低锰高铬抗HIC管线用针状铁素体钢及其制造方法

摘要

一种低锰高铬抗HIC管线用针状铁素体钢及其制造方法，属于铁素体钢技术领域。化学成分重量百分比C：0.03％～0.05％；Si：0.30％～0.50％；Mn：0.30％～0.50％；Cr：0.50％～1.20％；Alt：0.015％～0.050％；Nb：0.050％～0.080％；Ti：0.010％～0.020％；Ca：0.0020％～0.0040％；P：≤0.012％；S：≤0.0080％；N：≤0.0060％，其余为Fe及不可避免杂质；通过铁水脱硫扒渣、转炉冶炼、LF炉精炼、RH真空处理、板坯浇铸、板坯加热、钢板轧制、ACC层流冷却的冶炼工艺完成。优点在于：力学及抗HIC性能优良。

说明书

技术领域

本发明属于铁素体钢技术领域，特别涉及一种低锰高铬抗HIC管线用针状 铁素体钢及其制造方法。

背景技术

随着石油天然气需求量的不断增加，为增加其输送效率，管线输送压力也相 应增大。我国石油天然气中H₂S含量一般较低，在输送压力较低时，可通过脱硫 后作为甜气(P_H2S≤300Pa)使用。当输气压力提高时，若使H₂S的分压P_H2S≤300Pa， 则必须降低H₂S的输入浓度，这给脱硫处理带来较大困难。H₂S腐蚀主要有两种 形式：氢致开裂(HydrogenInducedCracking-HIC)和应力腐蚀开裂(Stress CorrosionCracking-SCC)。本文侧重抗HIC管线用钢性能与组织的研究。H₂S 对管线钢基体的腐蚀除受诸多环境因素的影响(如环境温度、H₂S分压、介质中 水的含量、PH值及Cl^-含量等)，管线材料本身的化学成分、显微组织、夹杂物 及带状组织等对HIC影响较大。随着输送压力的不断提高，H₂S腐蚀及应力腐蚀 问题也必将越来越严重，原来低压输送中认为是非酸性的介质，在如今的高压输 送中极有可能造成氢致开裂或应力腐蚀。

我国目前的管线管钢级水平己达到X80，正在进行更高钢级开发。随着高强 度管线管的开发和应用，母材、焊缝强度和硬度均有所增加，其产生氢致开裂和 应力腐蚀破裂的可能性也就相应增加。油气田开发前期认为是干的、非酸性气体， 在开发后期会因含水量的增加而成为湿H₂S酸性气体，从而使输送管线有可能受 到氢损伤的威胁。在国外，随着高纯净、低硫抗HIC管线钢的开发，虽然HIC 行为得到了抑制，但同时应力腐蚀敏感性却有所增加。

一般情况下，在C含量相同的情况下，随着Mn含量的增加，强度增加且脆 性转变温度下降。但Mn含量过高，会使韧性降低，造成钢板带状组织严重，增 强各向异性，降低抗氢致裂纹(HIC)性能。Cr含量对钢的抗硫化性能的影响很 大，钢中Cr含量愈多，S对钢的相对腐蚀就愈小。Cr的强化机制略不同于Mo， 它促进M/A岛的生成，而非针状体素体或贝氏体，故可以降低屈服延伸。当Cr 与轧制后的加速冷却时同样可得到针状体素体和贝氏体组织。与Mn相比，Ni和 Cu缩小δ体素体温度范围，Cr则保持δ体素体相范围和增加连铸坯在高温δ相 区的停留时间，该区的扩散速率高于奥氏体区，这有利于提高溶质的扩散，促进 铸造组织偏析的再分布。另外，抗HIC管线钢对杂质元素S、P要求极为严格， 增加钢水冶炼过程难度，同时增加工序成本，对设备处理能力要求也较高。在微 观组织方面，针状铁素体组织对抗HIC性能较为有利，铁素体及珠光体对HIC 比较敏感，这归因于针状铁素体组织致密，互相交织，位错密度大。高密度位错 是强烈的氢陷阱，为氢的重新分布提供许多位置，可避免局部区域产生高的氢压 而发生微观裂纹；被沉淀析出相钉轧的位错可为氢陷阱。

对比专利“CN100359035C-酸性环境用X65管线钢及其制造方法”，通过以 下成分体系，C：0.02-0.05％；Mn：1.20-1.50％；Si：0.10-0.50％；P：≤0.012％； S：≤0.002％；Nb：0.05-0.07％；Ti：0.005-0.0.025％；Mo：0.050-0.195％；Cu： ≤0.35％；Ni：≤0.35％；N：≤0.0080％；Ca：0.0015-0.0045％；Ca/S≥2.0。该 专利采用常规的钢水冶炼、钢坯浇铸、一般热轧工艺及轧后卷取等流程，生产 X65级别管线钢。该专利对S含量要求较为严格，并需要控制Ca/S比，增加钢 水冶炼的困难；同时，该专利加入一定量贵重合金，如Ni、Mo等，增加生产成 本。

