一种超厚规格高韧性X80管线用钢板及其制造方法

摘要

本发明公开了超厚规格高韧性X80管线用钢板，该钢板的化学成分按质量百分比计为C0.02～0.06%，Mn1.6～1.9%，Si0.1～0.35%，S≤0.0006%，P≤0.010%，Nb0.055～0.08%，Ti0.008～0.03%，V≤0.008%，Al≤0.06%，N≤0.010%，O≤0.006%，Mo≤0.15%，Cu≤0.20%，Ni0.2～0.4%，Cr≤0.35%，Ca≤0.01%，余量为Fe及不可避免的杂质元素；所述钢板的厚度为30mm及以上。钢板的制造工艺流程为冶炼、连铸→再加热→轧制→冷却，采用特定成分及特定TMCP工艺彻底解决了超厚规格X80低温落锤性能要求技术难题。

权利要求

1.一种超厚规格高韧性X80管线用钢板，其特征在于：该钢板的化学成分按质量百分比计为C：0.02～0.06%，Mn：1.6～1.9%，Si：0.1～0.35%，S：≤0.0006%，P：≤0.010%，Nb：0.055～0.08%，Ti：0.008～0.03%，V：≤0.008%，Al：≤ 0.06%，N：≤ 0.010%，O：≤ 0.006%， Mo：≤ 

0.15%， Cu：≤ 0.20%，Ni：0.2～0.4%，Cr≤ 0.35%，Ca：≤ 0.01%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素；所述钢板的厚度为30mm及以上；

钢板的制造工艺步骤如下：首先将冶炼原料依次经KR铁水预处理、转炉冶炼、LF 精炼、RH 真空精炼和连铸，制造出满足化学成分要求、厚度为不小于350mm的连铸坯；将连铸坯再加热至1180～1230℃，保温不小于6.5小时；出炉后进行两阶段轧制：第一阶段为再结晶区轧制，终轧温度控制在1050～1100℃，再结晶区轧制时控制连续两至三道次的单道次压下率不低于22%；第二阶段为非再结晶区轧制，开轧温度控制在820～960℃，非再结晶区累计压下率不小于55%，终轧温度控制在相变临界温度Ar3±15℃；然后冷却钢板，开始冷却温度控制为不高于760℃，终止冷却温度控制为350～500℃，冷却速度为10～30℃/s；随后冷却到室温即得钢板成品。

2.根据权利要求1所述的超厚规格高韧性X80管线用钢板，其特征在于：所述钢板的厚度为30～35mm；晶粒度达到11级及以上；屈服强度不小于560Mpa；抗拉强度不小于660Mpa；

延伸率不小于25%；-25℃冲击功不低于400J；-40℃冲击功不低于350J；-60℃冲击功不低于

300J；-15℃落锤剪切面积不低于85%；-20℃落锤剪切面积不低于75%。

说明书

一种超厚规格高韧性X80管线用钢板及其制造方法

技术领域

[0001] 本发明涉及X80管线用钢板制造领域，具体涉及一种具有优异低温落锤性能的厚度不小于30mm的X80管线用钢板及其制造方法。

背景技术

[0002] 目前世界需求的能源中化石能源还占能源结构中的主体地位，近年来世界经济的急速增长极大带动了化石能源需求的急速增长，这也极大地促进了长距离输送管线的发展，为提高输送效率，降低投资，长距离石油天然气输送管线用钢的发展趋势是向高强度或超高钢级发展。目前世界各国使用的管线钢最高钢级为X80钢级。为提高输送压力，X80钢级已向厚规格方向发展，目前部分管道已开始采用厚度超过30mm壁厚X80管线钢，并在今后会大量采用。

