超低温落锤性能优异的厚规格x80管线用钢板及其制造方法
【专利摘要】本发明公开了超低温落锤性能优异的厚规格X80管线用钢板，化学成分按质量百分比计为C0.02～0.06%、Mn1.45～1.6%，Si0.1～0.35%，S≤0.0006%，P≤0.010%，Nb0.055～0.08%、Ti0.008～0.03%、V≤0.008%，Alt≤0.06%，N≤0.0040%，O≤0.004%，Mo≤0.30%，Pb≤0.0015%，Zn≤0.003%，Sb≤0.0015%，Sn≤0.0015%，Cu≤0.30%、Ni0.20～1.5%，Cr≤0.35%，Mo+Cu+Ni+Cr≤1.5%，Ca≤0.01%，余量为Fe及不可避免的杂质元素；钢板的厚度为30mm及以上。其制造流程如下：配比备料→进行转炉或电炉冶炼→炉外精炼→连铸→板坯再加热→特定TMCP工艺+冷却后堆冷→矫直。本申请进一步提高了X80管线钢用钢板的低温韧性，尤其显著了提高了钢材的超低温落锤性能，成材率高。
【专利说明】
超低温落锤性能优异的厚规格X80管线用钢板及其制造方法
技术领域
[0001] 本发明涉及X80管线用钢板及其制造方法，具体涉及一种超低温落锤性能优异的 厚度在30mm以上的X80管线用钢板及其制造方法，本申请也适用于X80钢级以下的管线钢。
【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 超尚钢级发展。目如世界各国使用的管线钢最尚钢级为X80钢级。为提尚输送压力，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] X80管线钢国内专利授权或申请专利较多，但是涉及厚规格甚至超厚规格X80专利 且低温落锤性能要求则较少，而超低温落锤性能要求则基本未见报道。
[0004] 如专利号为CN101845596B中提到该专利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)该专利在乳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，
【申请人】 的实践证明，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； 如申请专利号为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，该申请专利有如下特点：1)该专利中要求Mo不低于0.15%，在 超厚规格情况下，Mo增加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含量在厚板坯乳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)在随后乳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。
[0005] 本专利是在申请专利号为CN201510153571.3所公开技术方案的基础上进行的包 括成分、工艺上的创新。厚规格X80管线钢特别是厚度规格超过30mm厚X80管线钢由于需要 低温韧性要求，特别是温度不高于-25°C DWTT落锤剪切面积要求，是世界公认的技术难题。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种生产厚度超过30mm厚 X80管线钢板及其制造方法，为获得超厚规格超低温DWTT落锤性能，除成分设计外，更需要 在生产工艺上采用特殊生产工艺，且该工艺相对比较简练，成材率较高，并获得优异的超低 温落锤性能。
[0007] 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，落锤性能除了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，同时还要考虑到其他影响落 锤影响因素如应力，残余元素及夹杂物水平控制等。
[0008] 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(含中间坯冷却工艺)+堆冷工艺。
