金含量較多，未保證DWTT性能。

《一種厚壁高DWTT性能X65-X70海底管線鋼及制造方法》(CN103834874A)公開的X65-X70海底管線鋼成分為(重量百分比)C：0.03％～0.05％、Mn：1.47％～1.70％、Ni：0.36％～0.45％、Cu：0.12％～0.20％，不足之處在于，同樣加入較多Ni等合金元素來保證性能。

《一種耐應力腐蝕開裂的輸送天然氣的管線鋼及其制造工藝》(CN103981458A)，公開的管線鋼成分中Cr：0.68％～0.80％、Mo：0.4％～3.8％并且要添加Mg、W等元素。

《一種K60級管件用熱軋厚板及其生產方法》(CN103710619A)，公開了了一種K60級管件鋼，成分上采用C(0.11～0.17％)、V(0.09％～0.13％)等元素利用調質工藝保證鋼板最終性能，在成分、生產工藝上與本發明明顯不同。

《耐低溫開裂的高強高韌管線鋼板及其制造方法》(JP2006307324A)，提出了采用B增加厚規格管線鋼板淬透性并采用熱軋+熱處理工藝進行生產的方法，在成分設計和生產工藝路經上 與本發明明顯不同。

文獻《K60_2鋼級φ1220mm×22mm直縫埋弧焊管的研制》，文中主要介紹了厚度22mm，口徑φ1220mm的K60級鋼管，厚度小、寬度窄，規格上與本發明不同；成分上采用高C、高Ni設計。

綜上所述，現有技術對低溫地區管線用塑性、韌性良好的熱軋寬厚鋼板的研究尚有不足。

技術實現要素：

本發明的目的在于克服上述問題和不足而提供一種適于低溫地區油氣輸送管線用厚度≥30mm、寬度>4300mm、屈服強度級別510MPa的塑韌性良好的熱軋寬厚鋼板及其制造方法。

本發明的目的是這樣實現的：

眾所周知，隨著管線鋼板厚度增大，晶粒細化和組織控制愈發困難，導致塑性和韌性明顯下降；而鋼板寬度的增大，軋制變形抗力隨之增大，軋制變形量受到限制，不利于實現晶粒細化，同時，快速冷卻均勻性控制也更為困難，因此，相同技術要求下寬厚規格管線鋼板的制造難度明顯高于薄窄鋼板。

本發明所述低溫管線用塑韌性良好的熱軋寬厚板的厚度≥30mm、寬度>4300mm；成分設計以低C、低Mn為基礎，重點利用Cr元素部分或全部替代貴重的Mo、Ni、Cu、V等元素，配以高質量連鑄、低溫加熱、軋制大壓下、均勻加速冷卻的制造工藝提高鋼板性能。

一種低溫管線用塑韌性良好的熱軋寬厚板，該鋼板的成分按重量 百分比計如下：C：0.035％～0.060％、Si：0.20％～0.35％、Mn：1.56％～1.74％、Nb：0.01％～0.04％、Ti：0.011％～0.025％、Cr：0.18％～0.30％、Ni：0.06％～0.15％、Als：0.015％～0.040％、Cu：0～0.10％、Mo：0～0.19％、(Mo+Ni+Cu+Cr)：0.32％～0.55％、N：0.0020％～0.0045％、P≤0.009％、S≤0.001％、H≤0.00015％、O≤0.0020％、Ti/N：3.42～6.10，余量為鐵和不可避免的雜質；并且CE_IIW控制在0.385％～0.430％，CE_Pcm控制在0.159％～0.175％，

其中CE_IIW＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V+Nb+Ti)/5+(Ni+Cu)/15；

CE_Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B。

所述熱軋寬厚板的厚度≥30mm、寬度>4300mm，所述熱軋寬厚板微觀組織為針狀鐵素體+多邊形鐵素體+貝氏體，平均晶粒尺寸不超過12μm，其中，多邊形鐵素體體積百分比在8％～35％。

本發明成分設計理由如下：

C是鋼中最基本、最有效的強化元素，能夠形成間隙固溶體，還可以與合金元素作用形成碳化物，提高強度，影響鋼中微觀組織的構成，因此，碳含量不宜過低；但是，碳含量的增加對材料韌性不利，所以，碳含量也不能過高，本發明認為碳控制在0.035％～0.060％較為適宜。

