一种屈服强度415MPa级纵剖焊管用热轧钢板的制作方法

一种屈服强度415mpa级纵剖焊管用热轧钢板
技术领域
1.本发明涉及一种石油天然气管线用钢，特别涉及一种屈服强度415mpa级纵剖焊管用热轧钢板，具体而言，涉及一种屈服强度415mpa级纵剖焊管用热轧钢板及其制造方法，用于制造输送石油天然气的管道，属于石油天然气管线用钢技术领域。


背景技术：

2.管道运输是长距离输送石油、天然气最经济、最安全的输送方式，具有高效、经济、安全、无污染等特点。为了提高输送效率、降低能耗、减少投资，长输管线向高压、大口径输送发展已成为趋势。促进了新建热连轧机组不断向更宽规格、更高强度方向发展，以满足输送主线长距离、高压需求。另一方面，作为管线支线工程和城市管网所需的小管径焊管用钢量也在大幅度同步提高。为了在宽的热连轧机组生产管线支线工程和城市管网所需的小管径焊管用钢，就必须对宽热轧钢带进行纵剖。
3.纵剖焊管是焊管产品中的精细产品。与非纵剖的常规焊管相比，纵剖焊钢是用户使用时沿纵向将热轧卷纵切后高频焊接(hfw)方式制管。板坯凝固时在坯宽1/2处最容易产生成份偏析、疏松、裂纹和夹杂物超标等缺陷，在高频焊接过程中，缺陷部位受挤压，易扩展为焊接部位的母材缺陷，表现为裂纹或夹杂导致的探伤不合，探伤后才能发现，缺陷导致的经济损失往往较大。优点在于钢卷较宽，钢厂热卷生产成本低，性能控制稳定，可以大卷交货。
4.现有产品由于成份设计和连铸板坯控制规范不明确等原因，夹杂物含量相对较高，中心偏析等级满足不了纵剖焊管要求，易造成焊接后裂纹或夹杂导致的探伤不合。
5.申请公布号cn101928877a的中国专利申请公布了一种石油套管用钢、高频焊石油套及其制造方法，该发明的石油套管用钢能够用于制造j55钢级的高频石油套管，并且其纵剖料适用于制造外径在244.48mm以下的j55钢级的高频焊石油套管。其化学成分为c：0.13～0.18％，si：0.15～0.25％，mn：0.60～1.00％，s≤0.005％,p≤0.015％,nb：0.008～0.020％，ca：0.0010～0.0045％，al：0.010-0.040％，其余为铁和不可避免夹杂。该项发明材料可以满足纵剖料要求，但碳含量较高，冲击韧性低，不能满足用于制造输送石油天然气焊管要求。
6.申请公布号cn107587072a的中国专利申请公开了一种x60管线钢及其制备方法，包括以下几个步骤：冶炼连铸，得到铸坯；将铸坯进行加热和轧制。其化学成分重量百分比为：c：0.05-0.07％、si：0.15-0.25％、mn：1.30-1.50％、p：≤0.012％、s：≤0.005％、nb：0.060-0.070％、ti：0.008-0.018％、al：0.020-0.040％、cr：0.15-0.25％、n：≤50ppm、pcm：0.12-0.18％，余量为fe和不可避免的杂质。该项发明材料为屈服强度415mpa级别，需要加入0.060-0.070％的nb元素、1.30-1.50％的mn元素和0.15-0.25％的cr元素以提高钢的强度，增加淬透性。但锰元素过高，对板坯偏析控制不利。同时太高的铬和锰同时加入钢中，会导致低熔点cr-mn复合氧化物形成，在热加工过程中形成表面裂纹，同时会严重恶化焊接性能，也易引起钢管探伤不合。因此该设计不具备满足纵剖管线专用要求。