[0009] 本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为，一种超低温落锤性能优异的厚规 格X80管线用钢板，该钢板的化学成分按质量百分比计为C:0.02~0.06%、Mn:1.45~1.6%， Si:0.1~0.35%，S:彡0·0006%，Ρ:彡0.010%，Nb:0.055~0.08%、Ti:0.008~0.012%、V :彡 0.008%,Alt：^0.06%,N： ^0.0040%,0:^0.004%,Mo：^0.30%,Pb^O.0015%,Ζη^Ο.003%, Sb彡0·0015%，Sn彡0·0015%，Cu:彡0·30%、Ni:0·20~1·5%，Cr:彡0·35%，Mo+Cu+Ni+Cr 彡 1.5%，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。 [00?0]进一步地，所述钢板的厚度为30~35mm;所述钢板的屈服强度彡555Mpa;抗拉强度 彡670Mpa，屈强比彡0.82,圆棒样延伸率彡25%，-25°C冲击功彡450J，-40°C冲击功彡400J，-60 °C冲击功多350J，-80 °C冲击功多330J; -25 °C落锤剪切面积多85%，-30 °C落锤剪切面积彡 80%，-48 °C落锤剪切面积多60%(全壁厚试样落锤性能，若是减薄试样落锤性能更高）。
[0011] 本发明具有超低温落锤性能优异的厚规格X80管线用钢板成分设计原理是采用适 量的C、Mn，通过加入微量Nb、V、Ti等微合金化元素，同时加入少量Mo、Cu、Ni等元素，结合特 定TMCP工艺，以便最终保证超厚规格X80具有低温高韧性，尤其是优异的DWTT落锤性能，其 主要的基本元素作用如下： C: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%。
[0012] :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，Μη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，Μη也是提高钢的淬透性元素。考虑到 检验过程中发现Μη偏析对落锤性能产生不利影响，同时兼顾到强度要求，本发明中Μη含量 设计在1.45~1.6%范围。
[0013] :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的固溶拖曳及热乳过程中的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使未再结晶区乳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， V:具有较高的析出强化和较弱的晶粒细化作用，在Nb、V、Ti三种微合金化元素中复合 使用时，V主要起析出强化作用。
[0014] :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，但过高的Ti会形成大的TiN质点，影响落 锤性能，因此本申请专利将Ti控制在0.008-0.012%之间。
[0015] :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。
[0016] 、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。
[0017] 、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。
[0018] : Cr的加入可提高钢的淬透性，且相对经济。
[0019] ?1^、211、313、311，这些残余元素很容易在晶界聚集，弱化晶界间的结合力，从而影响 落锤性能，因此需要控制Pb彡0 · 0015%，Zn彡0 · 003%，Sb彡0 · 0015%，Sn彡0 · 0015%。
[0020] 上述超低温落锤性能优异的厚规格X80管线用钢板的方法， 制备流程:配比备料-进行转炉或电炉冶炼-炉外精炼-连铸-板坯再加热-特定 TMCP工艺+冷却后堆冷-矫直。
