專利名稱：低屈強比超高強度x130管線鋼及其熱軋平板的制造方法
技術領域：
本發明屬于金屬材料技術領域，尤其涉及一種超高強度低屈強比X130管線鋼及其熱軋平板的制造方法。
背景技術：
近年來能源結構的變化以及對能源需求的增長，極大地促進了長距離油氣輸送管線的發展。為提高輸送效率、降低工程投資，長距離石油天然氣輸送管線用鋼向高鋼級發展已成必然趨勢。同樣的輸送條件下，應用高鋼級管線鋼產品可以使鋼管的壁厚減薄，節省用鋼量， 降低工程投資與提高施工效率；或在管道口徑、壁厚不變的條件下提高輸送壓力，達到提高輸送量的目的。管線鋼鋼級的不斷提高已經成為管線鋼的發展趨勢，長距離高壓輸氣管線應用屈服強度等級不小于690MI^的XlOO及其以上管線鋼是目前國際管道工業和冶金工業共同發展的方向。目前，世界各國廣泛使用的管線鋼的最高鋼級僅到X80(屈服強度大于等于 555MPa)，如CN1715434專利公開了一種高強度高韌性X80管線鋼；少量試驗段采用了 XlOO 與X120鋼管，它們的屈服強度均低于900MPa，其強度水平達不到X130的要求。國內外已公開的高強管線鋼專利，有的屈服強度低，不能滿足X130的要求，如W02008054166專利和 CN101165203專利描述的熱軋鋼板及其制備方法最高僅能滿足X120的強度要求；有的雖然屈服強度滿足了要求，但是屈強比高，超過了 0. 90，甚至達到了 0. 98，這不利于高強管線鋼的工程應用，如JP2002^5283專利；有的雖然強度可以達到900MPa以上，但是需要對熱軋板材進行熱處理，增加了制造成本與工藝復雜度，如US5900075專利描述了一種需要熱處理促進Cu析出硬化的管線鋼。因此，鋼板具有高強度是長距離高壓輸送油氣工程對管線鋼性能提出的最基本的要求。從考慮輸送管道的運行穩定性和安全性出發，還應對管線用鋼的韌性、屈強比提出更高的要求。具有低屈強比、高韌性的超高強度管線鋼將是未來管線鋼的重要發展方向之一， 它能在降低管道建造成本的條件下，同時又能保證管道運營的安全。

發明內容
本發明的目的在于克服上述現有技術的不足，提供一種無需軋后熱處理、屈強比不超過0. 90的超高強度X130管線鋼及其熱軋平板的制造方法。為了解決這一問題，本發明高強度低屈強比X130管線鋼成分設計思想是以超低 C、高Mn，通過加入微量Nb、Ti等微合金元素、少量Mo、Cr及Cu、Ni合金元素，結合控軋控冷工藝，獲得由貝氏體+MA組元構成的組織結構，以保證管線鋼具有高強度低屈強比的性能。本發明低屈強比超高強度X130管線鋼的組成成分重量百分比為 CO. 030% -0. 090%, Mn 1. 50% -2. 50%, Si 0. 10% -0. 60%, P ^ 0. 015%, S^O. 003%, Nb 0. 040% -0. 150%, Ti 0. 005% -0. 03%, Alt 0. 01 % -0. 06 %, N ^ 0. 012 % ；Cu, Ni
3中的一種或兩種，其中Cu 0% -1. 20%, Ni 0%-1. 20% ;Cr、Mo中的一種或兩種，其中Cr 0% -1. 20%,Mo 0% -1. 20% ；Cu、Cr、Ni、Mo總量彡2. 40% ；余量為Fe和不可避免的雜質。為了實現更優的性能，本發明對C、Nb、Cu、Ni、Cr和Mo的添加量與添加方式做出了優化:C優選為0. 030% -0. 060% ;Nb優選為0. 040% -0. 080%；Cu與Ni等比例添加，總量優選為0. 20% -1.0% ；Cr與Mo總量優選為0. 20% -1.0%。