一种低轧制力输气管线钢材及其生产方法

专利名称：一种低轧制力输气管线钢材及其生产方法
技术领域：
本发明涉及一种冶金钢材，更具体地说，本发明涉及一种燃气输送管线钢材及其生产工艺方法。
背景技术：
天然气或石油气是一种高燃烧值和相对清洁环保的气体燃料，已经成为国民经济的重要能源支柱之一。随着我国西气东输经济战略的确定，高压输气管道工程已经进入实施阶段，而这些工程的建设对高钢级管线钢的需求日益迫切；也带动了国内高钢级管线钢的研制与开发进入一个崭新的阶段，加快了国内管线钢的开发与应用步伐。众所周知，高压输送管线一旦发生断裂，往往引起不堪设想的重大事故除了给油田造成巨大的经济损失，还会给周围环境带来灾难性破坏。为保证长距离安全地进行燃气的高压输送，管线钢材最重要的就是具有良好的止裂性能，而良好的止裂性能包括低温时优良的夏比V型冲击功Akv韧性、良好的DWTT落锤性能、低的韧脆转变温度等。而为达到优良的止裂性能，通常都要保证钢坯的高纯净度、从而实现管线钢材微观层面晶粒的高均勻程度，例如公开号为CN1927486、名称为“低压缩比高级别管线钢生产工艺”的专利文件公开其钢材控制元素007%，对钢坯的纯净度要求太高，生产难度大，其对于粗轧和精轧的轧制道次限定，也只适于用150mm坯料的轧制，不适用于厚坯的轧制，且其未涉及止裂能力参数。还有采用1220°C以下低温加热措施、结合较大道次压下率以实现铸坯原始晶粒的高细度高均勻度的技术例如公开号为CN1351187、名称为“一种高洁净度高强韧性输气管线钢的制备方法”的专利文件，该文件公开其管线钢铸坯的加热温度控制在1200°C ；并采用奥氏体未再结晶区大压下轧制技术保证奥氏体的晶粒均勻程度，其公开轧制道次分配为 60-44-32-22-12-8mm，计算其单道次压下率在36-83%以上，这么高的道次压下率在厚板生产中无法实现。公开号为CN1746326、名称为“具有高止裂韧性的针状铁素体型X70管线钢及其制造方法”的专利文件，公开其为达到高均勻度细晶粒微观结构，要求超低碳(C小于 0. 06% )，要求精轧累计压下率在70%以上，未对道次压下率作出要求。公开号为CN101476026、名称为“一种提高压管线钢落锤性能的方法”的专利文件， 公开其粗轧道次变形率在15% 30%之间，以压合连铸坯缺陷并保证奥氏体的晶粒均勻程度，该技术对轧机能力要求高，在厚板生产中难以实现。综上可见传统技术为实现管线钢材微观层面晶粒的高均勻程度、从而达到优良的止裂性能，或者过高过严地控制钢坯某些元素的纯净度、或者采用低温与大轧下率结合的措施，这样，一来对炼钢环节提出了难以实现的高要求，二来要求轧制环节的轧机的单位宽度轧制力起码在18kN/mm以上才能实施轧制，三来，这些传统技术可以轧制的板型也受到限制，不能灵活采用薄、中、厚三种铸坯来生产高压管线钢材。然而国内中厚板生产线企业大多仅装备单位宽度轧制力低于18kN/mm的轧机，如果按照上述传统生产工艺，都难以投产止裂性能的管线钢、更不能确保生产出的管线钢具有优良的止裂性能。而这既制约了广大钢铁生产企业的发展和进步，也不利于输气管线钢材的研究与开发。

发明内容