[0021] 具体工艺步骤如下：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°C，进行特定TMCP工艺+水冷+堆冷+矫直； 特定TMCP工艺包括两阶段乳制和中间坯冷却:第一阶段为再结晶区乳制，终乳温度控 制在1050~1100°C，再结晶区乳制时控制连续两至三道次的单道次压下率不低于22%; 中间坯冷却是通过中间坯适度冷却系统将中间坯适度冷却至第二阶段的非再结晶区 开乳温度，中间坯在中间坯适度冷却系统内以来回摆动的方式进行冷却，冷速速度为6~12 °C/s，此冷却方式是保证再结晶区乳制变形后奥氏体晶粒不再长大，同时控制好中间坯表 面与心部温差； 中间坯适度冷却系统，如图1所示，该系统设置在4300mm宽厚板乳机生产线的粗乳机和 精乳机之间。该系统为箱体结构，共计长18m，在箱体顶部，密集分布喷淋喷嘴，对粗乳后的 中间坯进行适度冷却，根据不同中间坯厚度，获得的中间坯冷却速度为4~18°C/s，中间坯 厚度根据产品和生产需要，通常在40~180mm厚左右，小于40mm厚中间还由于较薄，除非需 要，一般不需进行中间坯冷却。对于厚规格中间坯，考虑到设计极限，最大冷却速度在4°C/ s，对于薄规格，最大冷却速度可达到18°C/s。之所以不能采用更高冷速，有两个因素需要考 虑到:一是由于更高冷速下，中间坯沿厚度方向会产生较大的温度差，这种温度差在乳制时 由于温度差造成厚度方向变形不均匀，精乳乳制时会产生钢板上翘或下扣，影响生产率;二 是这种沿厚度方向温度差将会造成沿厚度方向区域奥氏体变形不一样，从而影响获得最终 组织。
[0022] 坯料经粗乳完成后，根据生产需要，判断是否开启中间坯适度冷却。对于需要采用 中间坯冷却系统进行适度冷却的情况，中间坯在进入中间坯适度冷却系统后，系统内相应 的辊道进入摆动模式，使中间坯在系统内来回摆动，同时喷嘴喷淋对中间坯喷水，控制中间 坯以特定的冷却速度冷却至第二阶段乳制的开乳温度。
[0023] 待中间坯冷却到第二阶段乳制的开乳温度后，中间坯将从中间坯适度冷却系统内 送出，进入后一工序。
[0024] 第二阶段为非再结晶区乳制，开乳温度不高于880°C，终乳温度控制在相变临界温 度 Ar3±15°C。
[0025]乳后以水冷方式冷却钢板，开始冷却温度控制为不高于760°C，终止冷却温度控制 为350~500°C，冷却速度为10~30°C/s;水冷结束后将钢板堆冷到300±15°C，矫直，最后直 接冷却到室温即得钢板成品。
[0026]本发明具有如下特点： 1)采用合适的成分，生产30mm以上特厚规格X80,并与后续特定TMCP工艺+堆冷工艺相 匹配，生产30mm以上特厚规格X80钢板，获得优异的低温韧性，特别是显著提高了-25°C及以 下温度钢板的落锤性能。
[0027] 2)该发明改良的TMCP工艺(含采用mild cooling冷却系统进行中间坯冷却）+钢 板堆冷+堆冷后矫直，虽然增加了工序，但有助于降低合金成本，提高成材率高。在TMCP工艺 过程通过mild cooling冷却系统对中间坯快速冷却，保证第一阶段再结晶区变形后奥氏 体晶粒不再长大，同时控制好中间坯表面与心部温差，提高超厚规格管线钢板生产效率。 [0028] 3)采用特定成分及特定TMCP工艺+缓冷工艺+堆冷后矫直彻底解决了超厚规格X80 超低温韧性及超低温落锤性能要求技术难题。
【附图说明】
[0029] 图1为本发明的中间坯适度冷却系统的作业示意图。
【具体实施方式】
[0030] 以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。
[0031] 超低温落锤性能优异的厚规格X80管线用钢板的制造流程为:配比备料4进行转 炉或电炉冶炼-炉外精炼-连铸-板坯再加热-特定TMCP工艺+冷却后堆冷-矫直。
[0032]具体工艺步骤如下：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350mm的连铸坯;将连铸坯再加热至1180~ 1230 °C，进行特定TMCP工艺+水冷+堆冷+矫直。
[0033]特定TMCP工艺包括两阶段乳制和中间坯冷却：第一阶段为再结晶区乳制，终乳温 度控制在1050~1100°C，再结晶区乳制时控制连续两至三道次的单道次压下率不低于22%; 中间坯冷却是通过中间坯适度冷却系统，如图1所示，将中间坯快速冷却至第二阶段的 非再结晶区开乳温度，中间坯在中间坯适度冷却系统箱体内以来回摆动的方式进行冷却， 冷速为6_12°C/s，保证再结晶区乳制变形后奥氏体晶粒不再长大，中间坯表面与心部温差 较小； 第二阶段为非再结晶区乳制，开乳温度不高于880°C，终乳温度控制在相变临界温度 Ar3附近。
[0034]乳后以水冷方式冷却钢板，开始冷却温度控制为不高于760°C，终止冷却温度控制 为350~500°C，冷却速度为10~30°C/s;水冷结束后将钢板堆冷到300±15°C，矫直，最后直 接冷却到室温即得钢板成品。
