专利名称：一种低成本高性能x70管线钢及生产方法
技术领域：
本发明型涉及一种结构钢及生产方法，特别是高强度高韧性超细晶X70管线钢及生产
方法，属钢铁材料技术领域。
背景技术：
管线运输是长距离输送石油、天然气最经济、最方便、最主要的运输方式。为了降低 长距离输送石油和天然气管线的建设投资和运营成本，提高输送效率，长距离油气输送管 道向大管径、高压力方向发展；另外石油、天然气输送管道通常位于环境比较恶劣的地区， 介质复杂，这就要求管线钢具有高强度、高韧性、耐腐蚀等一系列优良的综合性能。管线 钢这些性能的提高主要取决于钢中碳、磷、硫等杂质的含量、钢中合金元素的含量以及冶 炼、轧制等生产过程工艺参数的控制。目前，国内外生产X70管线钢的成熟技术是采用厚 板坯流程，主要应用250mm厚连铸坯；X70管线钢典型化学成分通常采用C—Mn—Mo—Nb 系列，如中国专利CN1746326号授权公告的名称为"具有高止裂韧性的针状铁素体型X70 管线钢及其制造方法"所公开的技术中，给出了该管线钢的配方中添加Nb: 0.050 0. 080%、 Ti : 0. 005 0. 025%、 V : 0, 010 0. 060%、 Mo: 0. 10 0. 30%、 Cu《0. 30%、 Ni《0. 30% 等合金元素，其中含量达0. 10 0. 30%Mo的主要作用是扩大Y相区，推迟Y — a的转变温 度，促进针状铁素体的形成。但钼、镍属于贵重金属，其价格昂贵，所以采用该种合金化 法生产的管线钢成本高，耗费大量的贵重金属资源。
发明内容
本发明用于克服已有技术的缺陷而提供一种具有高强度、高韧性、超细晶的低成本 高性能X70管线钢及生产方法
技术领域：
本发明所称问题是以下技术方案解决的
一种低成本高性能X70管线钢，其特别之处是，化学成分按照重量百分比配比如下 C: 0. 02 0. 06% 、 Si: 0. 10 0. 30%， Mn: 1. 40 1. 9% 、 V: 0. 04 0. 07%、 Nb: 0. 040 0. 070%、 Als: 0. 020 0. 040%、 B: 0. 0005 0. 0035%、 Ca/AlsX). 10、 N《0. 0060%、 T. 0(总含氧量)《0.0030%， P:《0.012%， S:《0.006%,余量Fe，其晶粒尺寸平均为 3. 5 y m。
上述低成本高性能X70管线钢，化学成分配比优选如下C: 0. 03 0. 05% ，Si: 0. 15 0. 25%， Mn: 1. 45 1. 7% ， V: 0. 05 0. 06%， Nb: 0. 050 0. 060%， Als: 0. 025 0. 035%, B: 0. 0010 0. 0025%， Ca/Als》0. 10， N《0. 0060%， T. 0《0. 0030%， P:《0.012%， S: 《0.006%，余量Fe。
上述低成本高性能X70管线钢生产方法，它包括转炉冶炼、炉外精炼、连铸、轧制 等工序，所述连铸工序采用薄板坯连铸，所述轧制工序中铸坯加热温度为1160 123(TC， 粗轧终止温度控制在1050 1100°C，精轧入口温度控制在850 90(TC，精轧终止温度控 制在760 820°C，精轧最后一道次压下量控制在20% 35%，巻取温度控制在430 520°C。
上述低成本高性能X70管线钢生产方法，所述薄板坯连铸工序中中间包钢水温度为 1545 1560°C，铸坯的拉速为3. 0 4. 5m/rain，出结晶器铸坯厚度为70 90躍。
本发明针对目前管线钢生产耗费钼、镍等贵重金属导致生产成本据高不下的问题进 行了改进，它采用薄板坯连铸连轧生产流程，根据薄板坯连铸连轧的物理冶金特点，提供 了优化的X70管线钢化学成分配方，该配方中未添加钼、镍等合金元素，通过控制连铸、 轧制等工序的工艺参数细化晶粒，从而达到提高管线钢强度、韧性，降低生产成本的目的。 按照本发明生产的X70管线钢具有较高的冲击韧性，晶粒尺寸平均为3.5ixm，在满足API _5L规范对X70管线钢性能要求的基础上，生产成本较现有X70管线钢明显降低。