针对现有技术的上述缺点，本发明的目的是要提供一种低轧制力输气管线钢材及其生产方法，其具有如下优点可以在普通装备水平的钢铁冶金企业中、稍加工艺调整，就能利用单位轧制力低于18kN/mm的中厚板轧机，对薄/中/厚多种铸坯进行有效轧制，从而生产出优良止裂性能的输气管线钢材。为此，本发明的技术解决方案之一是一种低轧制力输气管线钢材，其包括如下重量百分比(wt% )的主成分:Fe :96. 3 98. 6，C :0. 030 0. 010，Mn :1. 20 1. 90，Si 0. 10 0. 35，Nb 0. 015 0. 120，Ti :0. 005 0. 025，N :0. 001 0. 005，且 Ti/N = 3-6, Alt :0. 020 0. 040，且Ca/Alt彡0. 10 ；其还包括如下重量百分比(wt % )的残余成分 0 彡 0. 004，P 彡 0. 010，S 彡 0. 003，As 彡 0. 03，Sn 彡 0. 02，Sb 彡 0. 02。传统管线钢由于其钢坯材质原因，如要生产出高强度高韧性级别的管线钢，必须采用低温加热、大压下率轧制的控轧工艺，单道次压下率大，对轧机轧制力和电机能力要求高，需要保证轧机单位轧制力在18kN/mm以上才能实现达产达标，而对于轧制能力弱的轧机而言，传统钢坯材质经常会导致轧机跳间和超负荷，故障率在67%以上，每次跳间处理时间在aiiin以上，造成钢坯温度低不能继续轧制，如轧件在轧制过程中跳闸会造成轧件滞留在轧辊间，造成轧辊表面温度高，易形成辊面网纹，严重影响生产节奏和轧机主要部件的使用寿命。针对传统管线钢材质的弊病，本发明人在大量实验的基础上，立足于普通钢铁冶金企业的装备水平，通过适当提高钢的纯净度以及特色的夹杂物控制技术，开发制得了本发明具有合适比例铁素体加针状铁素体组织的管线钢铸坯；本发明管线钢材的铸坯化学成分，其配方主要原则为低碳、Nb、Ti微合金化；另外，根据不同钢种需求，还适当掺杂Mo、Cu、Ni、V。各相关元素按照如下原则进行成分配比
调整碳是传统的钢的强化元素，但它对韧性和焊接性十分有害。碳含量小于0. 1 %时具有良好的焊接性。而随着微合金化和控轧控冷等技术的发展，使得管线钢的含碳量降低的同时还能保持其较高强韧性。但当钢的含碳量< 0. 01%时，由于间隙碳原子的减少和Nb、 C、N的沉淀析出减少而弱化了晶界，使热影响区晶界相对脆化。从综合性能出发，保证止裂性能的X60-X80管线钢碳含量范围定在0. 03% 0. 10%。硅主要起固溶强化作用，炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂；硅含量增加可使钢的硬度和强度增加，但塑性及韧性下降并降低钢的焊接性能。本发明控制其范围在 0. 10 0. 35%。锰主要起固溶强化的作用。在碳含量相同的情况下，随着锰含量的增加，强度增加，锰还起降低相变温度的作用，有助于晶粒细化，所以锰是不可缺少的元素。但锰含量过高，会使韧性降低，造成钢板带状组织严重，增强各向异性，本发明控制其范围在1. 20 1. 90%。硫易与锰结合生成MnS夹杂，影响管线钢的低温冲击韧性；磷在管线钢中是容易造成偏析的元素，它还会恶化焊接性能，显著降低钢的低温冲击韧性，提高韧脆转变温度。 因此，管线钢对P、S元素的含量是尽量去除。而由于As、Sn、Sb三元素它们的电负性因素和尺寸因素，使得它们极易在晶界偏聚，降低晶界内聚力。对宏观性能的影响为钢材的断裂功减小，冲击韧性明显降低。因此， 应该对其含量予以特别地适当控制。铌是取得良好的控轧效果最有效的微合金化元素之一。通常含铌钢加热到 1200°C、均热2hr后，钢中铌可固溶于奥氏体中。这种固溶铌在加热过程中可以阻碍奥氏体晶粒长大，在轧制中会在位错、亚晶界、晶界上沉淀析出铌的碳、氮化物，阻碍奥氏体动态再结晶，细化晶粒，提高强度，提高止裂性能。