专利名称：高强度高韧性x80管线钢及其热轧板制造方法
技术领域：
本发明涉及一种管线钢及其热轧板的制造方法，特别涉及一种高强度高韧性X80管线钢及其热轧板制造方法。
背景技术：
管线用钢一直以来在金属材料领域中占有重要的地位，目前世界上绝大多数国家的石油、天然气用钢管均遵循美国石油协会API 5L规范，按照其热加工的方式和最终成品形状有热轧板卷和板材(厚板)两种。目前，从管线钢申请的专利技术和一些期刊上发表的文献看，管线钢低钢级、厚板方面的专利技术较多。但是由于管线工程的特殊性，X80管线钢在应用和制造方面的例子还不多。X80级以上的管线钢是控轧及加速冷却的低碳微合金钢，是本世纪输气主管线的主导钢材，具有优异的抗延性断裂性能。目前全球已制成的X80输气管道主要集中在德国和加拿大，见下表1。我国目前在“西气东输”上仍普遍使用X70管线钢；而X80相比X70来说强度更大，因此X80钢具有可观的市场前景。
表1全球已制成的X80输气管道
日本专利JP 2002129288公开了“high strength pipe bend and itsmanufacturing method”，其中API X80-100钢包含C≤0.03％、Si≤0.3％、Mn 0.8-2.5％、P≤0.015％、S≤0.005％、Nb 0.01-0.05％、Ti 0.005-0.030％、Al≤0.05％、N 0.001-0.06％，以及其它任意金属Ni 0.01-1.0％、Cu0.1-1.2％、Cr 0.1-1.0％、V 0.01-0.10％、Ca 0.001-0.005％、Mg0.0001-0.002％，其它为铁，Q＝2.2-3.7，Q＝2.7C+0.4Si+Mn+0.8Cr+0.5(Ni+Cu)+Mo+V。原料钢管在800-1000℃热轧，弯曲然后淬火，得到最终弯管产品。中国专利申请01126611.2公开了“一种低碳低合金钢及所制管材”，该发明涉及一种低碳低合金钢及所制管材，属于金属钢铁领域。所要解决的技术问题是增加合金钢的强韧性及提高淬透性和焊接性能。低碳低合金钢包括以下元素碳0.10～0.16％；硅0.20～0.40％；锰1.00～1.35％；铝0.02～0.035％；钒0.07～0.13％；镍0.05～0.25％；硼0.0005～0.0035％；磷≤0.010％；硫≤0.005％；钼≤0.01％；铜≤0.20％；铌≤0.01％；铁和微量杂质余量。该发明的低碳低合金钢可制成X60～X80钢级管线管或相似强度钢级的管材。这两项专利都存在冲击韧性不是十分理想，并且由于贵重金属含量较高导致成本较高的缺陷。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是在满足API-5L对X80管线钢性能的要求的基础上提高X80管线钢的冲击韧性，降低其生产成本。本发明的思路是通过特定的合金配方，辅以适当的加工工艺，主要是应用250mm厚连铸坯，通过粗轧轧机和7机架连轧机组上的再结晶区和未再结晶区的控制轧制以及控制冷却技术，生产规格≤15mm厚的高强度高韧性X80管线钢热轧板卷。
本发明的技术方案是高强度高韧性X80管线钢，其组成成分的重量百分配比见表2 表2化学成分(wt％)
对于主要组成成分的选取理由如下碳是钢中最经济、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，因此近代管线钢的发展过程是不断降低C含量的过程，如图1所示。降低C含量一方面有助于提高钢的韧性，另一方面可改善钢的焊接性能。从图1可见，当C含量低于0.11％时管线钢可具有良好的焊接性。所以，目前管线钢的C含量一般小于0.11％，对需更高韧性的管线钢则采用C小于0.06％的超低C含量设计，本发明选取0.025-0.080％。
锰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。因此对X80管线钢的Mn含量设计在1.70～1.90％范围。
铌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轧制的形变奥氏体组织在相变时转变为细小的相变产物，以使钢具有高强度和高韧性，本发明选取0.02-0.08％。
钒具有较高的析出强化作用和较弱的晶粒细化作用，在Nb、V、Ti三种微合金元素复合使用时，V主要是通过在铁素体中以VC析出强化来提高钢的强度，本发明选取0.055-0.065％。
钛是强的固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，本发明选取0.01-0.02％。
钼是扩大γ相区，推迟γ→α相变时先析出铁素体形成、促进针状铁素体形成的主要元素，对控制相变组织起重要作用，在一定的冷却条件和卷取温度下低碳管线钢中加入0.2～0.4％的Mo就可获得明显的针状铁素体组织，同时因相变向低温方向转变，可使组织进一步细化，主要是通过组织的相变强化提高钢的强度。
铜、镍可通过固溶强化作用提高钢的强度，同时Cu还可改善钢的耐蚀性，Ni的加入主要是改善Cu在钢中易引起的热脆性，且对韧性有益。在厚规格管线钢中还可补偿因厚度的增加而引起的强度下降，本发明铜、镍均选取≤0.3％。
X80管线钢热轧板卷制造方法的工艺路线如下首先按技术方案配比备料→铁水预脱硫→LD转炉冶炼→炉外精炼→连铸→板坯再加热→控制轧制→控制冷却→卷取热轧工艺进行如下控制(1)板坯加热温度1170～1250℃；(2)粗轧终止温度960～1040℃；(3)精轧压缩比≥75％；(4)精轧终止温度800～860℃；(5)卷取温度430～580℃。