具体实施例方式
本发明提供一种低成本高性能X70管线钢及基于转炉薄板坯连铸连轧流程生产该管 线钢的方法。本发明的总体思路是采用特定的合金配方及合理的加工工艺，应用70 90mra厚连铸薄板坯，通过细化晶粒提高管线钢的强度和韧性，从而减少钢中合金元素的 种类和数量，降低生产成本。
采用薄板坯连铸连轧工艺流程生产超细晶X70管线钢，其原因如下1)薄板坯连铸 连轧铸坯厚度薄，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) 薄板坯连铸连轧工艺因取消了 Y —a和a —Y两个相变过程而直接轧制，一些合金元素 能充分固溶，在随后的轧制过程中也有利于晶粒的细化；3)薄板坯轧制虽然板坯总压縮 比小，但变形速率却大于传统工艺，单道次变形量更大，再结晶进行更快，晶粒尺寸更小；
4)由于其特有的物理冶金过程亦会导致氧化物、硫化物等非金属夹杂物的尺寸显著减小， 甚至可以达到纳米级，这些夹杂物对奥氏体再结晶晶粒长大有钉扎作用，导致晶粒细化, 使钢材的强度和韧性提高。
本发明特点之一是根据薄板坯连铸连轧的物理冶金特点，提供了优化的X70管线钢的 化学成分配方。该配方中未添加稀有元素Mo来降低钢的转变温度，而是采用较高的Mn、 Nb含量和较低的碳含量降低钢的Y — a相变温度并避免了钢中出现异常组织，细化最 终产品的晶粒尺寸。钢中也未添加Ti、 Oi、 Ni等微合金元素，而是采用V的沉淀强化提 高强度，利用A1固定N元素，在薄板坯连铸时，A1与N可形成弥散细小的A1N粒子，细 小的A1N粒子可阻碍高温奥氏体晶粒的长大，并且薄板坯的铸态组织要比厚板坯细小、均 匀得多，这都为最终铁素体晶粒的细化奠定了基础。除此之外，由于薄板坯的凝固速度和 冷却速度要比厚板坯快很多，导致薄板坯中氧化物、硫化物等非金属夹杂物的尺寸达到纳 米级，这些纳米级析出物对奥氏体再结晶晶粒的长大有钉扎作用，导致晶粒细化，使钢材 的强度和韧性提高。这也说明采用薄板坯连铸连轧新技术可以将通常认为是有害夹杂物的 硫、氧化物纳米化，使其成为"有益"的析出相，这比单纯降低硫、氧等杂质元素总量来 改善钢质量的方法在一定范围内更经济、更有效。配方中主要元素的作用分析如下
碳碳是钢中最经济、最有效的强化元素，然而碳对钢的韧性、塑性、焊接性等有不 利的影响，降低碳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。按照 API标准规定，管线钢中的碳含量通常为0.025% 0. 12%，并趋向于向低碳方向或超低碳 方向发展，尤其是高钢级管线钢。本发明选取0.02 0.08XC。
锰主要起固溶强化的作用，通常采用降低C含量，增加Mn含量，以达到提高强度 的目的。Mn还具有降低Y —a相变温度的作用，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，所以Mn是不可缺少的元素。但其含量过多时，会使相变温 度下降过多，组织中将出现贝氏体，降低韧性。因此本发明选取1.40 1.9Mn^。
硅在炼钢时一般作为脱氧剂，但也可作为合金元素。Si进入铁素体起固溶强化作 用，可显著提高钢的抗拉强度和较小程度提高屈服强度，但同时在一定程度上降低钢的韧 性、塑性，Si同时增加钢的实效敏感性，并能提高钢的抗腐蚀能力和抗高温氧化能力。 本发明选取0. 10 0. 30%Si。
铌是现代微合金化管线钢中最主要的元素之一，可以产生非常显著的晶粒细化及中
等程度的沉淀强化作用。通过热轧过程中铌的碳、氮化物的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变形奥氏体组织在 相变时转变为细小的铁素体，以提高钢的强度和韧性，并可改善低温韧性。本发明选取 0. 040 0. 070%Nb。
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主要是通过铁素体中C、N化合物的析出起强化起作用。本发明选取0. 040 0.070%V。