钛的作用主要是其未溶解的碳、氮化物颗粒分布在奥氏体晶界上，管线钢中用微钛来固定钢中的氮，由于形成难溶的TiN而消除了钢中的自由氮，从而改善钢的韧性，TiN 可阻碍钢在热加工前的加热过程中奥氏体晶粒长大。提高奥氏体状态下铌的固溶度，进一步发挥铌的细化晶粒和沉淀强化作用。另外，微量钛可以防止在焊接热影响区出现粗晶，保证管线钢在焊接热影响区具有高韧性。钛的加入量过多，会形成对韧性不利的TiC。因此， 实际生产中钛含量控制在0.005-0. 025%，N含量控制在0.001-0. 005%，[Ti]/[N]含量比控制在3 6。与铌和钛相比，钒的溶解温度较低，它几乎不形成奥氏体中的析出物。其阻碍再结晶的作用较弱，仅在900°C以下才对再结晶起推迟作用，具有轻微的细化组织作用和一定的沉淀强化作用。在Y — α相变中发生相间沉淀，形成非常细小的合金碳化物，起沉淀强化的作用。钼是促进针状组织的元素，加入钼有利于针状组织的发展，抑制多边形铁素体的形成，因而能在极低的碳含量下得到较高的强度。少量的其它合金元素，如铜、铬和镍，通过固溶强化和晶粒细化有助于强度的增加。由后面的控轧控冷工艺及钢材止裂性能实测参数可见本发明配方及冶炼制得的铸还，允许采用单位轧制力低于18kN/mm的轧机进行轧制，且能生产出)(60-X80级别的高强度、高止裂性能的管线钢材，轧机及生产线整体的运行状态大幅改善，轧机及生产线整体的运行状态大幅改善，生产过程因轧制能力不足造成的故障率由67%下降到1%。为进一步提供不同型号的高止裂性能管线钢材，本发明管线钢包括如下的具体改进所述管线钢材还包括一种或以上的如下重量百分比)的掺杂成分Ca: 0. 0021 0. 045，Mo :0. 05 0. 40，Cu :0. 10 0. 40，Ni :0. 10 0. 40，V :0. 01 0. 06。为进一步改善高压管线钢材的综合止裂性能，本发明管线钢包括如下的具体机械强度参数方面的改进所述管线钢材达到如下技术指标屈服强度Rt0.5彡430Mpa,抗拉强度 Rm 彡 490Mpa，屈强比 RtO. 5/Rm 彡 0. 90，-15°C时 V 型冲击功 Akv 彡 210 焦耳(J)，-15°C下落锤撕裂试验横向变形率(DWTT)彡85%，维氏硬度HVlO彡160。相应地，本发明的另一技术解决方案是一种如上所述低轧制力输气管线钢材生产方法，该方法包括如下步骤A、转炉冶炼控制入转炉铁水S彡0. 005%，出钢严控挡渣；B、钢包炉LF精炼对出转炉铁水进行精炼，制得LF炉钢水；C、真空脱气炉RH精炼对出LF炉钢水进行真空脱气，总吹氩时间> 30分钟，抽真空压力彡lkPa，抽真空保持时间彡15min，在钢包中喂入CaSi线或!^eCa合金线，控制钢中 Ca/Alt ^ 0. 10，对出LF炉钢水进行真空脱气，制得精炼钢水；D、连铸采用精炼钢水连铸，得到厚度为150-250mm的铸坯，然后堆冷48hr以上；E、铸坯加热对堆冷后铸坯进行加热，加热整体时间按铸坯厚度计时率> Smin/ cm控制，其中，加热段控制温度1150-1280°C，均热段控制温度1230_1250°C ；F、轧制对加热后铸坯进行粗轧、精轧，轧制力按待轧件单位宽度控制为< ISkN/ mm ；其中，粗轧控制粗轧速度1. 5 2. 5m/s、温度980 1100°C、后3道的单道次压下率大于15%、粗轧总变形率彡60%;精轧控制精轧速度1. 