对比专利“CN102301015B-耐HIC性优良的厚壁高强度热轧钢板及其制造 方法”，含有C：0.02-0.08％；Mn：0.50-1.85％；Nb：0.03-0.10％；Ti： 0.001-0.05％；B：0.0005％以下，且满足(Ti+Nb/2)/C＜4，或者还含有Ca： 0.010％以下；Rem：0.02％以下中的一种或两种，余量由Fe及的杂质构成，生产 含贝氏体铁素体相或贝氏体相，并且表层硬度以维氏硬度计为230HV以下。该专 利Mn含量范围0.50-1.85％，对其它合金Ni、Cr、Mo、Cu等无严格限制，成分范围 较为宽泛。同时该专利中要求，在精轧结束后依次三道冷却工序；第一冷却工序： 以20℃/s以上且小于马氏体生成临界冷却速度的平均冷却速度进行加速冷却，直 至所述热轧板表面的表面温度达到Ar3相变点以下且Ms点以上；第二冷却工序： 急冷至板厚中心达到350℃以上且低于600℃的温度范围的温度；第三冷却工序： 在以板厚中心的温度计为350℃以上且低于600℃的温度范围的卷取温度下卷取 成卷状后，实施冷却以使至少卷厚度方向的1/4板厚～3/4板厚的位置在350℃～ 600℃的温度范围内保持或滞留30分钟。此专利成分范围极为宽泛，且冷却工艺 较为复杂，不一定具备批量工业化生产条件。

对于抗HIC管线用钢，钢水冶炼、钢板轧制、微观组织及力学性能等，对其 抗HIC性能均有较大影响，如何均衡其相互关系，在成本不显著增加的前提下， 生产力学性能优良，且具有较好抗HIC性能管线用钢，值得深入研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低锰高铬抗HIC管线用针状铁素体钢及其制 造方法，解决了在成本不显著增加的前提下，生产具有优良力学性能及较好抗 HIC性能管线用钢的问题。

一种低锰高铬抗HIC管线用针状铁素体钢，其化学成分重量百分比为，C： 0.03％～0.05％；Si：0.30％～0.50％；Mn：0.30％～0.50％；Cr：0.50％～1.20％； Alt：0.015％～0.050％；Nb：0.050％～0.080％；Ti：0.010％～0.020％；Ca：0.0020％～ 0.0040％；P：≤0.012％；S：≤0.0080％；N：≤0.0060％，其余为Fe及不可避 免杂质。

一种低锰高铬抗HIC管线用针状铁素体钢的制造方法，通过铁水脱硫扒渣、 转炉冶炼、LF炉精炼、RH真空处理、板坯浇铸、板坯加热、钢板轧制、ACC层 流冷却的钢水冶炼工艺路线完成。其步骤及参数控制如下：

1、钢水冶炼过程中温度控制参数如下：参考液相线温度1521℃；转炉出钢 1650±20℃；LF结束1635±10℃，第一炉1650±10℃；RH结束1585±5℃，第 一炉1595±10℃；软吹结束温度1565±5℃；中包温度1540±5℃。

2、冶炼：采用底吹氩A模式，转炉吹炼初期底吹氩气流量设定为400m³/h、 吹炼末期底吹氩气流量设定为500m³/h。

3、转炉出钢：出钢1/3时，随钢流加入白灰2.4kg～2.6kg/吨钢水、萤石 0.045kg～0.055kg/吨钢水进行渣洗；出钢完毕后在渣面加铝篦子0.025kg～ 0.035kg/吨钢水，铝篦子拆开加入，保证钢包底吹效果，确保铝篦子与渣反应。

4、LF炉精炼：精炼过程用低碳锰铁调Mn，其中C：0.20％～0.70％；Mn：80.0％～ 90.0％；其余为杂质S、P；处理过程禁止用铝铁脱氧及调铝，使用铝粒调铝，LF 结束铝按照0.040％～0.050％控制，LF炉总调铝量不超过5kg/吨钢水，出LF炉前加 入钛铁调Ti，参考吸收率80％～85％。

5、RH真空处理：提升Ar流量800～1200NL/min，进行钢水脱氢，保证深真空 处理时间≥12min，其中最后一批合金调整完成之后，要求真空处理时间≥5min， 期间测温、取样、微调成份；真空结束进行定氢；每炉钢水喂入350米SiCa线及 200米Ca线，并保证钢水中Ca含量在25～30ppm之间，根据钢中钙含量调整；吊包 前对钢水进行软吹，软吹氩气流量控制在≤100L/min，渣面不得翻开，保证钢水 软吹时间≥12min；软吹后钢水镇静时间≥5min。