铝利用A1固定N元素，铝与氮在薄板坯连铸时可形成弥散、细小的A1N粒子，这 些弥散细小的粒子可阻碍奥氏体在加热和轧制变形过程中晶粒的长大，从而细化奥氏体晶 粒。奥氏体晶粒越细小，最终产品的铁素体晶粒越细小。此外，Als大于0.015y。还可保证 钢中溶解氧小于4ppm，从而减少钢中夹杂物的含量，提高钢的纯净度。本发明选取0. 020 0. 0鄉A1。
本发明特点之二是针对连铸与轧制工艺。薄板坯连铸较厚板坯连铸不同，薄板坯连 铸时有液芯压下，由离开结晶器时的90觀厚度经软压下达到坯厚80 85腿。这有利于消 除中心疏松和中心偏析，提高管线钢抗H2S腐蚀的能力。轧制工序通过2架粗轧机和5架 精轧机的完全再结晶区和形变诱导铁素体轧制以及控制冷却技术，重点是保证粗轧过程中 奥氏体发生两次完全动态再结晶，精轧最后一道采用低温大压下轧制技术，形变诱导超细 铁素体。经过两道次大压下粗轧可以使奥氏体发生两次完全再结晶，将铸态奥氏体晶粒细 化，为最终得到细小的铁素体晶粒做好组织准备。为保证粗轧过程中发生完全再结晶，粗 轧终止温度应在105(TC以上，低于该温度将不能发生完全再结晶，使最终成品板产生混 晶组织，造成钢的韧性降低。因此，粗轧终止温度为1050 1100°C。精轧采用低温轧制 工艺，尤其是精轧最后一道采用低温大压下轧制技术，精轧终止温度760 82(TC，单道 次压下量20% 35%，即在临界奥氏体区(Ar3附近)大形变量轧制，形变诱导出超细的铁 素体晶粒。形变诱导铁素体相变(DIFT)是动态相变，是由形变产生储存能提高相变驱动 力诱导的相变。相变主要发生在变形中，这与以往管线钢采用的TMCP相变不同，后者主 要发生在轧后冷却中。本发明中形变诱导出的超细铁素体晶粒更细小、位错密度更高，这 种组织结构可显著提高管线钢的强度和韧性。最后为确保部分未转变奥氏体转变成针状铁 素体，本发明巻取温度控制在430 52(TC，比现有X70管线钢低。
按照上述技术方案生产出的管线钢热轧板巻的性能达到以下要求
拉伸性能o。.5=510 610MPa， o h》590MPa， o 。.5/o b《0. 90， S 5。》23% V型缺口冲击性能试验温度一20。C， 10X10X55mm试样的冲击功平均值》260J。 DWTT性能试验温度一15'C,剪切面积大于92%。 横向冷弯性能d=2a， 180° ,完好。 硬度试验Hvl0《240。
金相组织晶粒尺寸平均为3.5um，组织为针状铁素体+少量的准多边形铁素体+极 少量的M/A组元。
以下提供几个实施例
实施l:产品规格为厚7.9mm，宽1550咖的管线钢热轧板巻。其化学成分按照重量百 分比配比如下C: 0.02% 、 Si: 0.2%, Mn: 1.40% 、 V: 0.05%、 Nb: 0.040%、 Als: 0.020%、 B: 0.0005%、 Ca/Als》0.10、 N《0.0060%、 T. 0《0.0030%， P:《0.012%， S: 《0.006%，余量Fe。主要生产工序铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼、薄板坯连铸、 连铸坯加热、粗轧、精轧、巻取。其中，薄板坯连铸工序钢水通过钢包底部的滑动水口 注入中间包，中间包的钢水温度为1545°C，中间包的钢水通过扁形的浸入式水口注入结 晶器，结晶器为长漏斗形结晶器；铸坯的拉速为3. 0m/min，出结晶器的铸坯厚度为70咖。 轧制工艺控制铸坯入炉温度为900°C，板坯加热温度为116(TC，粗轧终止温度控制在 105CTC，精轧入口温度控制在85(TC，精轧终止温度控制在76(TC，精轧最后一道次压下 量为35%。巻取温度控制在520°C。
