专利名称：一种低成本高性能x80管线钢及其生产方法
技术领域：
本发明涉及一种低成本高性能X80管线钢及其生产方法，属于冶金技术领域。
背景技术：
X80是高强度管线钢的分类型号。管线运输是长距离输送石油、天然气最经济、 最方便、最主要的运输方式。为了降低长距离输送石油和天然气管线的建设投资和运营成本，提高输送效率，长距离油气输送管道向大管径、高压力方向发展；另外，石油、天然气输送管道通常位于环境比较恶劣的地区，介质复杂，这就要求管线钢具有高强度、高韧性、耐腐蚀等一系列优良的综合性能。管线钢这些性能的提高主要取决于钢中碳、磷、硫等杂质的含量、钢中合金元素的含量以及冶炼、轧制等生产过程工艺参数的控制。目前，国内外生产X80管线钢的成熟技术是采用厚板坯流程，主要应用200 300mm厚连铸坯；X80管线钢典型化学成分通常采用C一Mn — Mo — Nb系列；如中国专利号ZL201010101105. 8，公布的名称为“一种低屈强比X80级管线钢及其制造方法”技术中，给出了该管线钢的配方中添加 Nb 0. 07 0. 11%、Ti :0. 012 0. 022%、V :0. 03 0. 057%、Mo :0. 22 0. 32%、Cu :0. 15 0. 25%、Ni 0. 20 0. 30%、Cr :0. 08 0.洸％等合金元素，其中，含量达0. 22 0. 32%Mo的主要作用是扩大Y相区，推迟Y — α的转变温度，促进针状铁素体的形成。但钼属于贵重金属，其价格昂贵，所以采用该种合金化法生产的管线钢成本高，耗费大量的贵重金属资源。
发明内容
本发明目的是提供一种低成本高性能Χ80管线钢及其生产方法，在热轧板带的生产过程中，采用优化的化学成分以及连铸薄板坯，结合精轧的形变诱导铁素体轧制和控制冷却技术，获得针状铁素体+贝氏体+ Μ/Α组织，以保证管线钢具有高的强韧性和低的生产制造成本。本发明技术方案是
一种低成本高性能Χ80管线钢，其化学成分按照重量百分比配比如下C :0. 02 0. 06%,Si 0. 15 0. 30%，Mn :1. 70 1. 90% ,P 012%, S 彡 0. 002%, Ni :0. 15 0. 30%, Nb 0. 070 0. 110%, V 0. 04 0. 07%, Als 0. 020 0. 040%, B 0. 0005 0. 0035%, Cr 0. 08 0. 25%,Cu 彡 0. 250%，Ca/Als 彡 0. 10,N ^ 0. 0050%,T. 0 彡 0. 0030%，余量为 Fe。一种低成本高性能Χ80管线钢的生产方法，包含转炉冶炼、炉外精炼、连铸、轧制工序，所述连铸工序采用薄板坯连铸工序；在轧钢工序中，粗轧阶段采用奥氏体再结晶轧制，精轧最后两道或三道采用形变诱导铁素体轧制(DIFT)；通过粗轧的奥氏体再结晶轧制， 细化铸态奥氏体晶粒，精轧的形变诱导铁素体轧制，获取细小的高位错密度的针状铁素体晶粒，并通过控制轧后冷却速度，使部分未转变奥氏体转变成贝氏体+Μ/Α组织，使最终热轧板的成品组织为针状铁素体+贝氏体+Μ/Α组织，其铁素体平均晶粒尺寸为3 μ m。
所述轧制工序中铸坯加热温度为1170 1230°C，粗轧采用再结晶轧制，精轧采用非再结晶轧制和形变诱导铁素体相变轧制相结合的加工方法；粗轧终止温度控制在 1050 1100°C，累计压下率大于50%，粗轧出来的中间坯经水冷进入精轧机组，在精轧机组进行非再结晶轧制和形变诱导铁素体轧制，精轧入口温度控制在850 900°C，精轧终止温度控制在700 820°C，单道次压下量大于20%，轧后冷却速度控制在10 100°C /s，卷取温度控制在260 430°C。所述薄板坯连铸工序的中间包钢水温度为1540 1580°C，铸坯的拉速为3. 