本发明的有益效果是本发明在合金配方上具有较低的碳含量(0.025～0.080wt％)和较高的铌含量(0.020～0.080wt％)，这种元素配合导致所生产的产品具有较高的冲击韧性。生产出的钢具针状铁素体组织，完全满足API-5L对X80管线钢性能的要求。可以满足寒冷等恶劣气候环境对输送管的要求，并且由于其具有较高的冲击韧性，使得在满足使用条件下可以缩小管壁厚度，达到降低成本的目的。与现有生产钢种(最高级别X70)相比，按照上述技术方案生产出的管线钢热轧板卷的性能达到以下要求(1)拉伸性能目标σ0.5＝580～690MPa，σb＝621～830MPa，σ0.5/σb≤0.93，δ50≥18％。
(2)V型缺口冲击性能目标试验温度-20℃，10×10×55mm试样的冲击功平均值≥120J剪切面积单个≥80％，平均≥90％。
(3)DWTT性能目标试验温度-15℃，平均剪切面积SA％≥85％，单个SA％≥70％。
(4)横向冷弯性能目标d＝2a，180°，完好。
(5)硬度试验(横截面硬度)目标Hv10≤270。
(6)金相组织目标晶粒度(ASTM E112)8级或更细。组织为针状铁素体+多边形铁素体+MA组织。
图1为钢中C含量、碳当量与钢焊接性关系的Graville曲线2为实施例1卷号2438607200卷板组织金相3为实施例1卷号2438607300卷板组织金相4为实施例2卷号4056700300卷板组织金相图
具体实施例方式实施例17.9×1300×Cmm的X80管线钢热轧板卷●化学成份(wt％)
●工艺路线铁水预脱硫→LD转炉冶炼→炉外精炼(LF、RH、喂Ca丝)→连铸→
板坯精整→板坯再加热→控制轧制→控制冷却→卷取●热轧工艺设计(1)板坯加热温度1190±20℃；(2)粗轧终止温度980±20℃(3)精轧压缩比≥75％(4)精轧终止温度830±15℃；(5)卷取温度550±15℃；●性能结果试制板卷常规性能检验结果
注拉伸为45°方向取样；冲击为横向，试样尺寸为5×10×55mm，横向冷弯完好；金相组织见图2、3。
实施例214.6×1550×Cmm的X80管线钢热轧板卷的设计制造●化学成份(wt％)
●工艺路线铁水预脱硫→LD转炉冶炼→炉外精炼(RH、LF、喂Ca丝)→连铸→板坯精整→板坯再加热→控制轧制→控制冷却→卷取●热轧工艺(1)板坯加热温度1200±15℃；(2)粗轧终止温度990±20℃(3)精轧压缩比≥75％(4)精轧终止温度820±15℃；
(5)卷取温度510±15℃；●性能结果试制板卷常规性能检验结果
注拉伸、冲击均为30°方向取样；CVN冲击试样尺寸为10×10×55mm；横向冷弯完好，金相组织见图4。
预计发明推广应用的可行性及前景根据本发明进行的实施例，可以预计本项发明在设备条件允许的情况下，生产操作较易进行，具有一定的推广应用的可能性。尤其近年来能源结构的变化以及对能源需求的增长，促进了石油天然气管道工业的迅速发展，长距离高压输送已成为今日油气输送管线主要特征之一。长距离高压输送对管线钢性能提出了更为严格的要求。从考虑输送管道的运营稳定性和安全性出发，对管线用钢的强度、韧性均提出了更高的要求，特别是在长距离输送条件下要求具有良好的止裂性能以及焊接性能，高强度高韧性管线钢成为管线钢发展的必然趋势。因此，高强度高韧性X80管线钢热轧板卷有较大的应用前景。
权利要求
1.一种高强度高韧性X80管线钢，其组成成分的重量百分比为碳0.025～0.080％；硅0.19～0.30％；锰1.70～1.90％；钛0.01～0.02％；铝0.015～0.040％；钒0.055～0.065％；镍≤0.30％；铬≤0.02％；硼≤0.0002％；磷≤0.018％；硫≤0.005％；钙0.002～0.003％；钼0.20～0.40％；铜≤0.30％；铌0.02～0.08％；氮≤0.006％；氧≤0.004％；氢≤0.00025；铁和微量杂质余量。
2.权利要求1所述的高强度高韧性X80管线钢热轧板卷制造方法，工艺步骤包括按权1配比备料、铁水预脱硫、LD转炉冶炼、炉外精炼、连铸、板坯再加热、控制轧制、控制冷却、卷取，其特征是板坯加热温度控制在1170～1250℃；粗轧终止温度控制在960～1040℃；精轧压缩比≥75％；精轧终止温度控制在800～860℃；卷取温度控制在430～580℃。
全文摘要
本发明涉及一种管线钢及其热轧板卷的制造方法，特别涉及一种高强度高韧性X80管线钢及其热轧板卷制造方法。解决了现有X80管线钢的冲击韧性不够理想的缺陷。一种高强度高韧性X80管线钢，其组成成分的重量百分比为碳0.025～0.080％；硅0.19～0.30％；锰1.70～1.90％；钛0.01～0.02％；铝0.015～0.040％；钒0.055～0.065％；镍≤0.30％；铬≤0.02％；硼≤0.0002％；磷≤0.018％；硫≤0.005％；钙0.002～0.003％；钼0.20～0.40％；铜≤0.30％；铌0.02～0.08％；氮≤0.006％；氧≤0.004％；氢≤0.00025；铁和微量杂质余量。本发明的X80管线钢主要用于对钢材韧性要求高的油气输送管线上。
文档编号C21D8/02GK1715434SQ20041002558
公开日2006年1月4日 申请日期2004年6月30日 优先权日2004年6月30日
发明者高珊, 郑磊, 杨晓臻, 胡会军, 陆敏 申请人:宝山钢铁股份有限公司