实施2:产品规格为厚7.9mm，宽1550mm的管线钢热轧板巻。其化学成分按照重量百 分比配比如下C: 0.03% 、 Si: 0.15%, Mn: 1.45% 、 V: 0.05、 Nb: 0.050%、 Als: 0.025、 B: 0.001%、 Ca/AlsX). 10、 N《0.0060%、 T.0《0.0030%， P:《0.012%， S: 《0.006%，余量Fe。主要生产工序铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼、薄板坯连铸、 连铸坯加热、粗轧、精轧、巻取。其中，薄板坯连铸工序钢水通过钢包底部的滑动水口 注入中间包，中间包的钢水温度为1555°C，中间包的钢水通过扁形的浸入式水口注入结 晶器，结晶器为长漏斗形结晶器；铸坯的拉速为3. 5m/min，出结晶器的铸坯厚度为80腿。 轧制工艺控制铸坯入炉温度为IOOO'C，板坯加热温度为1230°C，粗轧终止温度控制在 1100°C，精轧入口温度控制在90(TC，精轧终止温度控制在82(TC，精轧最后一道次压下 量为25%。巻取温度控制在430°C。
实施3:产品规格为厚10.3mm，宽1550mm的管线钢热轧板巻。其化学成分按照重量 百分比配比如下:C: 0.05% 、 Si: 0.25%, Mn: 1.7% 、 V: 0.06%、 Nb: 0.060%、 Als: 0.035%、 B: 0. 0025%、 Ca/AlsX). 10、 N《0. 0060%、 T. 0《0. 0030%， P:《0.012%， S: 《0.006%，余量Fe。主要生产工序铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼、薄板坯连铸、 连铸坯加热、粗轧、精轧、巻取。其中，薄板坯连铸工序钢水通过钢包底部的滑动水口 注入中间包，中间包的钢水温度为1560°C，中间包的钢水通过扁形的浸入式水口注入结 晶器，结晶器为长漏斗形结晶器；铸坯的拉速为4. Om/min，出结晶器的铸坯厚度为90mm。 轧制工艺控制铸坯入炉温度为95(TC，板坯加热温度为U8(TC，粗轧终止温度控制在 106(TC，精轧入口温度控制在87(TC，精轧终止温度控制在78(TC，精轧最后一道次压下 量为30%。巻取温度控制在500°C。
实施4:产品规格为厚10. 3mm，宽1550mra的管线钢热轧板巻。其化学成分按照重量 百分比配比如下C: 0.02% 、 Si: 0.30%， Mn: 1.4% 、 V: 0.04%、 Nb: 0.070%、 Als: 0.040%、 B: 0.0035%、 Ca/Als》0. 10、 N《0. 0060%、 T.0《0.0030%， P:《0.012%， S: 《0.006%，余量Fe。主要生产工序铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼、薄板坯连铸、 连铸坯加热、粗轧、精轧、巻取。其中，薄板坯连铸工序钢水通过钢包底部的滑动水口 注入中间包，中间包的钢水温度为1545°C，中间包的钢水通过扁形的浸入式水口注入结 晶器，结晶器为长漏斗形结晶器；铸坯的拉速为4.5m/min，出结晶器的铸坯厚度为90腿。 轧制工艺控制铸坯入炉温度为96(TC，板坯加热温度为1200°C，粗轧终止温度控制在 1090°C，精轧入口温度控制在89(TC，精轧终止温度控制在81(TC，精轧最后一道次压下 量为20%。巻取温度控制在480°C。
实施5:产品规格为厚厚12咖，宽1550mm的管线钢热轧板巻。其化学成分按照重量 百分比配比如下C: 0.04% 、 Si: 0.20%， Mn: 1.5% 、 V: 0.055%、 Nb: 0.055%、 Als: 0.030%、 B: 0.0015%、 Ca/Als》0. 10、 N《0. 0060%、 T. 0《0.0030%， P:《0.012%， S: 《0.006%,余量Fe。主要生产工序铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼、薄板坯连铸、 连铸坯加热、粗轧、精轧、巻取。其中，薄板坯连铸工序钢水通过钢包底部的滑动水口 注入中间包，中间包的钢水温度为156(TC，中间包的钢水通过扁形的浸入式水口注入结 晶器，结晶器为长漏斗形结晶器；铸坯的拉速为3. Om/min，出结晶器的铸坯厚度为90腿。 轧制工艺控制铸坯入炉温度为920°C，板坯加热温度为120(TC，粗轧终止温度控制在
