专利名称：一种高性能超细针状铁素体型输气管线钢制备工艺的制作方法
技术领域：
本发明属于低碳/超低碳微合金控轧控冷钢的领域，主要用于制造高压、大管径石油天然气输送管线钢的制备工艺。
背景技术：
石油天然气是国民经济的重要组成部分，是社会发展的物质基础，而管道运输是一种经济、安全和不间断的大规模的石油、天然气的输送方式。由于海上油气田、极地油气田和腐蚀环境油气田的开发，不仅要求管线钢具有高的强度，而且要求应有良好的韧性、抗疲劳断裂性能和耐腐蚀性能。到2010年，我国原油缺口每年达7000万吨，天然气缺口达40-50亿立方米。目前，我国实施的“西气东输”输气管线建设工程已完成大半，同时还将建立数千公里的中俄输送管线，引进国外的能源。由于输送管线大部分都要经过严寒地带，沿途地域复杂，为了降低油气输送成本，要采用大管径，大输量的高压管线进行输送，这就要求输送管线钢在满足强度的条件下，具有极佳的韧性。为避免或减少在变动载荷下运行的管线发生疲劳损伤，同时还要求管线钢要很好的抗疲劳裂纹扩展的性能。对于输送酸气用管线钢还要求其具有很高的抗H2S腐蚀性能。
对于X70以下级别的管线钢，一般采用TMCP工艺以获得需要的组织与性能；对于X80及以上级别的管线钢，通常认为在现今的TMCP工艺下不易实现，需要采用回火马氏体组织的管线钢，或者在TMCP工艺的基础上附加轧后回火等工艺。而这些方法都不可避免的会增加管线钢生产的工艺难度，提高生产成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强韧性X70及以上级别高压输气管线用钢的生产工艺制度，采用本发明能在对现有管线钢成分及生产设备基本不作改变的基础上，通过对传统TMCP工艺进行明显改进，达到充分挖掘现有管线钢的性能潜力的目的。在新的工艺下，原有的X70管线钢能接近X90级别的水平。其组织状态是以充分细化的针状铁素体AF为主的复相组织。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是如下本发明对X70级高压天然气输送管线用钢提供一种新的热机械控制轧制工艺制度(TMCP)，即1.轧制道次分配18～22％-18～22％-20～35％-20～32％-25～35％-30～35％-33～36％，共7道具体为第一道次压下量为18～22％，第二道次压下量为18～22％，第三道次压下量为20～35％，第四道次压下量为20～32％，第五道次压下量为25～35％，第六道次压下量为30～35％，最后一道次压下量为33～36％；其中分别在奥氏体再结晶区、未再结晶区及奥氏体/铁素体两相区1-3道次控轧控冷，加热温度1150℃，开轧温度为1100℃-1050℃，待温温度区间为1020℃-950℃，精轧开始温度890℃-920℃，终轧温度区间为830℃-750℃，终轧后控制冷却至550℃-450℃之间；2.冷却方式水冷(20℃～30℃/s)。
本发明原理是在T.Tanaka等提出的“控制轧制三阶段工艺”理论的基础上，对组织进行控制并充分细化晶粒。即通过在奥氏体再结晶区/未再结晶区及奥氏体/铁素体两相区进行严格控制的多道次轧制，着重利用在奥氏体静态相变温度以下发生的形变诱导铁素体相变，再配合中等的冷却速度(15℃-30℃/s)，能够获得在充分细化的针状铁素体AF基体上弥散分布M/A组元的复相组织。本发明工艺制度下得到的管线钢组织与性能都接近或达到了国际上同类产品的最高水平。
本发明对超纯净冶炼的X70级高压天然气输送管线用钢提供了一种新的组织状态即0在充分细化的针状铁素体AF组织基础上弥散分布着M/A组元。
采用该复相组织的依据是极细的非等轴针状铁素体AF基体中弥散分布着渗碳体和马氏体岛，其亚结构具有很高的位错密度。该种复相组织结构具有很高的强度和韧性。针状铁素体AF具有连续屈服的特性，因此针状铁素体AF能够削弱因包辛格效应引起的屈服强度降低。而充分细化的针状铁素体AF在相变强化作用的基础上，充分利用细化强化的作用，大幅度提高了传统针状铁素体AF管线钢的机械性能，能生产出强度级别和韧性更高、疲劳性能更好的板材。超细针状铁素体型输气管线钢制备工艺本发明工艺生产的管线钢与现有X60陕京管线钢相比更具有如下优点1.本发明工艺得到的管线钢具有更高的强度和很高的低温冲击韧性，同时还具有很好的抗疲劳裂纹扩展能力。其在模拟管线实际运行条件下的疲劳寿命比商用X60管线钢提高70％以上，比商用X70管线钢提高20％以上。
2.采用本发明工艺的管线钢能够获得在充分细化的针状铁素体AF基体上弥散分布M/A组元的复相组织，其晶粒尺寸明显小于商用X60管线钢，晶粒平均尺寸达到2um左右。
3.管线钢的综合性能好。采用本发明具体为σs＝649～715MPa，σb＝605～625MPa，δ50＝21.2～24.6％，CVN-40℃＝132～149J，CVN-100℃＝119～137J，CVN-160℃＝103～107J(半尺寸样品，55×5mm)。
图1为本发明一个实施例金相组织图。
图2为本发明另一个实施例金相组织图。
图3为本发明又一个实施例金相组织图。
