高碳当量低温高韧性的X80弯管用管线钢板及其制造方法

摘要

本发明涉及高碳当量低温高韧性X80钢级弯管用管线钢板板及其制造方法，具体涉及抗高碳当量低温高韧性的X80钢级弯管用管线钢板，该方法具有工艺简练及成材率高等特点。所述钢板的厚度为18.4‑42mm。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→轧制+ACC梯度冷却→矫直。采用本申请专利钢板具有优异的低温韧性外，工艺简单易实现、成材率高等特点。

说明书

技术领域

本发明属于X80弯管用管线钢板制造技术领域，具体涉及高碳当量、低温韧性优的高碳当量X80弯管管线用钢板及其制造方法。

背景技术

目前世界需求的能源中石化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石化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高钢级发展。目前世界各国使用的管线钢最高钢级为X80钢级。一项管道工程除直管段外，还包括用来改变管道方向的弯管段及站场用弯管等。弯管通常采用冷弯和热煨弯管两种工艺生产，由于冷弯管受制作工艺以及服役环境的影响已逐渐被热煨工艺替代。热煨弯管通常是通过感应加热设备将母管加热到Ac3以上，在固定转壁和后推力作用下，使加热区绕固定中心旋转从而弯制出所需曲率半径的弯管，弯成型后再通过环形冷却圈对弯管外圈进行冷却，由于冷却能力有限，因此对已加热的区域进行类似于ACC加速冷却。冷却完后考虑到性能均匀性，还需进行回火处理。从整个工艺上来说，整个热煨+冷却工艺类似于TMCP工艺，即高温变形（弯曲）+ACC冷却过程。由于整个热煨过程在较高温度变形，同时变形程度较小，同时后续冷却能力较弱，因此弯管用热煨钢板只能采用高碳当量的成分设计！高碳当量设计将给整个生产带来两个主要问题：1）冲击韧性降低；2）由于冷却过程中组织应力较大，造成钢板板形较差，给后续矫直带来困难，同时影响生产效率

国内外有申请X80钢级弯管及弯管用钢板专利报道，如CN201410239039.9申请专利、该专利提到一种X80钢级弯管用热轧平板钢，具有如下特点：1）该申请专利只提到钢板-20℃冲击韧性，实际上目前更多弯管用钢板更多需要-30℃甚至更低温度低温冲击韧性；2）该申请专利在钢板轧制后需要堆缓冷，这对钢板大批量生产效率不利。同时给后续生产工序带来不便。申请专利号为CN201110245761.X的专利申请，具有如下特点：1）该申请专利主要强调热煨工艺，对原料钢板采用何种钢板生产工艺未提及；2）该专利获得的-45℃低温韧性冲击值不高于200J，且数值波动性较大。

弯管由于考虑到其热煨工艺过程中，整个奥氏体变形及后续冷却相对简单和不足，因此在设计弯管用钢板时与直管用钢板相比，通常只能采用高碳当量成分设计。高碳当量成分设计将带来低温系列冲击韧性较差。

发明内容

本申请针对弯管热煨工艺生产特点，化学成分仍采用高碳当量设计，但通过生产过程中冷却工艺的创新，获得一种高碳当量低温高韧性 X80钢级弯管用钢板，工艺简练、成材率高。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为，一种抗HIC的X80弯管用管线钢板，该钢板的化学成分按质量百分比计为C：≤0.10%、Mn：1.55～1.90%，Si：≤0.45%，S：≤0.001%，P：≤0.010%，Nb：0.045～0.08%、Ti：≤0.015%、V：≤0.008%，Alt：≤0.06%，N: ≤0.0040%，O：≤0.004%，Mo：≤0.40%，Cu：≤0.30%、Ni：0.20～1.5%，Cr：≤0.35%，Mo+Cu+Ni+Cr≤1.5%，Ceq：0.35～0.53%，Pcm：0.17～0.27%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素。

进一步地，钢板的厚度为18.4-42mm；屈服强度≥600Mpa；抗拉强度≥710Mpa，屈强比≤0.93，板样延伸率≥35%，-30℃冲击功≥350J，-50℃冲击功≥250J，-60℃冲击功≥230J。

本发明钢材成分是基于高碳当量的设计原则，再采用适量的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的轧制工艺，确保最终各项力学性能，尤其是高碳当量条件下的低温冲击韧性，主要基本元素的添加原理如下：

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近可能降低C含量，但考虑到热煨工艺及强度及韧性的匹配关系，将C含量控制在0.05～0.10%。

：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，Mn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，Mn也是提高钢的淬透性元素。考虑到检验过程中发现Mn偏析对抗HIC性能不利，但同时考虑到热煨工艺同时兼顾到强度要求，本发明中Mn含量设计在1.55～1.9%范围,为缓解因Mn较高所带来的中心偏析，连铸时采用轻压下。

：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的固溶拖曳及热轧过程中的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使未再结晶区轧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。

：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≤0.015%之间。

：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，考虑到TMCP工艺和热煨工艺，Mo含量控制在不低于0.15%。

、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。

、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，Ni含量控制在不低于0.2%。

：Cr的加入可提高钢的淬透性，且相对经济。

本发明的另一目的是提供上述高碳当量低温高韧性的X80弯管用管线钢板的制备方法，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。