5 6m/s、开轧温度880_950°C、终轧温度770-800°C、道次压下量为4-30%，其中至少一个连续3道次包含压下率大于15%的单道次，精轧总变形率为60 75%，制得精轧板件；G、控制冷却对精轧板件进行控制冷却，控制降温速度为15°C /s-25°C /s,终止温度为480-580°C，制得精轧板材。本发明的管线钢材生产方法在本发明钢坯配比和质量的改善基础上，结合控轧控冷工艺，在粗轧、精轧环节分别采用不同程度连续道次中大于15%的压下率来优化钢材金相，在单位轧制力低于18kN/mm的轧机生产线上生产出)(60-X80级别、能保证止裂能力的管线钢，而且，本发明的方法立足于普通装备水平的钢铁冶金企业，所作工艺调整简单易行， 可对薄/中/厚多种铸坯进行有效轧制，制得钢板组织以针状铁素体为主，其各方面强度、 抗止裂指标、低温韧性均全面符合管线钢行业要求。为进一步改善高性能管线钢材的应用性能，本发明管线钢包括如下的具体工艺参数方面的改进所述生产方法还包括步骤H、即对精轧板材进行矫直、堆冷Mhr以上、质检，制得所述管线钢材成品，所述管线钢材厚度为12-25mm。为进一步适时适处地改善高性能管线钢材的配比、微观晶型结构，本发明管线钢包括如下的具体机械强度参数方面的改进所述步骤C中，按每吨钢水700_800g/t比率在钢包中喂入CaSi线或!^eCa合金线。为进一步降低钢水坯件中气体含量、使得夹杂物变性充分、优化微观晶型结构，本发明管线钢包括如下的具体机械强度参数方面的改进所述步骤C中，抽真空压力控制为0. 02-0. 2kPa，抽真空保持时间为15-20min。所述步骤C，在喂入CaSi线或!^eCa合金线后，还包括软吹彡5分钟的操作。所述步骤D，还包括控制铸坯的疏松和偏析小于Cl. 5级。所述步骤E中，加热整体时间按铸坯厚度控制在8-lOmin/cm ；所述步骤F中精轧及粗轧单道次压下率不大于25%。总而言之本发明的生产方法在炼钢工艺环节，采用低碳、低硫、夹杂物钙处理技术及心部质量控制、铁水全量脱硫预处理、入转炉铁水S < 0. 005%，成品S < 0. 003% ；出钢严控挡渣、使用专门的低P金属锰合金，使得钢材成品P彡0. 010% ；钢水进RH炉即开启全程吹氩、测温，在RH炉总吹氩时间> 30分钟，抽真空目标彡lkPa，保持时间不小于15min。 钢水出RH处理站前喂Si-Ca线或Fe-Ca线700 800g/t，保证Ca/Alt彡0. 10，钢水出RH 炉前软吹大于等于5分钟。RH环节的系列处理保证了钢中的低气体含量及夹杂物变性充分。在连铸过程中采用动态轻压下保证铸坯内部质量，连铸坯的疏松和偏析小于Cl. 5级， 良好的铸坯内部质量为后续轧制过程降低了工艺要求。铸坯采用48hr缓冷，使铸坯中的氢充分扩散，减少冷却带来的内应力。铸坯加热工序中，加热段温度为1150 1280°C，均热段温度1200-1250°C，加热时间大于Smin/cm，保证钢中微合金元素溶于奥氏体中，同时又防止奥氏体晶粒粗化；高的加热温度减轻了后续轧制的难度。热轧工序第一阶段基于钢坯的奥氏体再结晶过程，轧制时采用低速轧制，轧制速度1. 5 2. 5m/s，温度980 1100°C，要求第一阶段总变形量达到60%以上。在轧制力低的情况下，前面道次压下量不限定，只需保证后3道的单道次压下量大于15%但不需高于 25%，从而保证钢坯内部缺陷压合及晶粒的均勻性；在第二阶段未再结晶区轧制过程中，变形温度940-770°C，轧制速度1. 