7.申请公布号cn101928882a的中国专利申请公开了一种x60管线钢及其制备方法，所述x60管线钢具有下列化学成分：c 0.060～0.080％、si 0.15～0.30％、mn 1.35～1.55％、s≤0.006％、p≤0.020％、nb 0.035～0.055％、v 0.035～0.055％、ti 0.010～0.025％、n≤0.008％、als 0.010～0.040％，其余为fe及不可避免的不纯物。经过加热、除鳞后，在同一台双机架紧凑式炉卷轧机上连续完成粗轧和精轧，通过轧制过程中的延时轧制控制，使得加入钢中的nb、v等微合金化元素的强化作用得到充分发挥，获得微细均匀的组织，有效防止混晶的出现，极大提高了x60管线钢的强度和韧性。但该发明采用炉卷轧机生产管线钢，同时加入了0.035～0.055％的v元素和1.35～1.55％的mn元素。锰元素过高，对板坯偏析控制不利。贵重合金v元素的加入对控制成本不利。因此该设计不具备满足纵剖管线专用要求。
8.因此，现有屈服强度415mpa级管线用热轧钢板化学成分、产品性能不能满足石油天然气焊管制造企业对钢板纵剖加工的需求。


技术实现要素：

9.本发明的目的是提供一种屈服强度415mpa级纵剖焊管用热轧钢板及其制造方法，主要解决现有屈服强度415mpa级管线用热轧钢板的中心偏析严重、冲击韧性差、夹杂物含量高不能满足石油天然气纵剖焊管制造的技术问题。
10.本发明通过采用nb、ti合金化，严格控制保证纵剖产品最终性能的关键固溶强化元素碳、锰，严格控制mn/si比在5-10，结合合适的炼钢、连铸、热轧工艺设计，保证产品具有良好的力学性能和冷弯、焊接等工艺性能，满足纵剖、焊接、成形等加工要求。
11.本发明采用的技术方案是，一种屈服强度415mpa级纵剖焊管用热轧钢板，其化学成分重量百分比为：c：0.04～0.06％，si：0.09～0.16％，mn：0.90～1.00％，p≤0.015％，s≤0.004％，n≤0.0060％，al：0.010～0.045％，ti：0.01～0.02％，nb：0.045～0.055％，mn/si为5～10，余量为铁和不可避免夹杂。
12.本发明热轧钢板的金相组织为铁素体+珠光体，所述金相组织中铁素体的晶粒度为9～13级，6.0～12.0mm厚热轧钢板的屈服强度r
t0.5
为415～565mpa，抗拉强度rm为520～660mpa，断后伸长率a
50mm
为35～55％，-15℃全尺寸夏比冲击功值akv为200～450j，180
°
弯曲试验，d＝2a合格；按照板坯曼内斯曼标准检测，热轧钢板中心偏析等级在2级以下。
13.本发明热轧钢板适用于制作石油天然气输送用纵剖焊管。
14.本发明所述的屈服强度415mpa级热轧钢板的化学成分限定在上述范围内的理由如下：
15.碳：碳是最基本的强化元素，碳溶解在钢中形成间隙固溶体，起固溶强化作用，与强碳化物元素形成碳化物析出，起到沉淀强化作用。本成分体系充分利用c的强化作用。但它是易偏析元素，含量高会增加连铸坯的中心偏析，不利于纵剖钢焊接，同时也降低材料韧性，恶化性能。同时碳太高易进入低碳钢的包晶区。碳太低，会降低钢种强度。因此，本发明综合考虑c与mn的强化作用，设定的c含量为0.04～0.06％。
16.锰：锰也是本成分体系主要元素，可以起到固溶强化的作用，是钢中补偿因碳降低而引起强度损失的最主要且最经济的强化元素。但mn是易偏析元素，含量高会增加连铸坯的中心偏析，不利于纵剖钢焊接。mn是本发明成分体系中严格控制的元素，进一步限定mn含
量为0.90～1.00％。
17.碳和锰是保证纵剖产品最终性能的关键元素，为了保证热轧钢板性能稳定，应严格控制范围。