[0003] 国内目前对X80级管线用钢的研究就多。

[0004] 如专利号CN101845596B中提到该采用钢板生产方式适用于生产20-35 mm以上X80管线钢，该专利有如下特点：1）成分设计上S≤0.05%，S是有害元素，实际上厚度低于20mmX80管线钢S含量均控制在0.005%及以下，过高的S会严重损害管线钢韧性尤其是特厚钢板落锤性能要求； Ni≤0.20%，通常Ni含量提高对改善管线钢的韧性尤其是厚度超过
30mm的X80管线钢有利；2）该专利在轧制工艺中关键性工艺窗口很宽，这对23mm以下钢级性能影响较小，但对与30mm厚度规格以上管线钢，则性能难以保证，尤其是落锤性能，实践证明，采用该工艺和成分很难满足厚度规格在30mm以上落锤性能要求。

[0005] 如专利号为CN103225047A中提到该申请专利采用钢板生产方式适用于生产厚度不低于26.5mm规格X80管线钢，该专利申请有如下特点：1）钢板成分中Mo不低于0.15%，在超厚规格情况下，增加Mo会带来粒贝等组织的敏感性，这对落锤性能不利，同时也相应增加合金成本；Nb含量为0.025-0.055%，过低的Nb含量在厚板坯轧制控制奥氏体晶粒长大及细化铁素体晶粒方面所产生的效果较小；2）在随后轧制工艺中同专利号为CN101845596B中提到的类似，工艺窗口很宽，很难保证落锤性能，这在本人实践中也得到体现。

[0006] 实际上，厚度规格在30mm以上X80管线钢的落锤性能是世界公认的难题，国内外的研究表明，落锤性能除于钢中的组织及环境温度等因素以外，还与钢板的厚度有密切的关系，且随厚度增加，对厚度越敏感！这称之为厚度效应！为解决超厚规格下的厚度效应，需要从组织上进行设计，即控制组织类型和细化晶粒上进行控制。

[0007] 本发明基于上述设计思想，结合目前的装备水平，为获得特定的组织提出特定的成分设计，并根据本成分特点，制定特定的TMCP工艺。

发明内容

[0008] 厚规格X80管线钢特别是厚度超过30mm的X80管线钢需要满足苛刻的低温韧性要求，特别是温度不高于-15℃ DWTT落锤剪切面积要求，是世界上公认的技术难题。为解决该技术难题，本发明提供了一种生产厚度超过30mm的X80管线用钢板及其制造方法，为获得超厚规格及满足低温DWTT落锤性能，除改善成分设计外，在生产工艺上采用特殊生产工艺，从而获得优异的低温落锤性能，同时，工艺调整简单，成材率也能够得到提高。

[0009] 本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为，一种超厚规格高韧性X80管线用钢板，其特征在于：该钢板的化学成分按质量百分比计为C：0.02～0.06%，Mn：1.6～1.9%，Si：0.1～0.35%，S：≤0.0006%，P：≤0.010%，Nb：0.055～0.08%，Ti：0.008～0.03%，V：≤0.008%，Al：≤ 0.06%，N：≤ 0.010%，O：≤ 0.006%， Mo：≤ 0.15%， Cu：≤ 0.20%，Ni：0.2～
0.4%，Cr≤ 0.35%，Ca：≤ 0.01%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素；所述钢板的厚度为
30mm及以上。

[0010] 进一步地，所述钢板的厚度为30～35mm；晶粒度达到11级及以上；屈服强度不小于560Mpa；抗拉强度不小于660Mpa；延伸率不小于25%；-25℃冲击功不低于400J；-40℃冲击功不低于350J；-60℃冲击功不低于300J；-15℃落锤剪切面积不低于85%；-20℃落锤剪切面积不低于75%。

[0011] 本发明中超厚规格低温高韧性X80管线钢钢板的成分设计思想是基于采用适量的C、Mn，通过加入微量的Nb、V、Ti等微合金化元素，再加入少量的Mo、Cu、Ni等元素，再通过改良的TMCP工艺，以最终保证超厚规格X80管线用钢板的低温高韧性，尤其是具有优异的DWTT落锤性能，钢板的化学成分是这样确定的:

