本发明属于金属材料高强度低合金钢领域，具体涉及一种油气输送管道用管线钢的制造方法，特别是涉及一种低温韧性优异的L555M钢级管线钢及其热轧板卷的制造方法。
背景技术：
近年来能源输送管道建设飞速发展，为提高输送效率和运行安全，对所选用的钢铁原材料的强韧性要求越来越高。当前国内外重大管道主干线基本采用L485M、L555M钢级。
当管道地域处于极冷地带或输送介质为低温液化天然气时，从运营稳定性和安全性出发，对原材料的低温韧性指标提出了更高的要求，例如低温落锤和韧脆转变温度要求检验的温度更低、夏比冲击功要求的指标更高等，因此这些工程均提出了更高的个性化要求，仅仅满足API SPEC 5L规范已远远不够。
虽然目前国内外关于L555M钢级管线钢热轧卷板的资料较多，但能满足-30℃以下低温断裂韧性要求的很少，以下简要介绍几个相近的文献：
中国专利，申请号201610125245.6，公开了一种大管径大壁厚X80螺旋埋弧焊管及其制造方法。该专利成分中C≤0.06％、Si 0.17％～0.25％、Mn≤1.6％、S≤0.004％、P≤0.012％、Cr 0.20％～0.30％、Mo 0.15％～0.30％、Ni 0.10％～0.20％、Nb 0.07～0.10％、V≤0.05％、Ti≤0.03％、Cu 0.1％～0.2％、Al≤0.05％等。该专利以添加更多的贵重合金元素来弥补低C低Mn造成的强度损失，成本高。
中国专利，申请号201611102795.2，公开了一种低碳X80管线钢板卷。该专利成分C≤0.035％、Si≤0.03％、Mn 1.60％～1.90％、S≤0.0025％、P≤0.01％、Nb 0.050％～0.075％、Ti 0.01％～0.02％、Mo 0.2％～0.30％、Cr 0.15％～0.30％、Cu 0.15％～0.30％、Ni 0.20％～0.60％、N≤0.004％、Al 0.015％～0.045％。该专利中利用较多的贵重合金元素来弥补因过度降低C造成的强度损失，成本高。
中国专利，申请号200810227820.9，公开了一种高强韧性螺旋埋弧焊管用X80热轧卷板及其生产方法。该专利成分C 0.03％～0.08％、Si 0.10％～0.25％、Mn 1.60％～1.95％、S≤0.003％、P≤0.018％、Nb 0.09％～0.11％、V 0.02％～0.03％、Ti 0.010％～0.020％、Mo 0.10％～0.30％、Cr 0～0.30％、Cu 0.10％～0.30％、Ni 0.10％～0.30％、N≤0.006％。该专利合金设计采用高Nb含V，与本发明明显不同，成本偏高，工艺上采取常规层流冷却方式，不利于晶粒的细化和组织的均匀化，影响产品性能，提高生产成本。
韩国专利KR20140130325(A)，HOT-ROLLED STEEL SHEET AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME。该专利成分C 0.05％～0.15％、Si 0.2％～0.5％、Mn 1.7％～2.2％、S≤0.01％、P≤0.03％、Nb 0.06％～0.012％、Ti 0.01％～0.05％、Mo 0.1％～0.5％、Cr 0.1％～0.5％、Cu 0.15％～0.20％、Ni 0.1％～0.5％、N≤0.01％。该专利成分要求宽泛且合金添加量多，成本高，另外杂质元素含量要求过于宽泛，不利于低温断裂韧性控制。工艺上终冷温度530～630℃，明显偏高，不利于组织转变和细化。
日本专利JP10102184，公开了制造高强度电阻焊钢管用热轧钢板。该专利成分C 0.04％～0.08％、Si 0.10％～0.30％、Mn 1.20％～1.70％、Ti 0.020％～0.070％、Nb 0.030％～0.080％、Mo 0.10％～0.50％，可添加Cu 0.20％～0.50％、Ni 0.10％～0.40％、V 0.010％-0.030％。该专利成分要求宽泛且合金设计中无Cr，贵重合金元素含量高，成本偏高。
俄罗斯专利，RU2549023(C1)，METHOD OF PRODUCTION OF ROLLED PLATES WITH STRENGTH CLASS K65,X80,L555TO MANUFACTURE ARC WELDED PIPES OF MAIN PIPELINES。该专利成分C 0.03％～0.08％、Si 0.12％～0.35％、Mn 1.65％～2.10％、S 0.0005％～0.003％、P 0.002％～0.015％、N 0.001％～0.0085、Ti 0.010％～0.035％、Nb 0.030％～0.090％、V 0.001％～0.10％、Mo 0.01％～0.30％、Cu 0.01％～0.30％、Ni 0.01％～0.30％、Cr 0.01％～0.30％，该专利成分要求宽泛，合金元素要求多，不仅体系复杂，而且成本高。
