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CN108728757A - 一种低温l450m管线钢及其制造方法 - Google Patents

一种低温l450m管线钢及其制造方法 Download PDF

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CN108728757A CN201710269780.3A CN201710269780A CN108728757A CN 108728757 A CN108728757 A CN 108728757A CN 201710269780 A CN201710269780 A CN 201710269780A CN 108728757 A CN108728757 A CN 108728757A
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Abstract

本发明公开一种低温L450M管线钢及其制造方法。钢中含有C 0.050％～0.070％、Si 0.10％～0.25％、Mn 1.61％～1.70％、Nb 0.056％～0.070％、Cr 0.21％～0.30％、Ti 0.008％～0.020％、Al 0.015％～0.045％、P≤0.020％、S≤0.006％、N≤0.008％，余量为铁和不可避免的杂质，且冷裂纹敏感系数Pcm≤0.18％。铸坯厚度≤200mm；铸坯在500～850℃直接热装加热至1140～1200℃，粗轧终轧温度≥970℃，精轧入口温度≤970℃，精轧出口温度为790～830℃，随后钢板采用超快冷+层流冷却方式冷却，冷却速度≥15℃/s，在450～550℃温度进行低温卷取。生产的钢板具有良好的低温性能。

Description

一种低温L450M管线钢及其制造方法
技术领域
本发明属于金属材料高强度低合金钢领域，具体涉及一种油气输送管道用管线钢的制造方法，特别是涉及API SPEC 5L规范中一种低温用L450M钢级管线钢热轧板卷的制造方法。
背景技术
近年来能源输送管道建设飞速发展，为提高输送效率和运行安全，对所选用的钢铁原材料的强韧性要求越来越高。当前国内外重大管道主干线基本采用L485M、L555M钢级，支线、城市管网等多选用L450M钢级。
当管道地域处于极冷地带或输送介质为低温液化天然气时，从运营稳定性和安全性出发，对原材料的低温韧性指标提出了更高的要求，例如低温落锤和韧脆转变温度要求检验的温度更低、夏比冲击功要求的数值更高等，因此这些工程均提出了更高的个性化要求，仅仅满足API SPEC 5L规范已远远不够。
目前，已有相关的文献公开。CN201110179945.0公开了一种低温韧性优异的X65管线钢及其制造方法。该专利成分的重量百分比为C 0.020％～0.055％、Si 0.10％～0.25％、Mn 1.50％～1.70％、Nb 0.060％～0.080％、Cr 0.20％～0.35％、V 0.020％～0.040％、Ti 0.010％～0.020％、Als 0.010％～0.040％、P≤0.018％、S≤0.005％、N≤0.006％。该钢种成分上含V，合金成本高，工艺上采取层流冷却，不能充分发挥水代合金从而降低成本、提高强韧性的作用。
CN201510536658.9公开了一种X65管线钢及其生产方法。该专利成分的重量百分比为C 0.065％～0.10％、Si 0.10％～0.30％、Mn 1.40％～1.60％、P≤0.020％、S≤0.010％、Nb 0.030％～0.039％、V 0.06％～0.08％、Ti 0.008％～0.020％。该钢种成分上C偏高，含较高的V且无Cr，此合金体系生产的产品实物强韧性不足。
CN201010243241.0公开了一种X65管线钢及其生产方法。该专利成分的重量百分比为C 0.055％～0.090％、Si 0.15％～0.35％、Mn 1.50％～1.65％、P≤0.020％、S≤0.005％、Nb 0.040％～0.055％、V 0.040％～0.070％、Ti 0.010％～0.025％、N≤0.008％、Als 0.005％～0.060％。该钢种成分含较高的V，工艺上采取自然空冷，效率低，且不能充分发挥水代合金从而降低成本、提高强韧性的作用，另外该钢种也未明确产品实物的具体强韧性。
CN201110179745.5公开了一种螺旋焊管用厚壁低成本X65热轧板卷及其制造方法。该专利成分的重量百分比为C 0.05％～0.10％、Si 0.10％～0.30％、Mn 1.50％～1.65％、P≤0.020％、S≤0.008％、Nb 0.04％～0.07％、V 0.03％～0.06％、Cr 0.10％～0.20％、Ti 0.008％～0.020％、N≤0.008％、Als 0.02％～0.06％。该钢种成分上含V，工艺上以层流低速冷却，不能充分发挥水代合金从而降低成本、提高强韧性的作用，另外该钢种产品实物低温韧性不足。
CN200880007645.0公开了低温韧性优良的螺旋管用高强度热轧钢板及其制造方法。该专利成分的重量百分比为C 0.01％～0.1％、Si 0.05％～0.5％、Mn 1％～2％、P≤0.03％、S≤0.005％、Nb 0.005％～0.08％、Cr 0.01％～0.30％、Mo 0.01％～0.1％、Cu0.01％～0.30％、Ti 0.005％～0.020％、N 0.0015％～0.006％、Als 0.005％～0.05％，同时选择性添加V、Ni等。该钢种成分上所有元素含量要求均过于宽泛，且含Mo、Cu，成本高，另外产品实物低温韧性不足。