18.硅：硅在钢中通过固溶强化适当地提高钢的强度，过高的si含量会降低mn/si比，对板坯的表面质量和焊管的焊接性能有不良影响，焊接后冲击韧性随mn/si比的提高而提高。但si过低将影响ca处理钢的浇注质量。本发明限定si含量为0.09～0.16％。根据试验，综合考虑，mn/si在5～10为最佳值。
19.硫和磷：硫和磷元素过高会对材料韧性和塑性有不利影响，而硫和璘过低，又会增加炼钢的脱硫和脱磷成本。本发明限定s≤0.004％，p≤0.015％。
20.氮：氮含量过高会严重恶化材料的塑性和韧性，本发明限定n≤0.0060％。
21.铝：铝在本发明中的作用是起到脱氧的作用，铝是强氧化性形成元素，和钢中氧形成al2o3在炼钢时去除。铝过高会形成过多的al2o3夹杂，并且连铸浇注时容易堵塞浇注水口。本发明限定al含量为0.010～0.045％。
22.钛：是一种强的固n元素，ti/n的化学计量比约为3.42，利用0.02％左右的ti就可以固定钢中0.0060％以下的n，在板坯连铸时就可形成高温稳定的细小的tin析出相。微量的钛就能起着强化的作用，它的影响是通过tin的形成，这种细小的tin粒子可有效阻碍板坯再加热时的奥氏体晶粒长大，从而对提高最终产品的韧性有积极的作用。极少量的ti就能得到明显的强化效果。此外，tin粒子在焊接时还可避免焊接热影响区的晶粒长大，改善焊接热影响区的冲击韧性。本发明限定ti含量为0.010～0.020％。
23.铌：是低合金高强度钢的主要微合金化元素，主要起细晶强化作用。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，使钢具有较高强度和高韧性。为达到钢种所需的强度，通过增加铌含量提高强度以弥补降低锰、硅含量造成的强度损失。根据试验结果，本发明限定nb含量为0.045～0.055％。
24.上述屈服强度415mpa级纵剖焊管用热轧钢板的制造方法，该方法包括：
25.钢水经连铸得到连铸板坯，其中所述钢水化学成分的重量百分比为：c：0.04～0.06％，si：0.09～0.16％，mn：0.90～1.00％，p≤0.015％，s≤0.004％，n≤0.0060％，al：0.010～0.045％，ti：0.01～0.02％，nb：0.045～0.055％，mn/si为5～10，余量为铁和不可避免夹杂；控制连铸板坯中夹杂物等级，按美国材料试验协会《astm e45-13测定钢中夹杂物含量的标准试验方法》，采用方法a进行检验，其中，a类在0.5级以下，c类为0，b类、d类在1.5级以下；按照板坯曼内斯曼标准检测，控制连铸板坯中心偏析等级在2级以下；
26.连铸板坯于1160～1200℃，加热150～240min后进行热轧，所述的热轧为两段式轧制工艺，粗轧为6道次连轧，在奥氏体再结晶温度以上轧制，粗轧结束温度为940～1000℃；中间坯厚度为38～49mm，精轧为7道次连轧，精轧入口温度为920～980℃，精轧结束温度为800～840℃；精轧后，控制钢板厚度为6.0～12.0mm，层流冷却采用前段冷却，层流冷却速度为15～35℃/s，卷取温度为500～580℃时卷取得热轧钢卷。
27.按照板坯曼内斯曼标准检测，热轧钢板中心偏析等级在2级以下。
28.热轧工艺以及其中热轧钢板表面氧化铁皮控制是实现本发明的技术关键。通过计算，本发明成分体系a3为821℃，a1为702℃。本发明所采取的热轧工艺均是基于本发明成分
体系和计算的相变点。
29.本发明采取的生产工艺制度的理由如下：
30.1、连铸板坯中心偏析的设定和连铸板坯中夹杂物等级的设定
