本發明涉及管線鋼制造領域，具體地指一種低屈強比薄規格高強抗酸管線鋼熱軋卷板及其制造方法。
背景技術：
目前世界范圍內對能源的依賴仍主要是石油、天然氣，然而隨著易開采的“甜氣”的逐步枯竭，富含h2s氣體的“酸氣”開采力度正逐步加大。常規的管線鋼由于c、mn、p、s等元素含量偏高，導致成品管線鋼組織中易形成帶狀組織、ma及條狀mns等氫原子聚集缺陷，從而導致氫致開裂。抗酸管線鋼雖能有效避免上述缺陷的產生，但由于采取了低c、低mn的成分體系導致成品鋼板屈強比大幅升高，特別對于是薄規格抗酸管線鋼來說屈強比控制難度更大。采用添加cu、cr、ni、mo合金元素雖可提高鋼板強度，但屈服和抗拉同時升高，屈強比仍難控制較低水平，同時成本大幅提高，經濟性不佳。
在現有技術中，公開號為cn104099522a的中國專利文獻，公開了一種“無銅鎳抗酸管線鋼x52ms及其熱軋板卷的制造方法”，其化學成分主要是c:0.02～0.06wt％、si:0.05～0.35wt％、mn:1.0～1.4wt％、p≤0.018wt％、s≤0.003wt％、cr:0.10～0.50wt％、ti:0.005～0.10wt％、nb:0.005～0.10wt％、v:0～0.05wt％，其優選的成品鋼板中c含量為0.035％，這就要求轉爐出鋼時碳的含量不能超過0.02％，要求過高，會嚴重損傷轉爐，降低爐齡。同時其實施例中成品鋼板最薄僅為9.4mm，屈強比達到0.91，規格更薄的產品達不到技術要求。
另有公開號為cn102851590a的中國專利文獻，公開了“一種抗酸性低錳x70管線鋼及其生產方法”，其化學成分采用c：0.05～0.07％、si：0.10～0.25％、mn：1.05～1.25％、p：0～0.019％、s：0～0.006％、nb：0.06～0.09％、ti：0.010～0.020％、mo：0.20～0.30％、ni：0.05～0.30％、cu：0.05～0.30％、als：0.015～0.040％，雖然其8mm鋼板的屈強比低至0.84，但是其該規格下cu、ni、mo的添加量同時達到0.20～0.25％，合金成本太高。
此外，公開號為cn102021476a的中國專利文獻，公開了“一種低成本抗酸性管線鋼熱軋卷板及其制造方法”，其化學成分及主要工藝為：c：0.04～0.10％、si：0.05～0.50％、mn：1.00～1.70％、p≤0.015％、s≤0.002％、nb≤0.08％、ti：0.005～0.030％、als：0.010～0.050％、ca：0.0010-0.0040％、n≤0.0060％、h≤0.0002％、o≤0.0010％，采用兩階段軋制，返紅溫度550～700℃，其成品鋼板6.25、7.0mm規格rt0.5≤350mpa，rm≤450mpa，屬于低強度級別抗酸管線鋼。
從現有的低屈強比、抗酸管線鋼的專利及文獻來看，低成本薄規格抗酸管線鋼的高強度和低屈強比的矛盾性要求需要通過進一步優化成分設計和控軋控冷工藝來解決。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種低屈強比薄規格高強抗酸管線鋼熱軋卷板及其制造方法，該熱軋卷板具有抗酸性，同時屈強比低、強度高、厚度薄，其制造方法步驟簡單、成本低，適合于工業化生產。
為實現上述目的，本發明提供一種低屈強比薄規格高強抗酸管線鋼熱軋卷板，它的化學成分按質量百分數計為：c:0.04～0.065％、si:0.15～0.30％、mn:0.8～1.15％、p:≤0.012％、s:≤0.0015％、n:≤0.006％、nb:0.025～0.04％、ti:0.010～0.025％、cr:0.1～0.3％、als:0.02～0.05％，其余為fe及不可避免的雜質。
