一种低温条件下使用的低裂纹敏感性管件用钢板及其制造方法

摘要

本发明涉及一种低温条件下使用的低裂纹敏感性管件用钢板，化学成分(wt％)为C 0.03‑0.08，Si 0.2‑0.35，Mn 0.9‑1.6，Al 0.02‑0.04，Nb 0.01‑0.07％，V0.01‑0.07，Ti0.01‑0.02，Nb+V+Ti≤0.15％，Cr≤0.5，Ni≤0.5，Mo≤0.4，Cu≤0.3，Pcm≤0.18；余量为Fe及不可避免的杂质。KR铁水预处理—转炉冶炼—LF精炼—RH真空脱气—370‑450mm厚度连铸坯连铸—连铸坯加罩缓冷—连铸坯检查清理—铸坯加热—高压水除鳞—轧制—冷却—矫直—离线回火。钢板组织为控制为单一的回火贝氏体组织、晶粒度在3‑6μm范围内，钢板具有非常优异的低温任性，可满足‑60℃低温条件下X70管线钢的使用要求。

说明书

技术领域

本发明属于冶金技术领域，涉及一种低温条件下使用的低裂纹敏感性管件用钢板及制造方法。

背景技术

在长输管线工程项目中，为满足长输要求，需要建设很多压气站、输配气站场等设施，因此，需要大量的站场管件用钢。在一些高寒地带，尤其是类似中俄东线等低温环境中使用的站场管件，站场的极限温度在-30℃到-50℃之间，在常规管件用钢的基础上，需要具备更好的低温性能。同时，在整个管件制造过程中，材料的可焊性对管件用钢的低温性能影响较大，因此，能够满足低温条件下使用的低裂纹敏感性管件用钢板可更好的满足工程需要，提升工程安全。

在管件生产过程中，需要经过鼓包、拉拔等热成型过程，然后进行整体热处理，因此，需要材料在经过淬火+回火后仍旧能够满足管件用钢的性能要求。传统管件用钢通常采用中高碳+提高淬透性的合金成分设计，以保证热处理后性能要求，如专利公告号CN102011064提出了一种X80级低温管件用钢及其制备和应用，可满足-46℃条件下30-70mm厚度管件用钢的使用，C的范围在0.12-0.16％，不属于易焊接性钢，在材料的可焊性方面明显变差。在制造工艺上，常采用调质工艺进行生产。

本发明专利提出了一种低温条件下使用的低裂纹敏感性管件用钢，采用低裂纹敏感性成分设计和热轧工艺+回火工艺生产，可满足整体热处理后的管件用钢在-60℃低温条件下使用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种低温条件下使用的低裂纹敏感性管件用钢，采用低裂纹敏感性成分设计和热轧工艺+回火工艺生产，可满足整体热处理后的管件用钢在-60℃低温条件下使用，钢板组织为控制为单一的回火贝氏体组织、晶粒度在3-6μm范围内，钢板具有非常优异的低温任性，可满足-60℃低温条件下X70管线钢的使用要求。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种低温条件下使用的低裂纹敏感性管件用钢板，该钢板的化学成分按质量百分比％计为，C 0.03-0.08，Si 0.2-0.35，Mn 0.9-1.6，Al 0.02-0.04，Nb+V+Ti≤0.15％，Cr≤0.5，Ni≤0.5，Mo≤0.4，Cu≤0.3，Ti 0.01-0.02，Pcm≤0.18；焊接裂纹敏感系数Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B；余量为Fe及不可避免的杂质。

上述钢板产品的厚度为40-60mm，钢板满足-60℃低温条件下使用，-60℃下钢板1/4厚度处夏比冲击功均≥200J。

本发明设计采用低碳+Nb、V、Ti等微合金元素，C≤0.08％，可获得更低的碳当量和冷裂纹敏感系数，保证了钢板完全处于易焊接性材料区间，具有良好的可焊性；同时，设定了Pcm≤0.18，为钢板具有良好焊接性提供了双重保证。