31.连铸板坯中心偏析控制和钢水夹杂物控制是实现本发明的技术关键，为保证在生产纵剖焊管时，用户沿纵向将热轧卷纵切后制管；板坯凝固时不易在坯宽1/2处产生成份偏析、疏松等缺陷，从而在hfw焊接过程中，焊接部位即使受到挤压，也不易因成份偏析、疏松和夹杂物超标等缺陷扩展为焊接部位的母材缺陷，从而也就不会产生裂纹或夹杂导致的探伤不合，本发明设定控制连铸板坯中夹杂物等级，连铸板坯中夹杂物等级按美国材料与试验协会《astm e45-13测定钢中夹杂物含量的标准试验方法》，采用方法a进行检验，其中，a类在0.5级以下，c类为0，b类、d类在1.5级以下；控制连铸板坯中心偏析等级在曼内斯曼标准2级以下。
32.2、连铸板坯加热温度和加热时间的设定
33.连铸板坯加热温度和时间的设定在于保证连铸坯中碳化铌和碳氮化铌得到充分溶解，并不致使原始晶粒长得过大。因此加热温度对于本发明技术方案非常重要，温度过低或加热时间过短，连铸板坯中碳化铌和碳氮化铌不能充分溶解；而温度过高，加热时间过长，板坯原始组织粗大，不利于钢板最终性能和表面质量。本发明设定连铸板坯加热温度为1160～1200℃，加热时间为150～240min。
34.3、粗轧结束温度的设定
35.粗轧轧制过程控制在奥氏体再结晶温度以上轧制，确保得到均匀细小的奥氏体晶粒。因此本发明设定粗轧结束温度为940～1000℃。
36.4、中间坯厚度和精轧入口温度的设定
37.为了获得良好的冲击韧性，尤其对于厚度≥8mm的热连轧钢板，需要控制精轧阶段的有效压下率。有效压下率为精轧阶段发生在奥氏体未再结晶区温度区间变形的压下率，其与精轧入口中间坯厚度和温度有关。提高精轧压缩比有利于提高钢板的冲击韧性，控制精轧压缩比在4以上，因此本发明根据成品厚度不同设定中间坯厚度为38～49mm，精轧入口温度为920～980℃。
38.5、精轧结束温度的设定
39.终轧温度设定的作用是，通过奥氏体未再结晶区轧制，得到内部有变形带的扁平状奥氏体晶粒，在随后的层流冷却过程中转变成细小的铁素体晶粒，发挥细晶强化的作用。因此本发明设定精轧结束温度为800～840℃。
40.6、层流冷却速度的设定
41.本发明设定的精轧后的层流冷却速度非常关键，采用快的冷却速度来抑制铁素体晶粒的长大和tic在高温阶段的析出。快速冷却使得在较低温度下的铁素体内析出细小弥散的tic等粒子成为可能。冷却速度过慢，无法抑制tic在高温变形奥氏体中的提前析出；冷却过快，会对钢板韧性不利，也会对板形带来很大影响。本发明层流冷却采用前段冷却，冷却速度15～35℃/s。
42.7、卷取温度的设定
43.卷取温度主要影响带钢的组织和性能。卷取温度高有利于ti、nb合金碳、氮的粒子二次相析出，但容易形成带状组织，并导致基体铁素体组织长大，nb、ti微合金碳、氮化物析
出物粗化，降低钢板的韧性；卷取温度过低，ti、nb合金碳、氮的粒子二次相析出被抑制，提高钢板强度的析出强化效果不佳。综合考虑，本发明设定热轧卷取温度为500～580℃。
44.本发明方法生产的热轧钢板的金相组织为铁素体+珠光体，所述金相组织中铁素体的晶粒度为9～13级，热轧钢板的屈服强度r
t0.5
为415～565mpa，抗拉强度rm为520～660mpa，断后伸长率a
50mm
为35～55％，-15℃全尺寸夏比冲击功值akv为200～450j，180
°
弯曲试验，d＝2a合格；按照板坯曼内斯曼标准检测，热轧钢板中心偏析等级在2级以下。
45.本发明热轧钢板适用于制作石油天然气输送用纵剖焊管。