KR20020027013(A)公开了一种时效性能良好的API-X65管线管及其制造方法(Steel product for stress relief heat treatment guaranteed API-X65grade linepipes and method for manufacturing the same)。该专利成分的重量百分比为C 0.07％～0.09％、Si 0.2％～0.5％、Mn 1.40％～1.60％、P≤0.025％、S≤0.005％、Nb 0.035％～0.045％、V 0.04％～0.05％、Mo 0.03％～0.07％、Cr 0.05％～0.15％、Ti 0.005％～0.015％、N 0.002％～0.007％、Als 0.015％～0.050％，该钢种成分上含V、Mo，成本高且产品实物低温韧性不足。
JP2005194607公开了一种止裂韧性优异的高强度钢板及其制造方法(High-strength steel sheet for line pipe superior in high-speed ductile fractureresistance,and manufacturing method therefor)。该专利成分的重量百分比为C0.02％～0.08％、Si 0.01％～0.5％、Mn 0.5％～1.8％、P≤0.01％、S≤0.002％、Nb0.005％～0.05％、Mo 0.005％～0.5％、Ti 0.005％～0.04％、N 0.002％～0.007％、Al≤0.07％、Mg 0.0005％～0.005％，该钢种成分上含Mo、Mg，成本高。
侯庆平，王旭生等人在《本钢技术》，2007(4)：21-23发表了“本钢薄板坯连铸生产API X65管线钢”，文中公开的钢种成分设计为低Mn(1.38％)、含V(0.038％)、Ni(0.12％)，合金成本高，工艺终轧(840℃)及卷取工艺(600℃)温度明显偏高，未能充分发挥水代合金的作用。
以上文献中公开的L450M钢级管线钢虽多数达到了高强度高韧性，但涉及耐低温使用的不多，合金设计中多含V、Mo、Ni、Cu等多种贵重元素，成本较高。
发明内容
为了满足低温产品使用需求，本发明在符合API SPEC 5L规范的基础上，经济地开发一种高强韧性L450M钢级管线钢热轧板卷。以简单经济的合金体系结合纯净钢冶炼连铸、热机械控制轧制和超快冷+层流冷却工艺，提供一种低温使用的L450M钢级管线钢热轧板卷及其制造方法。
通过采用超快冷+层流冷却工艺，一方面可减少贵重淬透性合金元素的使用，降低成本，另一方面可获得细小均匀的针状铁素体组织，从而实现更为优异的低温断裂韧性，以满足低温管线输送安全的需要。
具体的技术方案是：
一种具有优异低温韧性的L450M管线钢，其化学成分重量百分比为：C 0.050％～0.070％、Si 0.10％～0.25％、Mn 1.61％～1.70％、Nb 0.056％～0.070％、Cr 0.21％～0.30％、Ti 0.008％～0.020％、Al 0.015％～0.045％、P≤0.020％、S≤0.006％、N≤0.008％，余量为铁和不可避免的杂质，且冷裂纹敏感系数Pcm≤0.18％，其中，Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B。
L450M管线钢的成分设计思想是采用C-Mn-Nb-Cr系合金设计，结合热机械控制轧制和超快冷+层流冷却工艺获得细小的针状铁素体组织，以保证管线钢具有高强度高韧性以及优良的低温断裂韧性，其主要元素和作用如下：
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对提高钢的强度有明显作用，但是提高C含量对钢的延性、韧性和焊接性有负面影响。因此，本发明将碳含量控制为0.050％～0.070％。
Si：脱氧元素，固溶于铁素体以提高钢的强度，但同时要损失塑性和韧性，因此，本发明将Si含量控制为0.10％～0.25％。
Mn：通过固溶强化提高钢的强度，是管线钢中补偿因C含量降低而引起强度损失的最主要且最经济的强化元素。Mn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、降低韧脆转变温度。但Mn是易偏析元素，含量高易引起组织偏析而影响产品的强韧性。因此，本发明的锰含量控制为1.61％～1.70％。
Nb：是现代微合金化管线钢中最主要的元素之一，对晶粒细化的作用十分明显。通过热轧过程中NbC应变诱导析出阻碍形变奥氏体的回复、再结晶，经控制轧制和控制冷却使精轧阶段非再结晶区的形变奥氏体组织在相变时转变为细小的相变产物，以使钢具有更高强度和高韧性。Nb还通过析出强化提高钢的强度，降低碳含量可以提高板坯再加热时Nb在高温奥氏体中的固溶度，可充分发挥随后控制轧制过程中Nb对晶粒细化和析出强化的作用。Nb属于贵重元素，含量过高不仅造成成本高且会使其效果饱和，造成难以在热轧前的加热工序中完全固溶进而生成粗大的碳氮化物，降低强韧性。因此，本发明的Nb含量控制为0.056％～0.070％。