本发明钢材的化学成分及其含量对应的原理具体说明如下：

C：综合衡量C对淬透性和焊接性的影响，过高，淬透性好，焊接性差，过低淬透性差，强度低、焊接性好，综合考虑，本发明设计C含量选择范围为0.03-0.08％。

Si：脱氧元素，固溶强化提高钢的强度，综合考虑，本发明Si含量选择范围为0.2-0.35％。

Mn：低合金钢种基本合金元素，可扩大奥氏体相温度范围，主要通过固溶强化提高钢的强度，可弥补C过低导致的强度损失；是影响强度、淬透性、焊接性的主要合金元素之一。综合考虑，本发明Mn含量的选择范围为0.9-1.6％；

Al：脱氧元素，可通过形成AlN起到细化晶粒的作用。本发明Al含量的选择范围为0.02-0.04％。

Nb：在控轧过程中，可提高奥氏体再结晶区温度范围，有效细化奥氏体晶粒从而达到细晶强化的效果，有利于强度和韧性的提高。在淬火+回火处理过程中，固溶的Nb会形成NbC以弥散强化的形式析出，能够提高强度而不损害韧性，综合考虑，本发明Nb含量的选择范围为0.01-0.07％。

V：碳氮化物形成元素，主要以细晶强化和析出强化为主，通过形成V(C，N)以弥散强化和析出强化的方式细化晶粒，提高钢的强度和韧性。本发明V含量的选择范围为0.01-0.07％。

Cr：提高淬透性的主要元素，可很好的弥补C含量较低导致强度和淬透性下降的不足。含量过高时，则会对低温冲击韧性和焊接性有不利影响。Ni、Cu：可通过固溶强化提高钢的强度，改善低温冲击韧性，Cu还可以改善材料的耐腐蚀性能；因加入Cu后，钢有热裂倾向，加入适量的Ni可改善含Cu钢的热裂倾向。Mo：加入适量的Mo可提高材料的淬透性，同时可推迟铁素体转变，还有利于克服调质处理时钢的回火脆性。

Ti：固氮元素，0.02％的Ti就可以固定钢中60ppm以下的N，并通过形成TiN起到析出强化和细晶强化的作用，有效细化晶粒。但Ti含量过多容易出现粗大的析出相，对韧性不利，综合考虑，本发明Ti含量的选择范围为0.01-0.02％。

成分设计上，采取低碳+微合金化元素，重点突出Pcm≤0.18，从而使材料具有良好的低裂纹敏感性。

本申请另外提供上述钢板的制造方法为：KR铁水预处理-转炉-LF精炼-RH真空脱气-370～450mm板坯连铸-缓冷-轧制-离线回火-精检-性能检测-入库。

(1)炼钢工序，采用KR铁水预处理、150t转炉冶炼、LF精炼、RH真空脱气处理生产出高纯净钢水，然后连铸生产370-450mm特厚连铸坯；随后，对连铸坯进行加罩堆垛缓冷扩氢处理，堆垛缓冷时间≥72小时。

(2)将连铸坯加热至1100～1220℃，保温160～200min，使钢中的合金元素充分固溶以保证性能的均匀性，出炉后使用高压水除鳞除去氧化铁皮。

(3)经高压水除鳞后，进行两阶段轧制，第一阶段为粗轧阶段，开轧温度在1000～1150℃，累计综合压下率≥50％，后三道次单道次平均压下率≥20％，保证原奥氏体晶粒度充分细化，总体控制在25μm以内；第二阶段为精轧阶段，开轧温度为820～880℃，累计道次压下率≥65％，未再结晶区采用低温大压下轧制工艺使奥氏体充分扁平化，扁平宽度控制在10-16μm以内；轧后钢板进行ACC快冷，出水温度300～400℃；出水后继续空冷；发挥450mm厚度连铸坯优势，充分实现轧制大压下，细化原奥氏体晶粒。

(4)离线回火温度为580～680℃，在炉时间3.5～4.0min/mm，出炉后空冷。

本发明针对在低温条件下使用的易焊接管件用钢板，使用低碳、低裂纹敏感系数成分设计、高纯净钢的冶炼、370-450mm厚度特厚连铸板坯作为原料，采用控制轧制加控制冷却、离线回火的方法生产出屈服强度500MPa以上的易焊接管件用钢板，该钢板性能能够满足-60℃低温条件下使用的X70级管件用钢的要求。