Si有固溶強化作用，提高淬透性，縮小奧氏體相區，但其含量過高會使鋼的塑性和韌性降低，易引起冷脆，其適宜范圍是0.20％～0.35％。

Mn可以增加奧氏體穩定性；具有固溶強化作用，對提高淬透性 也有利，但是，錳含量過高易誘發偏析且不利于焊接，本發明認為將錳含量控制在1.56％～1.74％較為適宜。

Nb有明顯的固溶強化作用，以碳氮化物形式析出時能夠阻礙晶粒長大，細化晶粒，同時，釘扎位錯起到強化作用。但是，鈮含量過高會惡化焊接性能，促進焊接裂紋生成；也會使生產成本明顯增加，本發明認為將鈮含量控制在0.01％～0.04％較為適宜。

Ti可起到析出強化和固氮效果，易形成碳氮化物，且熔點高，Ti/N≥3.42能夠保證氮化鈦析出，有效減少和控制游離氮元素量；本發明認為將鈦含量控制在0.011％～0.025％較為適宜。

Cr有很強的固溶強化作用，可以彌補Mo、Ni、Cu等元素減少帶來的強度損失，同時，能提高奧氏體穩定性和淬透性，對提高厚規格鋼板強度和改善厚度方向組織均勻性發揮良好作用，另外，Cr含量達到0.18％以上時可以改善鋼的耐腐蝕性；還有，Cr能夠使A3、A1溫度升高，有利于微觀組織的控制；但Cr含量過高對焊接性不利、塑性也有惡化趨勢，所以，Cr含量控制在0.18％～0.30％為宜。

Ni含量超過0.05％時可以起到提高強度和改善塑性韌性的作用，防止Cu脆；Ni可以延遲珠光體轉變，促進中溫轉變組織形成，降低厚規格鋼板冷速限制；但鎳價格較高，因此，將其含量控制在0.06％～0.15％為宜。

Al有效的脫氧元素，鋁含量過高會使鋼中的夾雜物增加，焊接性能惡化，因此，酸溶鋁的含量控制在0.015％～0.040％為宜。

Cu可以起到固溶強化作用，可以提高淬透性；但銅含量過高會 使韌性惡化，因此，將其含量控制在0.10％以下為宜。

Mo能夠明顯提高淬透性，增加強度，但是，鉬含量過高會增加成本，對焊接性也有不利影響，因此，應控制其含量在0.19％以下。

本發明的CE_IIW控制在0.385％～0.430％，CE_Pcm控制在0.159％～0.175％，既可以保證鋼板的強韌性，又能使鋼板具有適宜的可焊性。

一種低溫管線用塑韌性良好的熱軋寬厚板的制造方法，包括鐵水預處理、轉爐冶煉、爐外精煉、連鑄、鑄坯再加熱、軋制、冷卻，其特征在于：

(1)連鑄：鋼水精煉后連鑄前吹氬鎮靜時間不少于10min，連鑄坯澆注過熱度12～25℃，拉坯速度0.81-1.1m/min，連鑄坯厚度/成品鋼板厚度控制在7.5-9.5；連鑄前的吹氬鎮靜和對澆注溫度的控制能夠促進夾雜物去除，改善鋼水成分、溫度均勻性，減少鑄坯質量缺陷；適宜的拉坯速度有利于減少偏析，改善鑄坯厚度中心質量；從連鑄坯到成品鋼板的壓縮比是晶粒細化和鋼板性能的重要保障。

(2)鑄坯再加熱：連鑄坯經清理后裝爐加熱，加熱過程分為4個階段，預熱段、加熱段1和2、均熱段，預熱段加熱溫度500-750℃，加熱段1加熱溫度850～1050℃，加熱段2加熱溫度1090～1130℃，均熱段加熱溫度1080～1120℃，預熱段加熱時間不低于40min，加熱段1和2段加熱時間0.45～0.88min/mm，均熱段加熱時間30-60min，加熱總時間0.9～1.4min/mm；連鑄坯清理可有效減少表面缺陷，提高鋼板表面質量，分段加熱過程可有效減少加熱缺陷，提高加熱效果和溫度均勻性，采用該加熱工藝可滿足坯料內合金元素處于 固溶或部分固溶狀態，同時，保證坯料溫度均勻性，將奧氏體晶粒尺寸控制在有效范圍內。