0 4. 5m/min,出结晶器铸坯厚度为70 90_。本发明的低成本高性能X80管线钢，根据薄板坯连铸连轧的物理冶金特点，提供了优化的X80管线钢的化学成分配方。该配方中未添加稀有元素Mo来降低钢的转变温度， 而是采用较高的Mn、Nb含量和较低的碳含量降低钢的γ — α相变温度并避免了钢中出现异常组织，细化最终产品的晶粒尺寸。钢中也未添加合金元素Ti，而是采用V的沉淀强化提高强度，利用Al固定N元素，在薄板坯连铸时，Al与N可形成弥散细小的AlN粒子，细小的AlN粒子可阻碍高温奥氏体晶粒的长大，并且薄板坯的铸态组织要比厚板坯细小、均勻得多，这都为最终铁素体晶粒的细化奠定了基础。除此之外，由于薄板坯的凝固速度和冷却速度要比厚板坯快很多，导致薄板坯中氧化物、硫化物等非金属夹杂物的尺寸达到纳米级， 这些纳米级析出物对奥氏体晶粒的长大有钉扎作用，导致晶粒细化，使钢材的强度和韧性提高。这也说明采用薄板坯连铸连轧新技术可以将通常认为是有害夹杂物的硫、氧化物纳米化，使其成为“有益”的析出相，这比单纯降低硫、氧等杂质元素总量来改善钢质量的方法在一定范围内更经济、更有效。配方中主要元素的作用分析如下
碳碳是钢中最经济、最有效的强化元素，然而碳对钢的韧性、塑性、焊接性等有不利的影响，降低碳含量一方面有助于提高钢的韧性，另一方面可改善钢的焊接性能。按照API标准规定，管线钢中的碳含量通常为0. 025% 0. 12%，并趋向于向低碳方向或超低碳方向发展，尤其是高钢级管线钢。本发明选取0. 02 0. 06% C。锰主要起固溶强化的作用，通常采用降低C含量，增加Mn含量，以达到提高强度的目的。Mn还具有降低γ — α相变温度的作用，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，所以Mn是不可缺少的元素。但其含量过多时，会使相变温度下降过多，组织中将出现贝氏体，降低韧性。因此本发明选取1. 70 1. 90Μη%。硅在炼钢时一般作为脱氧剂，但也可作为合金元素。Si进入铁素体起固溶强化作用，可显著提高钢的抗拉强度和较小程度提高屈服强度，但同时在一定程度上降低钢的韧性、塑性，Si同时增加钢的实效敏感性，并能提高钢的抗腐蚀能力和抗高温氧化能力。本发明选取0. 15 0. 30% Si。铌是现代微合金化管线钢中最主要的元素之一，可以产生非常显著的晶粒细化及中等程度的沉淀强化作用。通过热轧过程中铌的碳、氮化物的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轧制的变形奥氏体组织在相变时转变为细小的铁素体，以提高钢的强度和韧性，并可改善低温韧性。本发明选取 0.070 0. 110%Nb。钒具有较高的析出强化作用和较弱的晶粒细化作用，在Nb、V、Ti三种微合金元素复合使用时，V主要是通过铁素体中C、N化合物的析出起强化起作用。本发明选取0. 04 0.07%V。铝利用Al固定N元素，铝与氮在薄板坯连铸时可形成弥散、细小的AlN粒子，这些弥散细小的粒子可阻碍奥氏体在加热和轧制变形过程中晶粒的长大，从而细化奥氏体晶粒。奥氏体晶粒越细小，最终产品的铁素体晶粒越细小。此外，Als大于0.015%还可保证钢中溶解氧小于4ppm，从而减少钢中夹杂物的含量，提高钢的纯净度。本发明选取0. 020 0.040%A1。铬是扩大Y相区，推迟Y — α相变温度的主要元素，本发明选取0.08 0. 25%Cr。铜、镍可通过固溶强化作用提高钢的强度，同时铜还可以改善钢的耐蚀性，镍的加入主要是改善铜在钢中易引起的热脆性，且对韧性有益。本发明选取0. 15 0. 30%Ni, Cu 彡 0.邪0%。本发明低成本高性能X80管线钢的生产方法，薄板坯连铸较厚板坯连铸不同，薄板坯连铸时有液芯压下，由离开结晶器时的90mm厚度经软压下达到坯厚80 85mm。