Cr：能够有效提高淬透性，抑制多边形铁素体和珠光体的产生促进在中温和低温区内形成晶内有大量位错分布的铁素体或贝氏体，与Nb组合使用，效果更显著。Cr含量过低起不到效果，过高则会降低焊接性。故本发明将Cr含量控制为0.21％～0.30％。
Ti：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，在板坯连铸时可形成细小的高温稳定的TiN析出相。这种细小的TiN粒子可有效地阻碍板坯再加热时的奥氏体晶粒长大，有助于提高Nb在奥氏体中的固溶度，同时对改善焊接热影响区的冲击韧性有明显作用。Ti含量过低起不到微Ti处理的效果，Ti含量过高不但造成成本升高且会造成效果饱和，难以在热轧前的加热工序中完全固溶进而生成粗大的碳氮化物，降低强韧性。因此，本发明将Ti含量控制为0.008％～0.020％。
Al：铝是镇静元素，也是强氮化物形成元素，用来固定氮原子，对于提高材料的抗时效性能有利，同时铝也是炼钢时不可缺少的脱氧剂。但是Al过会造成非金属夹杂物增大增多，使低温韧性恶化。因此，本发明将Al含量控制为0.015％～0.045％。
P、S、N：是钢中不可避免的杂质元素，希望越低越好，但要求过低会增加生产成本，因此，本发明将P、S、N含量分别控制为P≤0.020％、S≤0.006％、N≤0.008％。
Pcm：控制冷裂纹敏感系数有利于保障产品的焊接性能，本发明的Pcm控制在≤0.18％。
本发明还提出一种采用纯净钢冶炼连铸、热机械控制轧制和超快冷+层流冷却工艺制造L450M管线钢热轧板卷的方法。其生产工艺流程涉及：铁水预处理—转炉冶炼—炉外精炼(LF+钙处理)—连铸—板坯加热－轧制－超快冷+层流冷却—卷取。具体包括：
(1)冶炼连铸工艺：铁水预处理，转炉冶炼——经顶吹或顶底复合吹炼，炉外精炼——经LF炉轻脱硫处理及进行钙处理以控制夹杂物形态和提高钢的延展性、韧性和冷弯性能，板坯连铸制成连铸板坯——全程保护浇注，并投入动态轻压下，以减少连铸坯中心偏析，铸坯厚度200mm以下，明显薄于目前主要应用的200mm及以上厚连铸坯，其凝固冷却速率远远大于传统的厚板坯，二次枝晶间距大幅度减小。
(2)轧制工艺：连铸板坯在500～850℃温度直接热装炉加热，连铸板坯经步进式加热炉加热至1140～1200℃，随后经粗轧及精轧机组两阶段控制轧制，粗轧终轧温度≥970℃，精轧入口温度为≤970℃，精轧出口温度为790～830℃，随后钢板采用超快冷+层流冷却方式以≥15℃/s的速度进行冷却，在450～550℃温度进行低温卷取。
本发明生产上述L450M热轧板卷屈服强度为500～580MPa，抗拉强度590～670MPa，伸长率≥32％，屈强比≤0.93，-60℃夏比冲击功(3个试样均值)Akv≥200J，-40℃落锤剪切面积(2个试样均值)≥90％，硬度HV10≤230，冷弯合格。
有益效果：
(1)合金设计简单、成本低，以C-Mn-Nb-Cr系设计，不添加Mo、Ni、Cu等合金元素，尤其是以Cr代Mo，大幅度降低合金成本。
(2)采用连铸板坯的厚度200mm以下，采用短流程连铸连轧生产工艺，效率高，节省能源。
(3)采用热机械控制轧制和超快冷+层流冷却工艺，以水代合金，降低成本并获得理想的产品组织和性能。
本发明的低温用L450M管线钢板卷，合金设计经济合理，并结合先进的纯净钢冶炼连铸、热机械控制轧制和超快冷+层流冷却工艺制造，产品质量优异，经螺旋制管，可广泛应用到低温油气输送管道建设，产品各项指标均满足API SPEC 5L规范及中石油中石化通用技术条件要求，具备突出的经济效益和良好的社会效益。
附图说明
图1本发明钢实施例1的金相组织示意图。图中组织为均匀的针状铁素体。
具体实施方式
本发明涉及的技术问题采用下述技术方案解决：一种低温L450M管线钢及其制造方法，其化学成分质量百分比为：C 0.050％～0.070％、Si 0.10％～0.25％、Mn 1.61％～1.70％、Nb 0.056％～0.070％、Cr 0.21％～0.30％、Ti 0.008％～0.020％、Al 0.015％～0.045％、P≤0.020％、S≤0.006％、N≤0.008％，余量为铁和不可避免的杂质，且冷裂纹敏感系数Pcm≤0.18％。铸坯厚度200mm以下，铸坯在500～850℃温度直接热装炉加热，经步进式加热炉加热至1140～1200℃，随后经粗轧及精轧机组两阶段控制轧制，粗轧终轧温度≥970℃，精轧入口温度≤970℃，精轧出口温度为790～830℃，随后钢板采用超快冷+层流冷却方式以≥15℃/s的速度进行冷却，在450～550℃温度进行低温卷取。
以下实施例用于具体说明本发明内容，这些实施例仅为本发明内容的一般描述，并不对本发明内容进行限制。
表1为实施例钢的化学成分。表2为实施例钢具体工艺制度。表3为实施例钢的力学性能。
表1实施例钢化学成分(wt，％)
注：Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B。
表2实施例钢工艺制度
表3实施例钢力学性能
从实施例可以看出，用本发明方法生产的L450M热轧板卷屈服强度≥540MPa，抗拉强度≥609MPa，伸长率≥40.5％，屈强比≤0.90，-60℃夏比冲击功(单个值)Akv≥212J，-40℃落锤剪切面积(单个值)≥90％，硬度HV10≤213，冷弯合格，具有良好的低温性能，符合API SPEC 5L规范要求。