IIO(TC，精轧入口温度控制在90(TC，精轧终止温度控制在82(TC，精轧最后一道次压下 量为35%。巻取温度控制在460°C 。
实施6:产品规格为厚厚12ram，宽1550mm管线钢热轧板巻。其化学成分按照重量百 分比配比如下C: 0.06% 、 Si: 0.10%， Mn: 1.9% 、 V: 0.07%、 Nb: 0.070%、 Als: 0.020%、 B: 0.0005%、 Ca/AlsX). 10、 N《0.0060%、 T.0《0.0030%， P:《0.012%， S: 《0.006%，余量Fe。主要生产工序铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼、薄板坯连铸、 连铸坯加热、粗轧、精轧、巻取。其中，薄板坯连铸工序钢水通过钢包底部的滑动水口 注入中间包，中间包的钢水温度为1555°C，中间包的钢水通过扁形的浸入式水口注入结 晶器，结晶器为长漏斗形结晶器；铸坯的拉速为4.0m/min，出结晶器的铸坯厚度为90mm。 轧制工艺控制铸坯入炉温度为98(TC，板坯加热温度为118(TC，粗轧终止温度控制在 105CTC,精轧入口温度控制在85(TC，精轧终止温度控制在76(TC，精轧最后一道次压下 量为20%。巻取温度控制在520°C。
权利要求
1.一种低成本高性能X70管线钢，其特征在于，化学成分按照重量百分比配比如下C0.02～0.06％、Si0.10～0.30％，Mn1.40～1.9％、V0.04～0.07％、Nb0.040～0.070％、Als0.020～0.040％、B0.0005～0.0035％、Ca/Als≥0.10、N≤0.0060％、T.O≤0.0030％，P≤0.012％，S≤0.006％，余量Fe，其晶粒尺寸平均为3.5μm。
2. 根据权利要求1所述的低成本高性能X70管线钢，其特征在于所述化学成分配 比优选如下C: 0. 03 0. 05% ， Si: 0. 15 0. 25%， Mn: 1.45 1.7% ， V: 0. 05 0. 06%， Nb: 0. 050 0. 060%, Als: 0. 025 0. 035%， B: 0. 0010 0. 0025%， Ca/Als>0. 10， N 《0.0060%， T. 0《0.0030%， P:《0,012%， S:《0.006%，余量Fe。
3. 根据权利要求1或2所述的低成本高性能X70管线钢生产方法，它包括转炉冶炼、炉外精炼、连铸、轧制等工序，其特征在于所述连铸工序采用薄板坯连铸，所述轧制工 序中铸坯加热温度为1160 1230°C，粗轧终止温度控制在1050 1100°C，精轧入口温度 控制在850 900°C，精轧终止温度控制在760 820°C，精轧最后一道次压下量控制在 20% 35%，巻取温度控制在430 520°C。
4. 根据权利要求3所述的低成本高性能X70管线钢生产方法，其特征在于所述薄 板坯连铸工序中中间包钢水温度为1545 1560°C，铸坯的拉速为3. 0 4. 5m/min，出结 晶器铸坯厚度为7Q 90腿。
全文摘要
一种低成本高性能X70管线钢及生产方法，属钢铁材料技术领域。用于解决管线钢生产耗费钼、镍等贵重金属的问题。特别之处是，其主要化学成分配比如下C0.02～0.06％、Si0.10～0.30％，Mn1.40～1.9％、V0.04～0.07％、Nb0.040～0.070％、Als0.020～0.040％、P≤0.012％，S≤0.006％，余量Fe。本发明提供优化的X70管线钢化学成分配方，采用薄板坯连铸连轧生产流程，通过控制连铸、轧制的工艺参数细化晶粒，从而到达提高管线钢强度、韧性的目的。按照本发明方法生产的X70管线钢具有较高的冲击韧性，晶粒尺寸平均3.5μm，生产成本明显降低。
文档编号C22C38/12GK101348881SQ20081007932
公开日2009年1月21日 申请日期2008年9月4日 优先权日2008年9月4日
发明者冯运莉, 杰 李, 琨 杨, 杨晓彩, 焱 石 申请人:河北理工大学