[0012] C：是钢中最经济、最基本的强化元素，通过固溶强化和析出强化可明显提高钢的强度，但对钢的韧性及延性以及焊接性能带来不利影响，因此管线钢的发展趋势是不断降低C含量，考虑到强度及韧性的匹配关系，将C含量控制在0.02～0.06%。

[0013] Mn：通过固溶强化提高钢的强度，是管线钢中弥补因C含量降低而引起强度损失的最主要的元素，Mn同时还是扩大γ相区的元素，可降低钢的γ→α相变温度，有助于获得细小的相变产物，可提高钢的韧性，降低韧脆性转变温度，Mn也是提高钢的淬透性元素。本发明中Mn含量设计在1.6～1.9%范围。

[0014] Nb：是现代微合金化钢特别是管线钢中最主要的微合金化元素之一，对晶粒细化的作用非常明显。通过Nb的固溶拖曳及热轧过程中的Nb（C,N）应变诱导析出可阻碍形变奥氏体的回复、再结晶，经TMCP使未再结晶区轧制的形变奥氏体在相变时转变为细小相变产物，以使钢具有高强度和高韧性，本发明主要是通过C与Nb含量的关系来确定Nb含量范围。

[0015] V：正火态下具有较高的析出强化和较弱的晶粒细化作用，在Nb、V、Ti三种微合金化元素复合使用时，V主要起析出强化作用，本发明通过添加一定的V，充分发挥V在钢中的析出强化作用，但过高的V将会弱化钢的韧性，因此本发明将V控制在≤ 0.008%。

[0016] Ti：是强的固N元素，Ti/N的化学计量比为3.42，利用0.02%左右的Ti就可固定钢中60ppm以下的N，在板坯连铸过程中即可形成TiN析出相，这种细小的析出相可有效阻止板坯在加热过程中奥氏体晶粒的长大，有助于提高Nb在奥氏体中的固溶度，同时可改善焊接热影响区的冲击韧性，是管线钢中不可缺少的元素。

[0017] Mo：可推迟γ→α相变时先析出铁素体相的形成，促进针状铁素体形成的主要元素，对控制相变起到重要作用，同时也是提高钢的淬透性元素，在一定的冷却速度和终冷温度下通过添加一定Mo即可获得明显的针状铁素体或贝氏体组织。

[0018] S、P：是管线钢中不可避免的杂质元素，希望越低越好，通过超低硫及Ca处理改变硫化物形态可使管线钢具有很高的冲击韧性。

[0019] Cu、Ni：可通过固溶强化提高钢的强度，Ni的加入一方面可提高钢的韧性，同时改善Cu在钢中易引起的热脆性。

[0020]  Cr：Cr的加入可提高钢的淬透性，属于强度提高元素，且相对经济。

[0021] 本发明解决另一技术问题的技术方案是提供一种上述超厚规格高韧性X80管线用钢板的制造方法，具体工艺步骤如下：

[0022] 首先将冶炼原料依次经KR铁水预处理、转炉冶炼、LF 精炼、RH 真空精炼和连铸，制造出满足化学成分要求、厚度为350mm及以上的连铸坯；将连铸坯再加热至1180～1230℃，保温6.5h及以上，确保Nb碳氮化物固溶同时抑制奥氏体晶粒过分长大；出炉后进行两阶段轧制：第一阶段为再结晶区轧制，终轧温度控制在1050～1100℃，再结晶区轧制时控制连续两至三道次的单道次压下率不低于22%；第二阶段为非再结晶区轧制，开轧温度控制在820～960℃，非再结晶区累计压下率不低于55%，同时保证终轧温度控制在相变临界温度Ar3±15℃，；然后冷却钢板，开始冷却温度控制为不高于760℃，终止冷却温度控制为350～
500℃，冷却速度为10～30℃/s；，钢板随后自然冷却至室温。