李人杰，袁媛等人在《包钢科技》2007，43(2)：38-40发表了《包钢22mm X80管线钢热轧卷板研制》，文中化学成分为：C 0.05％、Si 0.20％、Mn 1.70％、P 0.01％、S 0.001％、Nb 0.06％、Ti 0.012％、Mo 0.15％、Ni 0.15％、Cr 0.20％、Cu 0.12％、N 0.004％，没有提及具体工艺参数，冷却方式为层流冷却。该论文含Cu，采取的常规层流冷却，不利于晶粒的细化和组织的均匀化，影响产品性能且提高生产成本。
孔祥磊、黄国建等人在《金属热处理》2010，35(9)：66-69发表了《X80管线钢连续冷却相变研究》。文中化学成分为：C 0.034％、Si 0.26％、Mn 1.82％、P≤0.02％、S≤0.004％、Nb+V+Ti≤0.15％、Mo≤0.35％、Ni≤0.30％、Cr≤0.30％、Cu≤0.30％、N 0.0034％。该论文中没有提及贵重合金元素的具体含量，从较低的C含量设计推断上分析，应添加了较多的贵重合金元素，且合金元素含量多，体系复杂。
以上文献中公开的L555M钢级管线钢均可以满足强度指标要求，但多难以满足-30℃以下低温断裂韧性要求，有的合金体系复杂，贵重合金元素多，成本高，有的工艺采取的是常规层流冷却，不利于晶粒的细化和组织的均匀化，影响产品性能且提高生产成本。
技术实现要素：
本发明的目的是，设计简单经济的合金体系，匹配精确的两阶段控制轧制和超快冷+层流冷却工艺，提供一种具有优异低温韧性的L555M钢级管线钢热轧卷板及其制造方法。
具体的技术方案是：
本发明提出一种具有优异低温韧性的L555M管线钢，其化学成分重量百分比为：C 0.045％～0.065％、Si 0.10％～0.25％、Mn 1.66％～1.76％、Nb 0.055％～0.075％、Ti 0.010％～0.025％、Mo 0.21％～0.29％、Cr 0.11％～0.19％、Ni 0.05％～0.15％、Als 0.015％～0.045％、P≤0.015％、S≤0.003％、N≤0.006％，余量为铁和不可避免的杂质，且冷裂纹敏感系数Pcm≤0.19％，其中Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B。
L555M管线钢的成分设计思想是采用C-Mn-Nb-Mo微合金设计，并添加少量的Cr、Ni、Ti等微合金元素，两阶段控制轧制和超快冷+层流冷却工艺获得细小的针状铁素体组织，以保证管线钢具有高强度高韧性以及优良的低温断裂韧性，其主要的基本元素和作用如下：
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对提高钢的强度有明显作用，但是提高C含量对钢的延性、韧性和焊接性有负面影响，低碳保证管线钢具有良好低温韧性、良好焊接性能和抗氢致裂纹(HIC)性能。因此，本发明的C含量为0.045％～0.065％。
Si：可以起到一定的固溶强化作用，但含量过高会使塑性和韧性降低，因此，本发明Si含量为0.10％～0.25％。
Mn：通过固溶强化提高钢的强度，是管线钢中补偿因C含量降低而引起强度损失的最主要且最经济的强化元素。Mn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、降低韧脆转变温度。但锰属于易偏析元素，过高易形成带状组织。因此，本发明的Mn含量为1.66％～1.76％。
Nb：是现代微合金化管线钢中最主要的元素之一，对晶粒细化的作用十分明显。通过热轧过程中NbC应变诱导析出阻碍形变奥氏体的回复、再结晶，经控制轧制和控制冷却使精轧阶段非再结晶区的形变奥氏体组织在相变时转变为细小的相变产物，以使钢具有更高强度和高韧性。Nb还通过析出强化提高钢的强度，降低碳含量可以提高板坯再加热时Nb在高温奥氏体中的固溶度，可充分发挥随后控制轧制过程中Nb对晶粒细化和析出强化的作用。Nb属于贵重元素，成本偏高。因此，本发明的Nb含量为0.055％～0.075％。
Mo：可有效提高钢的淬透性、扩大γ相区，具有降低γ－α相变温度，抑制多边形铁素体(PF)的形成，促进针状铁素体(AF)的转变，并提高Nb(C、N)的沉淀强化效果，提高钢材的强度和断裂韧性。但钼属于贵重元素，成本偏高。因此，本发明的Mo含量为0.21％～0.29％。