本發明超高強度X130管線鋼的主要組成成分的作用如下C:鋼中最經濟、最基本的強化元素，通過固溶強化和析出強化對提高鋼的強度有明顯作用，但是提高C含量對鋼的延性、韌性和焊接性有負面影響，為此，本發明將C含量上限設定為0.090%。近代管線鋼的發展過程是不斷降低C含量的過程。降低C含量一方面有助于提高鋼的韌性，另一方面可改善鋼的焊接性能。當C含量低于0.030%時，不能充分發揮Nb等元素的沉淀強化作用。為了起到細化晶粒、提高焊接接頭強度，本發明C含量的下限設定為0.030%。此外為提高鋼中的有效Nb含量，碳含量必須低于0.06%。本發明選取 C 含量范圍 0. 030-0. 090 %，優選為 0. 030-0. 060 %。Si、Alt 加入Si是為了煉鋼過程中脫氧與提高基體的強度。如果添加過量的Si， 母材的焊接熱影響區的韌性就會顯著降低，野外焊接施工性能也會變差。因此，Si含量在本發明中選定為0. 10-0. 60%。鋼中脫氧還可以通過加Al完成，如果Al添加過多，生成的脫氧產物Al2O3容易堵塞水口。含量過低，脫氧效果不佳，Ti等易氧化元素就會生成氧化物降低收得率。本發明中選定Alt (全鋁)含量范圍0. 01-0. 06%。Mn 通過固溶強化提高鋼的強度，是管線鋼中補償因C含量降低而引起強度損失的最主要且最經濟的強化元素。Mn還是擴大γ相區的元素，可降低鋼的Y — α相變溫度，有助于獲得細小的相變產物，可提高鋼的韌性、降低韌脆轉變溫度。為了保證強度與低溫韌性之間的平衡，Mn的最低含量設定為1. 50%。提高Mn的含量，鋼的可淬透性增加，含量增加到一定程度后，會導致焊接性能下降尤其是嚴重惡化焊接熱影響區的韌性。另外，過高的Mn含量還會增加連鑄坯中心偏析，使鋼板性能的各向異性增加。因此，本發明的Mn含量上限設計為2.50%。Nb:是現代微合金化管線鋼中最主要的元素之一，對晶粒細化的作用十分明顯。通過熱軋過程中NbC應變誘導析出阻礙形變奧氏體的回復、再結晶，經過控制軋制和控制冷卻使非再結晶區軋制的形變奧氏體組織在相變時轉變為細小的相變產物，以使鋼具有高強度和高韌性。本發明就是配合C含量添加適量Nb發揮NbC的作用，本發明選取Nb含量范圍 0. 040-0. 150%,優選為 0. 040-0. 080%。Ti,N 是強的固N元素，Ti/N的化學計量比為3. 42，利用0. 01%左右的Ti就可固定鋼中30ppm左右的N，在板坯連鑄時可形成細小的高溫穩定的TiN析出相。這種細小的 TiN粒子可有效地抑制板坯再加熱時的奧氏體晶粒長大，有助于提高Nb在奧氏體中的固溶度，改善焊接熱影響區的沖擊韌性。當Als的含量過低(如低于0.005% )，Ti會形成氧化物，這些內生質點可以起到晶內鐵素體形核核心的作用，細化焊接熱影響區組織。為了獲得這一效果，至少要添加0. 005% Ti。當Ti添加量超過某一定值，TiN顆粒就會粗化，TiC的沉淀強化作用顯現，造成低溫韌性惡化。因此，綜合考慮TiN細化奧氏體晶粒以及Ti/N計量比，本發明選取Ti含量范圍0. 005-0. 03%，N含量不超過0. 012%。
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Cr,Mo 是擴大、相區，推遲Y — α相變時先析出鐵素體形成、促進針狀鐵素體形成的主要元素，對控制相變組織起重要作用，在一定的冷卻條件和終軋溫度下超低碳管線鋼中加入，就可獲得明顯的針狀鐵素體及貝氏體組織，同時因相變向低溫方向轉變，可使組織進一步細化，組織細化有利于低溫韌性的改善。為了獲得強度與韌性的合理搭配，本發明選取 CrO-L 20%,MoO-L 20%，優選 Cr+Mo 范圍為 0. 20-1. 00%。