優選的，所述管線鋼熱軋卷板的金相組織為多邊形鐵素體+珠光體。
優選的，所述管線鋼熱軋卷板的[h]+[o]+[n]含量≤100ppm。
本發明中各元素及主要工藝的作用及機理：
c：本發明中c含量為0.04～0.065％。碳是鋼中最經濟、最有效的強化元素。但碳在冶煉過程中容易產生中心偏聚，致使鋼板心部產生珠光體條帶或m/a島等氫原子聚集缺陷，導致抗hic和sscc性能大幅下降。本發明設計碳含量為0.04～0.065％，若碳含量低于0.04％一方面轉爐脫碳困難，增大冶煉難度；另一方面強度損失較大，鋼板強度達不到要求。若高于0.065％則鋼板的hic和sscc環境下腐蝕開裂風險成倍增加。
si：本發明中si含量為0.15～0.30％。該元素有固溶強化及脫氧作用，含量低于0.15％無法起作用，但若高于0.30％則會惡化管線鋼的塑、韌性，特別是對于焊接熱影響區的沖擊降低顯著。
mn：本發明中mn含量為0.8～1.15％，錳是僅次于碳的廉價的合金化元素，不僅可以顯著提高鋼的強度，而且其能擴大奧氏體穩定區，擴大熱加工溫度區域。但mn也屬于易偏析元素，在板厚中心富集，形成m/a或貝氏體條帶，若低于0.8％，則強化效果不足，若高于1.15％容易在鑄坯心部形成偏析帶，降低鋼板的抗酸性能。
nb：本發明中nb含量為0.025～0.04％，鈮可以顯著提高鋼的奧氏體再結晶溫度，擴大未再結晶區范圍，是細化原奧氏體晶粒最有效元素，同時也是析出強化的主要元素。由于本發明主要針對薄規格鋼板，故采用較低的nb成分設計。但若nb含量低于0.025％，則對于強度貢獻微弱，若高于0.040％則造成成本高昂，浪費資源。
ti：本發明中ti的含量為0.01～0.025％。鈦是一種強烈的碳化物和氮化物形成元素，在鋼重新加熱及高溫奧氏體區、粗軋過程中會阻止奧氏體晶粒長大，在焊接過程中細化熱影響區晶粒，提高沖擊韌性。若其含量低于0.01％，則對原奧氏體晶粒細化作用不足，若高于0.025％則可能形成大顆粒tin，富集于鋼板心部，顯著降低鋼板韌性及抗酸性能。
n：本發明中n≤0.006％。屬于轉爐鋼中正常殘余，可以與鋼中鈦(ti)、鈮(nb)結合形成tin顆粒及nb(c、n)復合析出物，起到抑制奧氏體晶粒長大和析出強化作用。過量的n與ti形成大顆粒tin，惡化韌性，損害鋼板抗酸性能。
cr：本發明中cr的含量為0.10～0.30％。鉻較強的固溶強化作用，且價格低廉，能夠有效替代mo、ni等貴重合金元素，降低生產成本。此外，加入一定的鉻還能改善鋼的耐候、耐腐蝕性能及淬透性。若含量低于0.1％，則無法起到強化作用；若高于0.30％，則會惡化焊接性能。
als：本發明中als的含量為0.02～0.05％。鋁是鋼中主要的脫氧元素，能夠顯著降低鋼中的氧含量，同時鋁與氮的結合形成aln，能夠有效地細化晶粒。但是鋼中鋁含量超過一定量時，易導致鋁的氧化物夾雜明顯增加，降低鋼的潔凈度，對抗酸性能不利。
p、s:本發明中其含量分別為：[p]≤0.012％，[s]≤0.0015％。磷易導致鋼的冷脆，硫易引起熱脆，過量的s還會與鋼中的mn結合形成條狀mns夾雜，成為hic裂紋起源點，因此應盡量降低鋼中的磷、硫的含量，同時采用ca處理，球化夾雜物。考慮生產成本及性能要求將本發明中的p、s元素限定在該水平。