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，精炼时采用Ca处理，Ca/S不低于1，并将B类夹杂控制在不高于1.5级，连铸时采用轻压下以改善因Mn含量高造成的芯部偏析，制造出满足化学成分要求、厚度不小于350mm的连铸坯，同时压缩比不低于10。

将连铸坯再加热，二加段温度控制在1250-1300℃；出炉后进行包括两阶段轧制和中间坯冷却的特定TMCP工艺：第一阶段为再结晶区轧制，终轧温度不高于1200℃，再结晶区轧制时控制连续两至三道次的单道次压下率不低于20%；中间坯冷却是通过Mild cooling冷却系统对中间坯适度冷却至第二阶段的非再结晶区开轧温度，冷却方式是在箱体内采用来回摆动的方式进行冷却，冷速为6-12℃/s，保证再结晶区轧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轧制，开轧温度不高于 880℃，直到最终厚度，终轧温度控制在790-850℃。

轧后以水冷方式冷却钢板，开始冷却温度控制为不高于810℃，终止冷却温度控制为不高于500℃，冷却速度为10～35℃/s；冷却后矫直，最后直接冷却到室温即得钢板成品，考虑到钢板的碳当量较高，冷却时，采用分段梯度冷却工艺，即ACC各冷却单元冷却水量设置为不同：前1-6段的冷却水量最大，对应的冷却速度为25-35℃/s，后7-12段ACC冷却单元冷却水量依次递减，对应的冷却速度变化是10-20℃/s。

终轧温度结束后，通过分段梯度冷却工艺，结合CCT曲线，在前1-6ACC冷却段，将钢板冷却到Ac3线附近，一方面可以通过快冷却速度，使得钢板获得较大的过冷度，从而为获得更多相变形核，最终会获得更细小相变晶粒。另一方面，为在同样获平均冷却速度和终冷温度缩短时间。一旦温度达到Ar3线附近后，采用较低冷却速度，可以减缓因高碳当量下，相变时产生相变应力和温度应力敏感性。从而获得钢板组织相对较小且最终残余应力相对较小，最终仍具有低温高韧性。

本发明采用的Mild cooling冷却系统设置在轧机生产线的粗轧机和精轧机之间，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，对粗轧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℃/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厚中间坯由于较薄，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℃/s，对于薄规格，最大冷却速度可达到18℃/s。

进一步地，Mild cooling冷却系统的作业流程：坯料经再结晶区轧制完成后得到中间坯，中间坯进入Mild cooling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轧制的开轧温度，待中间坯冷却到第二阶段轧制的开轧温度后，中间坯将从中间坯适度冷却系统内送出，进入第二阶段轧制工序。

本发明具有如下特点：

1）采用合适的成分和特定生产工艺，解决了高碳当量下低温冲击性能差或不稳定的技术难题，使得弯管用钢板具有优异低温冲击韧性。

2）该方面在钢板冷却时采用分段梯度冷却工艺，无需额外增加设备投资，通过工艺现场即可实现，具有高生产效率特点，且工艺简单。

附图说明

图1为本发明实施例ACC分段梯度冷却与常规冷却的对比图；

图2为本发明实施例钢板的组织结构图。

具体实施方式

以下结合附图、实施例对本发明作进一步详细描述。

高碳当量低温高韧性X80钢级弯管用管线钢板的制造流程为：配比备料→进行转炉或电炉冶炼→炉外精炼→连铸→板坯再加热→轧制→ACC梯度冷却→矫直。

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，精炼时控制Ca/S比不低于1，同时将B类夹杂控制在1.5级及以下，连铸时采用适当工艺，目的在于改善因Mn含量较高造成的芯部偏析。制造出满足化学成分要求、厚度350mm的连铸坯；板坯加热时二加段温度控制在不高于1300℃，并在此加热段停留时间不低于4小时；随后进行轧制+ACC梯度冷却+矫直。

特定TMCP工艺包括两阶段轧制和中间坯冷却：第一阶段为再结晶区轧制，终轧温度控制在不高于1200℃，再结晶区轧制时控制连续两至三道次的单道次压下率不低于20%；

中间坯冷却是通过Mild cooling冷却系统对中间坯快速冷却至第二阶段的非再结晶区开轧温度，冷却方式为是在mild cooling 箱体内采用来回摆动的方式进行冷却，冷速速度为6～12℃/s，保证再结晶区轧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轧制，开轧温度不高于900℃，终轧温度控制在不高于850℃。

轧后以水冷方式冷却钢板，开始冷却温度控制为不高于800℃，终止冷却温度控制为不高于500℃，冷却速度为10～35℃/s；考虑到钢板的碳当量较高，冷却时，采用分段梯度冷却工艺，即ACC各冷却单元冷却水量设置为不同：前1-6段的冷却水量最大，对应的冷却速度为25-35℃/s，后7-12段ACC冷却单元冷却水量依次递减，对应的冷却温度变化是10-20℃/s；冷却后矫直，最后直接冷却到室温即得钢板成品。

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。

表1

实施例CMnSiSPNbTiVAltMo+Cu+Ni+Cr1≤0.11.55-1.9≤0.350.00050.01≤0.08≤0.015≤0.007≤0.06≤1.520.101.650.250.00050.0080.0700.0180.0080.028≤1.530.051.90.200.00050.0090.0650.0180.0070.030≤1.5

表2

表3