Claims (2)

1.一种低温L450M管线钢，其特征在于，钢中化学成分按质量百分比为：C 0.050％～0.070％、Si 0.10％～0.25％、Mn 1.61％～1.70％、Nb 0.056％～0.070％、Cr 0.21％～0.30％、Ti 0.008％～0.020％、Al 0.015％～0.045％、P≤0.020％、S≤0.006％、N≤0.008％，余量为铁和不可避免的杂质，且冷裂纹敏感系数Pcm≤0.18％，其中，Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B。
2.一种如权利要求1所述的低温L450M管线钢的制造方法，钢板的生产工艺为：铁水预处理—转炉冶炼—炉外精炼—连铸—板坯加热－轧制－超快冷+层流冷却—卷取，其特征在于，
转炉冶炼经顶吹或顶底复合吹炼；炉外精炼经LF炉轻脱硫处理及进行钙处理；板坯连铸全程保护浇注，并采用动态轻压下，铸坯厚度≤200mm；
铸坯在500～850℃直接热装加热至1140～1200℃，随后经粗轧及精轧机组两阶段控制轧制，粗轧终轧温度≥970℃，精轧入口温度≤970℃，精轧出口温度为790～830℃，随后钢板采用超快冷+层流冷却方式冷却，冷却速度≥15℃/s，在450～550℃温度进行低温卷取。
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