[h]、[o]、[n]：本發明中三種氣體雜質的總含量[h]+[o]+[n]≤100ppm。氣體雜質會降低鋼質純凈度，形成夾雜物存在于鋼中，成為氫原子聚集區，故應盡量降低。低于100ppm才能有效降低hic和sscc風險。
本發明還提供一種上述低屈強比薄規格高強抗酸管線鋼熱軋卷板的制造方法，其步驟包括：
1)采用轉爐-lf爐-真空爐冶煉，并澆鑄成鑄坯；
2)鑄坯緩冷后裝爐再加熱至1150～1250℃；
3)進行粗軋，軋制溫度控制在1020～1100℃；
4)進行精軋，開軋溫度控制在950～1000℃，終軋溫度控制在850～900℃；
5)冷卻：開冷溫度控制在810～850℃，返紅溫度控制在500～580℃，冷卻速度控制在10～15℃/s；
6)冷卻至室溫后得到所述低屈強比薄規格高強抗酸管線鋼熱軋卷板。
優選的，所述步驟1)中真空處理時間不少于15min。
優選的，所述步驟2)中總在爐時間為140～160min。
優選的，所述步驟3)中粗軋階段累積壓下率≥65％。
優選的，所述步驟4)中精軋階段累積壓下率≥70％。
優選的，所述步驟6)中經過卷取后冷卻至室溫。
抗酸管線鋼固溶強化元素c、mn均較常規管線鋼低，導致屈強比控制難度增大。低成本、高強化是管線鋼領域的發展方向，這就要求降本的同時采用控制控冷工藝手段解決高強化問題，雖然冷卻速度提高會大幅提高鋼板強度，但對于薄規格產品來說，冷卻速度過大會造成晶粒過度細化，屈強比升高，工程應用的危險性增加。本發明結合薄規格抗酸管線鋼的這些特性，在僅添加少量nb、cr情況下通過工藝手段解決屈強比、薄規格、高強度三者的矛盾問題，其主要創新點在于：1)針對抗酸性特點，采用較低的c、mn設計，其中mn含量為0.8～1.15％減少了mn的中心偏析，均勻化組織。2)高潔凈鋼冶煉技術，嚴格限定了鋼種有害氣體的總含量，[h]+[o]+[n]≤100ppm，大幅降低因夾雜物導致的hic、sscc開裂風險。3)設定合適的冷卻速度10～15℃/s，及返紅溫度500～580℃，防止冷卻速度過大導致晶粒過度細化，屈強比升高，同時由于采用該冷卻速度和返紅溫度，保證了在低成分體系下的高強度特性。
本發明與現有技術相比：不僅解決了薄規格管線鋼低屈強比的難題，同時保證了在低成本的成分體系下高強度抗酸管線鋼的穩定化生產。本發明的低屈強比薄規格高強抗酸管線鋼熱軋卷板：1)力學性能：屈服強度(橫向)：rt0.5≥450mpa，抗拉強度：rm≥520mpa，延伸率：a50.8≥30％，屈強比：rt0.5/rm≤0.90，-20℃v型缺口沖擊功(沖擊試樣尺寸：5×10×55mm)：kv2≥110j；-15℃，落錘撕裂韌性dwtt：sa≥90％；維氏硬度：hv10≤200。2)抗酸性能：tm0284-2003a溶液，初始ph＝2.7，浸泡96h，csr≤2％，clr≤15％，ctr≤5％；tm0177-2005，a溶液，四點彎曲試驗，恒載荷加載應力為0.72*rt0.5，放大×10倍，低倍顯微鏡觀察無裂紋。
本發明的有益效果在于：
抗酸管線鋼固溶強化元素c、mn均較常規管線鋼低，導致屈強比控制難度增大。低成本、高強化是管線鋼領域的發展方向，這就要求降本的同時采用控制控冷工藝手段解決高強化問題，雖然冷卻速度提高會大幅提高鋼板強度，但對于薄規格產品來說，冷卻速度過大會造成晶粒過度細化，屈強比升高，工程應用的危險性增加。本發明結合薄規格抗酸管線鋼的這些特性，在僅添加少量nb、cr情況下通過工藝手段解決屈強比、薄規格、高強度三者的矛盾問題。本發明針對抗酸性特點，采用較低的c、mn設計，減少了mn的中心偏析，均勻化組織。同時采用高潔凈鋼冶煉技術，嚴格限定了鋼種有害氣體的總含量，大幅降低因夾雜物導致的hic(氫致開裂)、sscc(硫化物應力腐蝕開裂)開裂風險。并且在制造過程中設定合適的冷卻速度10～15℃/s，及返紅溫度500～580℃，防止冷卻速度過大導致晶粒過度細化，屈強比升高，由于采用該冷卻速度和返紅溫度，保證了高強度特性。本發明通過成分和制造方法工藝控制得到了不僅具有抗酸性，而且屈強比低、強度高、厚度薄同時成本較低的低屈強比薄規格高強抗酸管線鋼熱軋卷板，具有很強的實用性。