5 6m/s， 道次压下量为4-30%，累计变形量达到60 75%;区别传统管线钢生产中只对精轧累计压下率作出要求，而本发明要求精轧保证至少一个连续3道以上包含压下率大于15%的单道次、但不需高于25%，从而增加未再结晶区形变带的数量和晶粒尺寸细化，提高钢板的低温韧性，最后2-3道为保证板形压下率不要求，以期制得尺寸厚度合适的钢材成品；轧后冷却工序中冷却终止温度为480_580°C，冷却速度为15°C /s 25°C /s，冷却速度过低不能形成合适比例的针状铁素体组织，强韧性不匹配，冷却速度过大会造成组织中有异常组织，强度高而韧性低。钢板下线堆冷可以去除钢板中的氢，防止由于氢导致的裂纹发生，减少钢板在冷却时带来的内应力。本发明上述工艺系列环节的控制，实施简单而周到，能在普通装备水平的钢铁冶金企业、制得性能优良的薄/中/厚多种铸坯，并能以低轧制力轧制，制得微观针状铁素体组织为主、各方面强度、抗止裂指标、低温韧性均全面优良的管线钢材(本说明书中“hr”为 “小时”的英文缩写，“Alt”即“全铝含量”的英文缩写。)以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
具体实施例方式管线钢X70实施例1 在本发明的化学成分范围内，确定实施例1化学成分如表1所示，其中均控制 As ( 0. 03，Sn ( 0. 02，Sb ^ 0. 02 (以下实施例2、3相同)，冶炼铸造步骤及控制参数如表 2所示，控轧控冷步骤及控制参数如表3所示，制得的X70管线钢板主要控制参数总结如表 4所示，成品钢材力学性能如表5所示。所获得的典型金相组织为针状铁素体+粒状贝氏体 +少量块状铁素体。 表1X70管线钢的化学成分(wt % )
权利要求
1.一种低轧制力输气管线钢材，其包括如下重量百分比)的主成分Fe :96. 3 98. 6，C 0. 030 0. 010，Mn :1. 20 1. 90，Si :0. 10 0. 35，Nb :0. 015 0. 120，Ti 0. 005 0. 025, N 0. 001 0. 005，且 Ti/N= 3-6, Alt :0. 020 0. 040，且 Ca/Alt 彡 0. 10 ； 其还包括如下重量百分比(wt % )的残余成分0.004，P ^ 0.010, S ^ 0.003， As 彡 0. 03，Sn 彡 0. 02，Sb 彡 0. 02。
2.如权利要求1所述的低轧制力输气管线钢材，其特征在于所述管线钢材还包括一种或以上的如下重量百分比(wt% )的掺杂成分:Ca :0. 0021 0. 045，Mo :0. 05 0. 40， Cu 0. 10 0. 40, Ni 0. 10 0. 40, V :0. 01 0. 06。
3.如权利要求1或2所述的低轧制力输气管线钢材，其特征在于所述管线钢材达到如下技术指标屈服强度RtO. 5彡430Mpa，抗拉强度Rm彡490Mpa，屈强比RtO. 5/ Rm彡0.90，-15°C时V型冲击功Akv彡210焦耳(J)，-15°C下落锤撕裂试验横向变形率 DffTT彡85%，维氏硬度HVlO彡160。