46.本发明相比现有技术具有如下积极效果：1、本发明采用nb、ti合金化，严格控制保证纵剖产品最终性能的关键固溶强化元素碳、锰，控制mn/si为5～10，保证成分设计满足纵剖热轧钢板性能稳定。2、本发明要求连铸板坯中心偏析控制达到曼内斯曼标准2级以下，以及夹杂物控制按美国材料试验协会《astm e45-13测定钢中夹杂物含量的标准试验方法》，方法a，a类在0.5级以下，c类为0，b类、d类在1.5级以下，这样可满足用户沿纵向将热轧卷纵切后生产纵剖焊管。3、通过纵剖料成分设计和制造工艺设计，可以满足宽热连轧机组生产宽规格热轧钢带，钢带进行纵剖，从而满足生产管线支线工程和城市管网所需的小管径焊管用钢需求。宽热连轧机组生产宽规格热轧钢带，可以在保证成品质量的前提下，提高产能，充分发挥宽热连轧机组能力。4、本发明的成分体系，结合合适的炼钢、连铸、热轧工艺设计，得到的屈服强度415mpa级纵剖焊管用热轧钢板，与同强度级别其它钢板相比，组织、性能稳定，能更好的满足纵剖、焊接、成形等工艺要求，降低了管线支线工程和城市管网所需的小管径焊管制造成本。5、本发明热轧钢板满足了焊管制造企业对纵剖钢板力学性能和工艺性能的需求，填补了行业空白。
附图说明
47.图1为本发明实施例1热轧钢板的金相组织照片。
具体实施方式
48.下面结合实施例1～5对本发明做进一步说明，如表1～表3所示。
49.表1为本发明实施例钢的化学成分(按重量百分比计)，余量为铁及不可避免杂质。
50.表1本发明实施例钢的化学成分，单位：重量百分比。
[0051][0052]
通过转炉熔炼，并经lf钢包精炼炉精炼工序脱硫处理和rh炉进行真空循环脱气处理，以及成分微调，得到符合成分要求的钢水，通过连铸得到连铸板坯。连铸板坯厚度为210～230mm，宽度为900～1600mm，长度为8000～11700mm。连铸板坯中心偏析等级均为曼内斯
曼标准2级。
[0053]
炼钢生产的定尺板坯送至加热炉进行加热，出炉除鳞后送至热连轧机组进行轧制。通过粗轧和精轧连轧机组控制轧制，经层流冷却后进行卷取，层流冷却采取前段冷却，产出合格热轧钢卷。热轧钢板的厚度为6.0～12.0mm。热轧工艺控制参数见表2。
[0054]
表2本发明实施例热轧工艺控制参数
[0055][0056]
利用上述方法得到的热轧钢板，参见图1，热轧钢板的金相组织为铁素体+珠光体，所述金相组织中铁素体的晶粒度为9～13级，热轧钢板的屈服强度r
t0.5
为415～565mpa，抗拉强度rm为520～660mpa，断后伸长率a
50mm
为35～55％，-15℃全尺寸夏比冲击功值akv为200～450j，180
°
弯曲试验，d＝2a合格。
[0057]
将本发明得到的热轧钢板进行取样，拉伸、弯曲试验取横向试样，冲击试验取纵向试样，按照《gb/t228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》进行拉伸试验；按照《gb/t 232-2010金属材料弯曲试验方法》进行弯曲试验；按照《gb/t 229-2007金属材料夏比摆锤冲击试验方法》进行冲击试验，其力学性能见表3。按照板坯曼内斯曼标准检测，热轧钢板中心偏析等级在2级以下。
[0058]
本发明得到的热轧钢板具有良好的强韧性、焊接性和弯曲成型性。
[0059]
表3本发明实施例热轧钢板的力学性能
[0060][0061]
由表3可见，本发明得到的热轧钢板具有良好的强韧性、焊接性和弯曲成型性。
[0062]
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。