[0023] 上述钢板制备方法中的关键一步是非再结晶区轧制除要求应变累积外，还特别要求在相变临界点Ar3附近进行最后道次轧制，通过形变诱导铁素体相变使得沿钢板厚度部位，特别是钢板心部的部分奥氏体转变为非常细小的铁素体，从而优化组织中各相组成比例，获得优异的韧性。由于厚规格钢板心部比钢板表面温度要高，且冷却时心部比表面冷却慢，钢板心部和表面温差大，往往在心部形成大量粗大的粒状贝氏体组织，这种组织对落锤性能非常不利，因此心部组织优化一直非常困难，如何减少厚规格管线钢板心部粒状贝氏体含量，提高落锤性能是一项非常有意义的工作。通过应变积累+最后道次Ar3附近轧制，利用应变诱导铁素体相变，使得整个厚度方向特别是心部非常细小铁素体晶粒析出，从而优化整个厚度方向组织，获得优异的超厚规格X80落锤性能。

[0024] 本发明厚规格的X80钢板无需后续调质工艺，简化了工艺，有助于提高生产效率。

[0025] 与现有技术相比，本发明具有如下特点： 1）通过调整X80管线钢的合金成分，使适于生产30mm以上特厚规格X80管线钢，并与炼钢工艺中特定TMCP工艺相匹配，生产30mm以上特厚规格X80钢板，使钢板成品具有优异的低温韧性，特别是-15℃及以下温度的落锤性能；2）该发明特定TMCP工艺简单，成材率高；3）采用特定成分及特定TMCP工艺彻底解决了超厚规格X80低温落锤性能要求技术难题。

附图说明

[0026] 图1为本发明实施例1中钢板的组织结构图。

具体实施方式

[0027] 以下结合附图、实施例对本发明作进一步详细描述。

[0028] 实施例1

[0029] 本实施例的超厚规格高韧性X80管线用钢板的厚度为30mm，其化学成分按质量百分比计为：C：0.02%，Mn：1.9%，Si：0.25%，S：0.0005%，P：0.01%，Nb：0.055%，Ti：0.018%，V：0.007%，Al：0.030%，Mo+Cu+Ni+Cr≤ 0.65%， N≤ 0.010%，O：≤ 0.006%，Ca：≤0.01%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素。

[0030] 该X80管线用钢板的制造工艺为，按上述钢板成品的化学组分配置冶炼原料并依次经KR铁水预处理、转炉冶炼、LF 精炼、RH 真空精炼和连铸，制造出满足化学成分要求、厚度为370mm左右的连铸坯。将连铸坯再加热至1180℃，保温7.5小时；出炉后进行两阶段轧制：第一阶段为再结晶区轧制，终轧温度控制在1050～1100℃，再结晶区轧制时控制连续两至三道次的单道次压下率不低于22%，累计变形率为15～55%；第二阶段为非再结晶区轧制，开轧温度控制为820～960℃，累积变形率为55%，终轧温度控制在相变临界温度，即760℃；然后冷却钢板，开始冷却温度控制为不高于760℃，冷却速度为19℃/s，终止冷却温度为500℃，最后冷却至室温即得到钢板成品。

[0031] 经由上述制造工艺制得的30mm厚的X80管线用钢板，晶粒度达到了11.0级以上，主要以针状铁素体相存在，如图1所示，综合性能优异，其机械性能详见表1。

[0032] 实施例2

[0033] 本实施例的超厚规格高韧性X80管线用钢板的厚度为35mm，其化学成分按质量百分比计为：C：0.06%，Mn：1.65%，Si：0.15%，S：0.0005%，P：0.008%，Nb：0.070%，Ti：0.018%，V：0.008%，Al：0.028%，Mo+Cu+Ni+Cr≤ 0.65%， N≤ 0.010%，O：≤ 0.006%，Ca：≤0.01%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素。