本发明，重点突出了成分设计上的优势，在降低碳、Mn等合金元素的基础上，通过利用Nb、Ti、Ni等微合金元素合理匹配，实现低裂纹敏感性的目标，Pcm≤0.18％，可实现大线能量焊接条件下不需预热，保证焊后热影响区性能稳定的目的；在此基础上，发挥370-450mm厚度大厚度连铸坯的轧制优势，在再结晶区实现粗轧大压下，累计道次压下率达到50％以上，后三道次单道次压下率≥20％，保证了原奥氏体晶粒度充分细化，总体控制在25μm以内；同时，在未再结晶区阶段，由于特厚连铸坯的优势，在满足粗轧大压缩比的前提下，能够保证精轧阶段累计道次压下率≥65％，未再结晶区的低温大压下轧制工艺，使奥氏体充分扁平化，扁平宽度控制在10-16μm以内，充分扁平化可为后续贝氏体的形成提供更多的形核位置，实现了贝氏体的晶粒细化，加速冷却后，得到贝氏体组织，晶粒度在3-6μm内；离线回火处理中，贝氏体内位错密度有所下降，同时有细小的碳化物析出，但是由于晶粒充分细化，组织上仍为贝氏体组织，强度有所下降，韧性有所提高，可满足-60℃条件下使用。

与现有技术相比，本发明的优点在于：(1)本发明采用低碳、低裂纹敏感性成分设计，C0.03-0.08％，冷裂纹敏感系数Pcm≤0.18；确保钢板具有良好的易焊接性。(2)本发明所提供的钢板利用控轧控冷+离线回火工艺生产，充分发挥370-450mm厚度大厚度连铸坯的优势，提高轧制压缩比，充分细化奥氏体晶粒度，从而满足-60℃低温条件下使用，-60℃下钢板的1/4厚度处夏比冲击功均≥200J，具有良好的低温韧性。

附图说明

图1为本发明40mm厚度钢板的显微组织照片；

图2为本发明60mm厚度钢板的显微组织照片。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1-2：

根据本发明的化学成分范围及制造方法，经KR铁水预处理—转炉冶炼—LF精炼—RH真空脱气—370-450mm厚度连铸坯连铸—连铸坯加罩缓冷—连铸坯检查清理—铸坯加热—高压水除鳞—轧制—ACC冷却—空冷—矫直—离线回火工艺步骤，制造-60℃低温条件下使用的低裂纹敏感性管件用钢板。

上述加热、轧制和缓冷阶段的具体工艺为：450mm厚度连铸坯加热至1200℃，保温200min(实施例1和2)，连铸坯出炉后使用高压水除鳞；然后进行两阶段轧制，第一阶段为粗轧，开轧温度1080-1150℃，累计压下率73％，最后三道次平均压下率23％，中间坯厚度120mm(实施例1)或第一阶段开轧温度1080-1150℃，累计压下率60％，最后三道次平均压下率21％，中间坯厚度180mm(实施例2)；第二阶段为精轧，开轧温度为830℃，累计道次压下率66.7％(实施例1)或第二阶段开轧温度820℃，累计道次压下率66.7％(实施例2)，最终钢板厚度为40mm(实施例1)和60mm(实施例2)；轧后进行ACC快速冷却，出水温度370℃(实施例1)和出水温度330℃(实施例2)；而后空冷，空冷后进行离线回火处理，回火温度为620℃，回火保温140min(实施例1)和回火温度为660℃，回火保温210min(实施例2)。

试验钢板的力学性能见表2，钢板的显微组织如图1和图2所示，组织为均一的回火贝氏体组织、晶粒度在3-6μm范围内。

表1实施例1和2中管件用钢板的化学成分(wt.％)

实例CSiMnPSAlNb+Ti+VPcmCeq10.060.251.500.0080.00060.0230.100.170.41820.070.241.530.0070.00050.0250.120.180.422

Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15

Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B

表2实施例1和2中管件用钢板的力学性能

除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。