(3)軋制：粗軋溫度區間為960～1050℃，采用橫縱軋制方式，粗軋總變形量不小于60％，粗軋階段每道次變形量不小于14％，其中，縱軋最終2道次每道次變形量達到21％～27％且軋制溫度不超過990℃；粗軋階段利用低溫軋制配以大道次變形量使奧氏體再結晶充分細化晶粒，同時又避免出現混晶造成性能損失；中間待溫坯厚度2.8～3.4t，t為成品鋼板厚度，精軋溫度區間為760～840℃，保證有至少1道次軋制溫度不超過790℃；精軋階段促進奧氏體變形并積累形變能，增加形核位置。

(4)冷卻：軋后鋼板開始水冷冷卻溫度740～790℃，終冷溫度500～570℃，上下冷卻水量比2.3-2.9，加速冷卻可分為開始加速冷卻和后續加速冷卻兩個階段，開始加速冷卻到650℃溫度區間內的冷卻速度10～15℃/s，后續加速冷卻速度6～10℃/s，之后堆垛緩冷，緩冷冷速0.3～0.9℃/s。鋼板最終微觀組織為針狀鐵素體+多邊形鐵素體+貝氏體，其中，多邊形鐵素體體積百分比在8％～35％，平均晶粒尺寸不超過12μm，使鋼板具有適宜的橫縱向強度、良好的塑性和低溫韌性，同時，焊接性和成型性優異，滿足制作大口徑油氣輸送管道的要求。

本發明的有益效果在于：

(1)本發明以低C、低Mn為基礎，充分利用Cr元素部分或全部替代貴重的Mo、Ni、Cu、V等元素，添加少量Nb、Ti等元素，嚴格控制有害元素含量，配以與之相應的獨特的生產工藝，降低了生 產成本，獲得了綜合性能優異的低溫管線用寬厚規格鋼板。

(2)本發明碳當量CE_IIW和CE_Pcm適宜，保證材料具有良好的可焊性。

(3)本發明的連鑄工藝方案有效改善了鑄坯質量，從而提高最終產品性能。

(4)本發明低溫加熱、軋制大壓下、均勻加速冷卻的制造方法有效細化了鋼板晶粒，其中，最終成品鋼板平均晶粒尺寸≤12μm。

(5)本發明所述低溫管線用塑韌性良好的熱軋寬厚板的厚度≥30mm，寬度>4300mm，橫向和縱向屈服強度可達到510-590MPa，橫向抗拉強度達到620-670MPa，縱向抗拉強度達到600-655MPa，橫縱向比例延伸率A(δ5)≥22％，橫縱向屈強比不超過0.88，-60℃橫向沖擊功不低于420J，-20℃橫向DWTT剪切面積不低于85％，適用于作為制造大口徑(1420mm及以上)厚壁低溫管線鋼管的原料。

附圖說明

圖1為本發明實施例1的顯微組織圖。

圖2為本發明實施例2的顯微組織圖。

具體實施方式

下面通過實施例對本發明作進一步的說明。

本發明實施例根據技術方案的組分配比，進行鐵水預處理、轉爐冶煉、爐外精煉、連鑄、連鑄坯再加熱、軋制、冷卻。本發明實施例鋼的成分見表1。本發明實施例鋼的連鑄工藝參數見表2。本發明實施例鋼的板坯再加熱工藝數見表3。本發明實施例鋼的軋制工藝數見 表4。本發明實施例鋼的冷卻工藝數見表5。本發明實施例鋼的綜合性能見表6。

表2本發明實施例鋼的連鑄工藝參數

表3本發明實施例鋼的板坯再加熱工藝參數

表4本發明實施例鋼的軋制工藝參數

表5本發明實施例鋼的冷卻工藝數

表6本發明實施例鋼的綜合性能