Cu、Ni 可通過固溶強化作用提高鋼的強度，同時Cu還可以改善鋼的耐蝕性，Ni的加入主要是改善Cu在鋼中易引起的熱脆性，且對低溫韌性有益。在厚規格管線鋼中還可補償因厚度的增加而引起的水冷強度不足而造成的強度下降。本發明選取Cu 0-1. 20%, Ni 0-1. 20%，優選Cu+Ni范圍為0. 20-1. 00%，推薦1 :1添加，Ni含量的下限不低于Cu含量的三分之一。P、S:是鋼中不可避免的雜質元素，希望越低越好，但是考慮到冶煉成本，P、S含量的上限設定為0. 015%,0. 003%。通過Ca處理對硫化物進行夾雜物形態控制，可使管線鋼具有高的沖擊韌性。本發明針對微合金低碳貝氏體組織具有高強度高韌性，以晶粒細化、相變強化、析出強化和位錯強化等材料強化理論為基礎，對具有貝氏體組織X130管線鋼的成分設計采用了超低碳、超低硫、Nb、Ti復合微合金化、控制組織的Mo、Cr合金化及適當加入Cu、Ni的成分設計。熱軋工藝采用了控軋控冷的熱機械處理技術，通過合理的成分和工藝進行最終產品的組織控制，以獲得具有高強度高韌性的超低碳貝氏體組織。為了保證較低的屈強比，鋼板生產過程中采用兩階段控制軋制技術，其中第一階段軋制為再結晶區軋制，該階段至少三個道次的單道次變形量不小于15%，第二階段軋制為非再結晶區軋制，該階段的累積變形量不小于60%，鋼板軋后在層流冷卻過程中，采用指定的溫度范圍配合相應的冷卻速度。本發明低屈強比超高強度X130管線鋼的制造方法的工藝路線如下備料一轉爐或電爐冶煉一爐外精煉一鑄造一板坯再加熱一控制軋制一控制冷卻。熱軋工藝進行如下控制(1)板坯加熱溫度1050-1280°C ；(2)再結晶區控制軋制的溫度控制范圍900-1250°C ；(3)非再結晶區控制軋制的溫度控制范圍700-950°C ；(4)終止軋制溫度700-880°C ；(5)終止冷卻溫度150-500°C ；(6)冷卻速度3_；35°C /s。與現有生產鋼種(最高級別X80)相比，按照上述技術方案生產出的管線鋼的性能達到以下要求拉伸性能目標RtO.5 或 RpO. 2 彡 900MPa, Rm 彡 950MPa,屈強比 RpO. 2/ Rm ^ 0. 90。V型缺口沖擊性能目標試驗溫度-20°C，10mmxl0mmx55mm試樣的沖擊功平均值彡200J，剪切面積單值彡80%，平均彡90% ；50% FATT彡-40°C。DffTT性能目標試驗溫度-20°C，平均剪切面積SA%彡85%，單個SA%彡70%。橫向冷彎性能目標d = 2a, 180°，完好。
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本發明具有如下特點(1)與以往管線鋼成分相比，本發明的合理配方方面考慮不加入V、B，同時加入Cu、Ni中的一種或一種以上，Cr、Mo中的一種或一種以上，這樣一來降低了生產制造成本和增加了生產可制造性；( 它以超低碳為特點，在保證強度前提下， 增加了沖擊韌性和良好的焊接性能，使管線鋼具有良好的止裂能力；C3)充分利用了 C和Nb 元素的關系，在一定的配合下使之生成NbC，產生細晶強化作用，及利用Nb的提高再結晶溫度作用以配合控軋工藝，不僅提高了產品的綜合性能，而且能夠采用靈活的熱軋生產工藝， 提高生產效率、減小軋機負荷，所生產的產品具有較高的沖擊韌性，能夠充分保證高的強度和韌性，具有良好的止裂能力；(4)為保證較低的屈強比，采用兩階段控軋工藝并對每階段的軋制道次、道次壓下量與累積壓下量有量化的下限規定。與目前管線工程已使用的最高強度等級的管線鋼X80相比，在強度上提高了近60%，屈服強度處于相同水平不高于0. 90， 對降低輸送管線的建設成本及管道安全有明顯的作用。采用本發明后，既不用添加V、B，簡化了成分設計方案，也不用后續熱處理工序，簡化了生產過程，即可穩定生產出具有超高強度低屈強比的管線用鋼熱軋平板，鋼板的屈服強度不低于900MPa，屈強比不高于0. 90。這種鋼板的高強度特征可以提高管道工程的輸送壓力，降低管道壁厚節約工程投資；低屈強比特征可以提高管道在復雜地質條件下運行的安全系數，節約管道維護成本。