4.如权利要求1-3之一所述的低轧制力输气管线钢材的生产方法，其包括如下步骤 A、转炉冶炼控制入转炉铁水S彡0. 005%，出钢严控挡渣；B、钢包炉LF精炼对出转炉铁水进行精炼，制得LF炉钢水；C、真空脱气炉RH精炼对出LF炉钢水进行真空脱气，总吹氩时间>30分钟，抽真空压力彡lkPa，抽真空保持时间彡15min，在钢包中喂入CaSi线或!^eCa合金线，控制钢中Ca/ Alt彡0. 10，制得精炼钢水；D、连铸采用精炼钢水连铸，得到厚度为150-250mm的铸坯，然后堆冷48hr以上；E、铸坯加热对堆冷后铸坯进行加热，加热整体时间按铸坯厚度计时率>Smin/cm控制，其中，加热段控制温度1150-1280°C，均热段控制温度1230-1250°C ；F、轧制对加热后铸坯进行粗轧、精轧，轧制力按待轧件单位宽度控制为<18kN/mm; 其中，粗轧控制粗轧速度1. 5 2. 5m/s、温度980 1100°C、后3道的单道次压下率大于 15%、粗轧总变形率彡60%;精轧控制精轧速度1. 5 6m/s、开轧温度880_950°C、终轧温度770-800°C、道次压下量为4-30%，其中至少一个连续3道次包含压下率大于15%的单道次，精轧总变形率为60 75%，制得精轧板件；G、控制冷却对精轧板件进行控制冷却，控制降温速度为15°C/s-25°C /s，终止温度为 480-580°C，制得精轧板材。
5.如权利要求4所述的低轧制力输气管线钢材的生产方法，其特征在于所述生产方法还包括步骤H、即对精轧板材进行矫直、堆冷Mhr以上、质检，制得所述管线钢材成品，所述管线钢材厚度为12-25mm。
6.如权利要求4所述的低轧制力输气管线钢材的生产方法，其特征在于所述步骤C 中，抽真空压力控制为0. 02-0. 2kPa，抽真空保持时间为15-20min。
7.如权利要求4所述的低轧制力输气管线钢材的生产方法，其特征在于所述步骤C 中，按每吨钢水700_800g/t比率在钢包中喂入CaSi线或!^eCa合金线。
8.如权利要求4所述的低轧制力输气管线钢材的生产方法，其特征在于所述步骤C， 在喂入CaSi线或!^eCa合金线后，还包括软吹彡5分钟的操作。
9.如权利要求4所述的低轧制力输气管线钢材的生产方法，其特征在于所述步骤D， 还包括控制铸坯的疏松和偏析小于Cl. 5级。
10.如权利要求4所述的低轧制力输气管线钢材的生产方法，其特征在于所述步骤E 中，加热整体时间按铸坯厚度控制在8-lOmin/cm ；所述步骤F中精轧及粗轧单道次压下率不大于25%。
全文摘要
本发明涉及一种低轧制力输气管线钢材及其生产方法，管线钢材包括如下重量百分比(wt％)的主成分Fe96.3～98.6，C0.030～0.010，Mn1.20～1.90，Si0.10～0.35，Nb0.015～0.120，Ti0.005～0.025，N0.001～0.005，且Ti/N＝3-6，Alt0.020～0.040，且Ca/Alt≥0.10；其还包括如下重量百分比(wt％)的残余成分O≤0.004，P≤0.010，S≤0.003，As≤0.03，Sn≤0.02，Sb≤0.02。本发明管线钢材可以在普通装备水平的钢铁冶金企业中、稍加工艺调整，就能利用单位轧制力低于18kN/mm的中厚板轧机，对薄/中/厚多种铸坯进行有效轧制，从而生产出优良止裂性能的输气管线钢材。
文档编号C21D8/02GK102206787SQ201110109599
公开日2011年10月5日 申请日期2011年4月28日 优先权日2011年4月28日
发明者刘年富, 廖卫团, 杜林秀, 杨太阳, 温志红, 邓伟, 高秀华, 齐亮 申请人:广东省韶关钢铁集团有限公司, 广东韶钢松山股份有限公司