6、连铸过程，300mm厚连铸坯：拉速范围：0.75m/min～0.85m/min；目标： 0.80m/min，并采用动态轻压下技术，目标保证铸坯低倍中心偏析≤C类1.0级。

7、钢坯加热：采用步进梁式加热炉将钢坯加热至设定均热温度1160℃～ 1220℃，钢坯在炉时间260min～360min，300mm厚规格钢坯目标在炉加热时间 320min，以保证钢坯充分奥氏体化。

8、钢板控轧控冷：采用再结晶区及非再结晶区两阶段轧制，并控制ACC 层流冷却工艺；再结晶区轧制结束温度在1000℃～1050℃之间；钢板待温厚 度按3.5～4.5倍成品钢板厚度设定；非再结晶区轧制开始温度在900℃～ 950℃之间，其结束温度在830℃～860℃之间。钢板轧制后快速进入ACC层流 冷却装置进行冷却；钢板入水温度按800℃～820℃控制，终冷温度按450℃～ 500℃控制，冷速按25℃/S～35℃/S进行设定。

力学性能、微观组织及抗HIC性能检验：拉伸性能及冲击韧性测试分别在 WE-30万能试验机及JB-30/15冲击试验机上进行；使用光学显微镜OM扫描电镜 SEM观察微观组织；根据NACETM0284-2003标准试验方法，A液：5％NaCl+0.5％ CH₃COOH+去离子水+H₂S气体，对轧制板材试样进行HIC检验。

通过以上工艺流程，所生产的一种低锰高铬抗HIC管线用针状铁素体钢， 力学性能稳定，组织均匀，具有较好的强度、塑性及一定的冲击韧性，并具有 优良的抗HIC性能。其中，510MPa≤Rt0.5(屈服强度)≤600MPa、620MPa≤ Rm(抗拉强度)≤800MPa、20.0％≤A50(断后伸长率)≤35.0％、100J≤-20℃ -AKv(-30℃冲击功)≤230J。显微组织为针状铁素体。裂纹敏感率(CSR) ≤1.0％、裂纹长度率(CLR)≤8.0％、裂纹宽度率(CTR)≤2.0％。

本发明的优点在于：通过设计合适的成分体系，在低C、低Mn成分基础 上，适当提高Cr，并加入一定量微合金元素Nb、Ti等，通过严格控轧控冷工 艺，稳定生产25mm及以下规格抗HIC管线用钢。通过降低Mn含量，放宽对杂 质元素S和P的限制，对炼钢工序要求降低，对生产过程有利。在本专利成分 体系基础上，通过简单的控轧控冷工艺，获得微观组织-针状铁素体，钢板强 度及韧性匹配较好，组织均匀，为优良抗HIC性能获得提供基础。

附图说明

图1为实施例1钢板金相组织OM。

图2为实施例1钢板金相组织SEM。

具体实施方式

实施例1

根据一种低锰高铬抗HIC管线用针状铁素体钢的化学成分范围要求，完成 钢水冶炼、钢坯浇铸及钢板轧制；钢坯尺寸：300mm厚*1620mm宽*3000mm长 钢板尺寸：19.3mm厚*1848mm宽*12050mm长，3定尺。化学成分百分比如表1 所示：

表1实施例实际化学成(％)

C Si Mn Cr Nb Ti P S Alt N Ca 0.038 0.33 0.35 0.85 0.06 0.016 0.011 0.0067 0.034 0.0055 0.0030

1、参考液相线温度1521℃：转炉出钢1655℃；LF结束1638℃；RH结束1589℃； 软吹结束温度1562℃；中包温度1538℃。

2、300mm厚连铸坯连铸过程：拉速：0.78m/min，铸坯低倍中心偏析C类0.5 级。

3、采用步进梁式加热炉将钢坯加热至均热温度1170℃～1215℃，300mm 厚规格钢坯在炉加热时间310min。

采用再结晶区及非再结晶区两阶段轧制及控制ACC层流冷却工艺；再结晶 区轧制结束温度1025℃；钢板待温厚度77mm：非再结晶区轧制开始温度940℃， 结束温度845℃；钢板入水温度按802℃，终冷温度按485℃，冷速为31℃/S。 力学性能见表2所示，抗HIC性能检验结果见表3所示。

表2实施例力学性能

表3实施例HIC性能(％)

断面编号 CLR CTR CSR 1 6.13％ 5.31％ 0.325％ 2 0 0 0 3 0 0 0 平均值 2.04％ 1.77％ 0.108％