具體實施例方式下面通過實施例對本發明作進一步的描述。本發明實施例鋼的化學成分見表1。其中對比例M和25來自W02008/0M166A1 專利，對比例沈來自JP2003003233專利。本發明實施例鋼的熱軋工藝參數見表2。本發明實施例鋼的力學性能見表3。表1本發明實施例鋼的化學成分(wt % )
權利要求
1.一種低屈強比超高強度X130管線鋼，其特征在于該鋼的組成成分重量百分比為C 0. 030% -0. 090%,Mn 1. 50% -2. 50%,Si 0. 10% -0. 60%,P 彡 0. 015%,S 彡 0. 003%,Nb 0. 040% -0. 150%,Ti 0. 005% -0. 03%,AltO. 01% -0. 06%,N 0. 012%;Cu、Ni 中的一種或兩種，其中 CuO% -1. 20%,Ni 0% -1. 20% ；Cr,Mo 中的一種或兩種，其中 Cr 0% -1. 20%, Mo 0% -1. 20% ；Cu、Cr、Ni、Mo總量彡2. 40% ；余量為Fe和不可避免的雜質。
2.根據權利要求1所述的超高強度X130管線鋼，其特征在于所述的 CO. 030% -0. 060%，所述的 Nb 0. 040% -0. 080%。
3.根據權利要求1所述的超高強度X130管線鋼，其特征在于所述的Cu與M等比例添加，總量為0. 20% -1. 0% ；所述的Cr與Mo總量為0. 20% -1. 0%o
4.一種權利要求1、2或3所述的超高強度X130管線鋼熱軋平板的制造方法，包括冶煉、爐外精煉、鑄造和熱軋，其特征在于所述熱軋工藝按如下控制板坯加熱溫度為 1050-1280°C ；再結晶區控軋溫度為900-1250°C，至少三個道次，每道次變形量不小于15% ； 非再結晶區控軋溫度為700-950°C，累積變形量不小于60% ；終軋溫度為700-880°C，軋后層流冷卻，終冷溫度為150-500°C，冷卻速度為3-35°C /s。
全文摘要
本發明提供一種低屈強比超高強度X130管線鋼及其熱軋平板的制造方法，其成分C 0.030％-0.090％，Mn 1.50％-2.50％，Si 0.10％-0.60％，P≤0.015％，S≤0.003％，Nb 0.040％-0.150％，Ti 0.005％-0.03％，Alt0.01％-0.06％，N≤0.012％；Cu、Ni中的一種或兩種，其中Cu 0％-1.20％、Ni 0％-1.20％；Cr、Mo中的一種或兩種，其中Cr 0％-1.20％、Mo 0％-1.20％；余量為Fe。其方法包括冶煉、爐外精煉、鑄造和熱軋，板坯加熱溫度1050-1280℃，再結晶區控軋溫度900-1250℃，非再結晶區控軋溫度700-950℃，終軋溫度700-880℃，終冷溫度150-500℃，冷卻速度3-35℃/s。本發明不添加V和B，不用后續的熱處理工序，即可生產出屈服強度大于900MPa，屈強比不高于0.90的熱軋平板。
文檔編號B21B37/74GK102400062SQ201010276430
公開日2012年4月4日 申請日期2010年9月7日 優先權日2010年9月7日
發明者任毅, 劉文月, 張帥, 王爽 申請人:鞍鋼股份有限公司