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，在板坯连铸时可形成细小的高温稳定的TiN析出相。这种细小的TiN粒子可有效地阻碍板坯再加热时的奥氏体晶粒长大，有助于提高Nb在奥氏体中的固溶度，同时对改善焊接热影响区的冲击韧性有明显作用。因此，本发明的Ti含量为0.010％～0.025％。
Cr：能够有效提高淬透性，抑制多边形铁素体和珠光体的产生，促进在中温和低温区内形成晶内有大量位错分布的铁素体或贝氏体，与Mo组合使用，效果更显著，与Mo相比，价格低廉。因此，本发明的Cr含量为0.11％～0.19％。
Ni：降低钢的韧脆转变温度，有利于提高产品的低温断裂韧性，同时可起到固溶强化作用，但Ni属于贵重元素，成本高。因此，本发明的Ni含量为0.05％～0.15％。
Als：脱氧元素，添加适量的铝可形成细小弥散的AlN粒子，有利于细化晶粒，提高钢的强韧性能，本发明的Als含量为0.015％-0.045％。
P、S、N：是钢中不可避免的杂质元素，希望越低越好，但要求过低会增加生产成本，本发明的P≤0.015％、S≤0.003％、N≤0.006％。
Pcm：控制冷裂纹敏感系数有利于保障产品的焊接性能，本发明的Pcm控制在≤0.19％。
本发明还提出一种采用薄板坯连铸连轧工艺制造具有良好低温韧性L555M管线钢热轧卷板的方法。其生产工艺流程涉及：铁水预处理—转炉冶炼—炉外精炼(RH+LF+钙处理)—连铸—板坯加热－轧制－超快冷+层流冷却—卷取。其特征是：
(1)冶炼连铸工艺：铁水预处理，转炉冶炼——经顶吹或顶底复合吹炼，炉外精炼——经RH真空处理、LF炉轻脱硫处理及进行钙处理以控制夹杂物形态和提高钢的延展性、韧性和冷弯性能，板坯连铸制成连铸板坯——全程保护浇注，并投入动态轻压下，以减少连铸坯中心偏析，铸坯厚度≤170mm，明显薄于目前主要应用的200mm以上厚连铸坯，其凝固冷却速率远远大于传统的厚板坯，二次枝晶间距大幅度减小。
(2)轧制工艺：连铸板坯在500～850℃温度直接热装，连铸板坯经步进式加热炉加热至1160～1200℃，随后经粗轧及精轧机组两阶段控制轧制，粗轧终轧温度≥980℃，粗轧3～5道次，精轧开轧温度为≤960℃，精轧终轧温度为770～810℃，精轧总压下率保证≥65％，随后采用两阶段控制冷却，先采用超快冷方式以40～60℃/s的速度冷却至550～600℃，然后采用层流冷却方式以10～25℃/s的速度终冷至400～500℃卷取。
本发明的L555M钢级热轧板卷具有优异的综合性能：屈服强度为560～640MPa，抗拉强度660～750MPa，断后延伸率≥30％，屈强比≤0.90；-40℃夏比冲击功(3个试样)Akv≥300J，-40℃平均落锤撕裂试验剪切面积(2个试样)SA≥95％；硬度HV10≤240，冷弯合格。
本发明技术方案的特别之处在于：(1)合金设计简单，采用C-Mn-Nb-Mo微合金设计，并添加少量的Cr、Ni、Ti等微合金元素，不含Cu、V等，合金成本低。(2)连铸板坯厚度≤170mm，采用短流程连铸连轧生产工艺，效率高，节省能源。(3)采用超快冷+层流冷却方式两段控制冷却，保证晶粒细小、组织均匀。(4)产品综合性能优异，尤其是低温韧性，在-40℃下，落锤撕裂试验平均剪切面积≥95％。
有益效果：
本发明同现有技术相比，有益效果如下：
(1)合金设计简单，采用C-Mn-Nb-Mo微合金设计，并添加少量的Cr、Ni、Ti等微合金元素，不含Cu、V等，合金成本低。
(2)连铸板坯厚度≤170mm，采用短流程连铸连轧生产工艺，效率高，节省能源。
(3)采用超快冷+层流冷却方式两段控制冷却，保证晶粒细小、组织均匀。
(4)产品综合性能优异，尤其是低温韧性，在-40℃下，落锤撕裂试验平均剪切面积≥95％。
(5)采用上述工艺生产的L555M管线钢，可广泛应用于靠近极地的寒冷地带或者沙漠、深海等自然环境严酷的地域。
附图说明
图1为实施例1的光学显微组织；显微组织为铁素体；
具体实施方式
以下实施例用于具体说明本发明内容，这些实施例仅为本发明内容的一般描述，并不对本发明内容进行限制。
表1为实施例钢的化学成分。其工艺流程为铁水预处理—转炉冶炼—炉外精炼(RH+LF+钙处理)—连铸—板坯加热－轧制－超快冷+层流冷却—卷取，实施例钢具体工艺制度见表2。表3为实施例钢的主要力学性能。
表1实施例钢化学成分(wt，％)
注：Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B.
表2实施例钢工艺制度
表3实施例钢主要力学性能
由表1～3可见，采用本发明技术方案生产的L555M管线钢热轧板卷，具有良好的综合力学性能，尤其是具有优异的低温韧性，可广泛应用于极寒地带及自然条件严酷的区域。