[0034] 该X80管线用钢板的制造工艺为，按上述钢板成品的化学组分配置冶炼原料并依次经KR铁水预处理、转炉冶炼、LF 精炼、RH 真空精炼和连铸，制造出满足化学成分要求、厚度为370mm左右的连铸坯。将连铸坯再加热至1200℃，保温7小时；出炉后进行两阶段轧制：第一阶段为再结晶区轧制，终轧温度控制在1050～1100℃，再结晶区轧制时控制连续两至三道次的单道次压下率不低于22%，累计变形率为16～50%；第二阶段为非再结晶区轧制，开轧温度控制为820～960℃，累计变形率为60%，终轧温度控制在相变临界温度Ar3附近，即
755℃；然后冷却钢板，开始冷却温度控制为不高于760℃，冷却速度为10℃/s，终止冷却温度为350℃，最后冷却至室温即得钢板成品。

[0035] 经由上述制造工艺制得的35mm厚的X80管线用钢板，晶粒度达到了11.0级以上，主要以针状铁素体相存在，综合性能优异，其机械性能详见表1。

[0036] 实施例3

[0037] 本实施例的超厚规格高韧性X80管线用钢板的厚度为33mm，其化学成分按质量百分比计为：C：0.04%，Mn：1.75%，Si：0.23%，S：0.0005%，P：0.009%，Nb：0.080%，Ti：0.018%，V：0.007%，Al：0.030%，Mo+Cu+Ni+Cr≤ 0.65%， N≤ 0.010%，O：≤ 0.006%，Ca：≤0.01%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素。

[0038] 该X80管线用钢板的制造工艺为，按上述钢板成品的化学组分配置冶炼原料并依次经KR铁水预处理、转炉冶炼、LF 精炼、RH 真空精炼和连铸，制造出满足化学成分要求、厚度为350mm左右的连铸坯。将连铸坯再加热至1183℃，保温7小时；出炉后进行两阶段轧制：第一阶段为再结晶区轧制，终轧温度控制在1050～1100℃，再结晶区轧制时控制连续两至三道次的单道次压下率不低于22%，累计变形率为19～40%；第二阶段为非再结晶区轧制，开轧温度控制为820～960℃，累计变形率为62%，终轧温度控制在相变临界温度Ar3附近，即
775℃；然后冷却钢板，开始冷却温度控制为不高于760℃，冷却速度为15℃/s，终止冷却温度为400℃，最后冷却至室温即得钢板成品。

[0039] 经由上述制造工艺制得的33mm厚的X80管线用钢板，晶粒度达到了11.0级以上，主要以针状铁素体相存在，综合性能优异，其机械性能详见表1。

[0040] 实施例4

[0041] 本实施例的超厚规格高韧性X80管线用钢板的厚度为35mm，其化学成分按质量百分比计为：C：0.05%，Mn：1.73%，Si：0.25%，S：0.0015%，P：0.007%，Nb：0.065%，Ti：0.018%，V：0.008%，Al：0.035%，Mo+Cu+Ni+Cr≤ 0.65%， N≤ 0.010%，O：≤ 0.006%，Ca：≤0.01%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素。

[0042] 该X80管线用钢板的制造工艺为，按上述钢板成品的化学组分配置冶炼原料并依次经KR铁水预处理、转炉冶炼、LF 精炼、RH 真空精炼和连铸，制造出满足化学成分要求、厚度为350mm左右的连铸坯。将连铸坯再加热至1210℃，保温8小时；出炉后进行两阶段轧制：第一阶段为再结晶区轧制，终轧温度控制在1050～1100℃，再结晶区轧制时控制连续两至三道次的单道次压下率不低于22%，累计变形率为21～57%；第二阶段为非再结晶区轧制，开轧温度控制为820～960℃，累计变形率为68%，终轧温度控制在相变临界温度Ar3附近，即
770℃；然后冷却钢板，开始冷却温度控制为不高于760℃，冷却速度为13℃/s，终止冷却温度为450℃，最后冷却至室温即得钢板成品。

[0043] 经由上述制造工艺制得的35mm厚的X80管线用钢板，晶粒度达到了11.0级以上，主要以针状铁素体相存在，综合性能优异，其机械性能详见表1。

[0044] 表1 各实施例所生产的钢板的机械性能

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