[0035]各实施例所涉及钢板的具体化学成分见表1，具体TMCP工艺参数见表2,主要力学 性能见表3。
[0036]表1
与专利号为CN201510153571.3的现有技术方案相比，本申请进一步提高了X80管线钢 用钢板的低温韧性，尤其显著了提高了钢材的超低温落锤性能，成材率高。
【主权项】
1. 一种超低温落锤性能优异的厚规格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:1.45~1.6%，Si:0.1~0.35%，S:<0.0006%，P:< 0.010%，Nb:0.055~0.08%、Ti :0.008~0.03%、V:<0.008%，Alt:<0.06%，N:<0.0040%，0: 彡O·004%，Μ〇:彡O.30%，Pb彡O.0015%，Zn彡O.003%，Sb彡O.0015%，Sn彡O.0015%，Cu:彡 0 · 30%、Ni : 0 · 20~1 · 5%，Cr:彡0 · 35%，Mo+Cu+Ni+Cr 彡 1 · 5%，Ca:彡0 · 01%，余量为Fe 及不可 避免的杂质元素;所述钢板的厚度为30_及以上。2. 根据权利要求1所述的超低温落锤性能优异的厚规格X80管线用钢板，其特征在于： 所述钢板的厚度为30~35mm;所述钢板的屈服强度彡555Mpa;抗拉强度彡670Mpa，屈强比彡 0.82,圆棒样延伸率彡25%，-25 °C冲击功彡450 J，-40 °C冲击功彡400 J，-60 °C冲击功彡 350 J，-80 °C冲击功彡330 J; -25 °C落锤剪切面积彡85%，-30 °C落锤剪切面积彡80%，-48 °C落 锤剪切面积多60%。3. -种制造如权利要求1或2所述超低温落锤性能优异的厚规格X80管线用钢板的方 法，其特征在于: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°C，进行特定TMCP工艺+水冷+堆冷+矫直； 特定TMCP工艺包括两阶段乳制和中间坯冷却：第一阶段为再结晶区乳制，终乳温度控 制在1050~IlOOtC，再结晶区乳制时控制连续两至三道次的单道次压下率不低于22%; 中间坯冷却是通过中间坯适度冷却系统将中间坯适度冷却至第二阶段的非再结晶区 开乳温度，中间坯在中间坯适度冷却系统内以来回摆动的方式进行冷却，冷速速度为6~12 °C/s;第二阶段为非再结晶区乳制，开乳温度不高于880°C，终乳温度控制在相变临界温度 Ar3±15°C; 乳后以水冷方式冷却钢板，开始冷却温度控制为不高于760°C，终止冷却温度控制为 400~500°C，冷却速度为10~30°C/s;水冷结束后将钢板堆冷到300±15°C，矫直，最后直接 冷却到室温即得钢板成品。4. 根据权利要求3所述的超低温落锤性能优异的厚规格X80管线用钢板的制造方法，其 特征在于:所述中间坯适度冷却系统设置在4300mm宽厚板乳机生产线的粗乳机和精乳机之 间，该系统为箱体结构，共计长18m，在箱体顶部，密集分布喷淋喷嘴，对粗乳后的中间坯进 行适度冷却，根据不同中间坯厚度，获得的中间坯冷却速度为4~18°C/s，中间坯厚度根据 产品和生产需要通常在40~180mm厚左右，小于40mm厚中间还由于较薄，除非需要，一般不 需进行开启中间坯适度冷却;对于厚规格中间坯，考虑到设计极限，最大冷却速度在4°C/s， 对于薄规格，最大冷却速度可达到18 °C/s。5. 根据权利要求4所述的超低温落锤性能优异的厚规格X80管线用钢板的制造方法，其 特征在于:所述中间坯适度冷却系统的作业流程:坯料经粗乳完成后得到中间坯，根据生产 需要，判断是否开启中间坯适度冷却，对于需要采用中间坯冷却系统进行适度冷却的情况， 中间坯在进入中间坯适度冷却系统后，系统内相应的辊道进入摆动模式，使中间坯在系统 内来回摆动，同时喷嘴喷淋对中间坯喷水，控制中间坯以特定的冷却速度冷却至第二阶段 车L制的开乳温度，待中间坯冷却到第二阶段乳制的开乳温度后，中间坯将从中间坯适度冷 却系统内送出，进入后一工序。
【文档编号】C22C38/02GK105950973SQ201610314576
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月13日
【发明人】蒋昌林, 高助忠, 胡建国, 林涛, 李经涛, 诸建阳, 方寿玉
【申请人】江阴兴澄特种钢铁有限公司