具體實施方式
以下通過具體實施例對本發明的低屈強比薄規格高強抗酸管線鋼熱軋卷板及其制造方法作進一步的說明：
表1列出了實施例1～實施例10的低屈強比薄規格高強抗酸管線鋼熱軋卷板及對比例1和對比例2的抗酸管線鋼熱軋卷板化學成分的
重量百分數(余量為fe和不可避免的雜質)。
表1實施例的化學成分(wt，％)
實施例1～10
本發明的實施例1～實施例10低屈強比薄規格高強抗酸管線鋼熱軋卷板按照如下方法制造得到，具體工藝參數如表2所示：
1)采用轉爐-lf爐-真空爐冶煉，并澆鑄成坯。其中，真空處理時間不少于15min。
2)緩冷24h后裝爐再加熱至1150～1250℃，總在爐時間140～160min。
3)進行粗軋，軋制溫度控制在1020～1100℃，粗軋階段累積壓下率≥65％。
4)進行精軋，開軋溫度控制在950～1000℃，終軋溫度控制在850～900℃，累積壓下率≥70％。
5)冷卻：開冷溫度控制在810～850℃，返紅溫度控制在500～580℃，冷卻速度控制在10～15℃/s。
6)出水后卷取，冷卻至室溫。
對比例1
本發明對比例1的抗酸管線鋼熱軋卷板采用如下方式制造得到，具體工藝參數如表2所示：
a)鐵水預處理，保證鐵水中s的含量小于40ppm，轉爐冶煉，rh爐后s的質量分數8～12ppm。ca/s比大于2，連鑄過程采用動態輕壓下技術。b)加熱爐再加熱溫度1200～1280℃，粗軋終止溫度950～1050℃，精軋入口溫度1010～1027℃，精軋終止溫度820～900℃。c)采用層流冷卻，冷卻前段稀疏冷卻或空冷，500～600℃卷取。
對比例2
本發明對比例1的抗酸管線鋼熱軋卷板采用如下方式制造得到，具體工藝參數如表2所示：
a)鋼水經轉爐-lf爐及真空爐后澆鑄成坯。b)連鑄結束后在500～850℃溫度直接進入加熱爐加熱，1150～1250℃出爐進行軋制；經粗軋機和精軋機進行兩階段控制軋制，粗軋終軋溫度950～1050℃，精軋終軋溫度770～870℃，精軋壓縮比≥60％，軋后采用層流冷卻裝置進行控制冷卻，冷速8～20℃/s，終冷溫度550～700℃。具體工藝制度：加熱溫度1150～1250℃，粗軋終軋溫度為950～1050℃，精軋終軋溫度為770～870℃，終冷溫度為550～700℃。
表2各實施例的制造方法工藝參數
將以上各實施例和對比例鋼板進行性能檢測，其主要性能檢測結果如表3所示，主要抗hic性能如表4所示，主要抗sscc性能如表5所示。
表3各實施例主要性能檢測結果
表4各實施例抗hic性能檢測結果
表5各實施例抗sscc性能檢測結果
從以上表3～表5的結果可以看出，本發明通過成分和工藝的組合控制，可以實現低成分體系下薄規格高強抗酸管線鋼的高強度、低屈強比、優異的抗hic性能和sscc性能，相較于對比例來說，該發明不僅成本更低，強度更高，可以實現更薄的規格，對冶煉、軋制過程的控制也相對簡單，極大提高生產效率和過程成本的控制。
本發明技術領域的科研人員可根據上述作內容和形式非實質性的改變而不偏離本發明所實質保護范圍，因此，本發明不局限于上述具體的實施實例。