图4为现有技术中X60钢金相组织图。
图5为现有技术中X70钢金相组织图。
图6为本发明的一个比照例金相组织图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1两种管线钢采用真空感应炉熔炼，锻造并机加工成尺寸为70×80×80mm的方坯，根据本发明的管线钢工艺，在小型轧机上进行热机械控轧控冷，最后在等温炉中模拟卷取，轧制成7mm厚的板材。对于本实施例坯料尺寸轧制工艺共7道(20％-20％-33％-20％-33％-30％-36％)，70-56-45-30-24-16-11-7，具体为第一道次从厚度70mm轧至56mm，第二道次从56mm轧至45mm，第三道次从45mm轧至30mm，第四道次从30mm轧至24mm，第五道次从24mm轧至16mm，第四道次从16mm轧至11mm，最后一道次从11mm轧至7mm；水冷20℃/秒。加热温度1150℃。
其化学成分见表1，本发明工艺制度见表2，本发明实施例和对照例的机械性能见表3，本发明实施例(在奥氏体再结晶区3道次、未再结晶区3道次及奥氏体/铁素体两相区1道次)和对照例的疲劳性能见表4。
本实施例(其金相组织参见图1)与现有技术中的X60、X70及对照例(参见图4、5、6)相比，其综合性能大大提高，具体为σs可达715Mpa，σb可达625MPa，δ50可达22.3％，CVN-40℃可达132J，CVN-100℃可达129J，CVN-160℃可达103J(半尺寸样品，55×10×5mm)。
实施例2与实施例1不同之处在于所述轧制7道工艺为70-57-45-34-24-16-10.5-7(18％-21％-24％-30％-33％-34％-33％)，水冷30℃/秒。
其化学成分见表1，本实施例工艺制度见表2，本实施例和对照例的机械性能见表3，本实施例(在奥氏体再结晶区3道次、未再结晶区3道次及奥氏体/铁素体两相区1道次)和对照例的疲劳性能见表4。
本实施例(其金相组织参见图2)与现有技术中的X60、X70及对照例(参见图4、5、6)相比，σs可达698Mpa，σb可达612MPa，δ50可达24.6％，CVN-40℃可达143J，CVN-100℃可达136J，CVN-160℃可达106J(半尺寸样品，55×10×5mm)。
实施例3与实施例1不同之处在于所述轧制7道工艺为70-56-45-32-22-16-11-7(20％-20％-29％-31％-27％-31％-36％)，水冷25℃/秒。
其化学成分见表1，本发明工艺制度见表2，本发明实施例和对照例的机械性能见表3，本发明实施例(在奥氏体再结晶区3道次、未再结晶区3道次及奥氏体/铁素体两相区1道次)和对照例的疲劳性能见表4。
本发明实施例(其金相组织参见图3)与现有技术中的X60、X70及对照例(参见图4、5、6)相比，σs可达645Mpa，σb可达602MPa，δ50可达20％，CVN-40℃可达149J，CVN-100℃可达137J，CVN-160℃可达106J(半尺寸样品，55×10×5mm)。
表1、本发明实施例管线钢的化学成分
表2、本发明实施例1～3工艺制度
表3材料机械性能试验结果
表4疲劳寿命试验结果
权利要求
1.一种高性能超细针状铁素体型输气管线钢制备工艺，采用热机械控轧工艺制度，其特征在于1)轧制道次分配为18～22％-18～22％-20～35％-20～32％-25～35％-30～35％-33～36％，共7道；2)分别在奥氏体再结晶区、未再结晶区及奥氏体/铁素体两相区多道次控轧控冷，加热温度1150℃，开轧温度为1100℃-1050℃，待温温度区间为1020℃-950℃，精轧开始温度890℃-920℃，终轧温度区间为830℃-750℃，终轧后控制冷却至550℃-450℃之间。
2.按权利要求1所述高性能超细针状铁素体型输气管线钢制备工艺，其特征在于所述冷却方式为水冷，20℃～30℃/秒。
3.按权利要求1所述高性能超细针状铁素体型输气管线钢制备工艺，其特征在于所述在奥氏体再结晶区、未再结晶区及奥氏体/铁素体两相区控轧控冷道次可以为1-3。
全文摘要
本发明公开一种高性能超细针状铁素体型输气管线钢制备工艺。它采用热机械控轧工艺制度(TMCP)轧制道次分配为18～22％－18～22％－20～35％－20～32％－25～35％－30～35％－33～36％；加热温度1150℃，开轧温度为1100℃－1050℃，待温温度区间为1020℃－950℃，精轧开始温度890℃－920℃，终轧温度区间为830℃－750℃，终轧后控制冷却；显微组织为在充分细化的针状铁素体AF基体上弥散分布着M/A组元。由本发明得到的管线钢不但具有更高的强度和很高的低温冲击韧性，而且能具有更好的抗疲劳裂纹扩展的能力，用于制造高压、大管径石油天然气输送管线钢。
文档编号C21D8/00GK1629325SQ200310119100
公开日2005年6月22日 申请日期2003年12月15日 优先权日2003年12月15日
发明者钟勇, 单以银, 肖福仁, 杨柯 申请人:中国科学院金属研究所