这有利于消除中心疏松和中心偏析，提高管线钢抗腐蚀的能力。轧制工序通过粗轧的完全再结晶区轧制和精轧的形变诱导铁素体轧制以及控制冷却技术，重点是保证粗轧过程中奥氏体发生完全动态再结晶，使铸态奥氏体晶粒得以细化，为保证粗轧过程中发生完全再结晶， 粗轧终止温度控制在1050 1100°C，累计压下率大于50% ；精轧最后二道或三道采用形变诱导铁素体相变轧制，通过形变诱导出超细且高位错密度的铁素体晶粒，为保证在形变过程中发生动态铁素体相变，精轧终止温度控制在700 820°C，且精轧最后一道次压下量大于20%。形变诱导铁素体相变(DIFT)是动态相变，是由形变产生储存能提高相变驱动力诱导的相变。相变主要发生在变形中，这与以往管线钢采用的TMCP相变不同，后者主要发生在轧后冷却中。本发明中形变诱导出的超细铁素体晶粒更细小、位错密度更高，这种组织结构可显著提高管线钢的强度和韧性。最后为确保部分未转变奥氏体转变成贝氏体+ M/A组织，轧后冷却速度控制在10 100°C /s，卷取温度控制在260 430°C。按照上述技术方案生产出的X80管线钢热轧板卷的性能达到以下要求
拉伸性能屈服强度570 685MPa，抗拉强度750 875MPa,屈强比彡0. 85，伸长率彡 20% ；
V型缺口冲击性能试验温度一 20°C，10X 10X 55mm试样的冲击功平均值彡230J ； 横向冷弯性能d=2a，180°，完好；
金相组织针状铁素体+贝氏体+ M/A组织，其铁素体平均晶粒尺寸为3 μ m。本发明的积极效果本发明针对目前管线钢生产耗费钼、钛等贵重金属导致生产成本据高不下的问题以及目前生产X80管线钢热轧板带均采用控轧控冷的热机械处理技术(TMCP)进行了改进，本发明采用薄板坯连铸连轧生产流程，根据薄板坯连铸连轧的物理冶金特点，设计优化了 X80管线钢的化学成分，该成分中未添加钼、钛等合金元素，采用 70 90mm厚连铸薄板坯，并结合精轧的形变诱导铁素体轧制和控制冷却技术，获得针状铁素体+贝氏体+ M/A组织，从而达到提高管线钢强度、韧性，降低生产成本的目的。
具体实施例方式以下通过具体实施例，对本发明作进一步说明。
实施1 产品规格为厚12mm的管线钢热轧板卷。其化学成分按照重量百分比配比如下C :0. 02%，Si :0. 30%，Mn :1. 70%，P :0. 012%，S 0. 001 %, Ni 0. 30%, Nb 0. 110%, V 0. 04%, Als 0. 020%, B 0. 0005%, Cr 0. 08%, Cu 0. 250 %，Ca/Als :0. 10，N 0. 0050%, T.0 :0.0030%，余量!^。主要生产工序铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼、薄板坯连铸、连铸坯加热、粗轧、精轧、卷取。其中，薄板坯连铸工序钢水通过钢包底部的滑动水口注入中间包，中间包的钢水温度为1540°C，中间包的钢水通过扁形的浸入式水口注入结晶器，结晶器为长漏斗形结晶器；铸坯的拉速为3. Om/min，出结晶器的铸坯厚度为 70mm。轧制工艺控制铸坯入炉温度为900°C，板坯加热温度为1170°C，粗轧终止温度控制在1050°C，精轧终止温度控制在700°C，卷取温度控制在^KTC。热轧成品板的屈服强度 570MPa，抗拉强度750MPa，伸长率20%，-20°C冲击功230J。实施2:产品规格为厚9. Omm的管线钢热轧板卷。其化学成分按照重量百分比配比如下C :0. 06%, Si :0. 15%, Mn :1. 90%，P :0. 010%, S 0. 002%, Ni :0. 15%, Nb 0. 070%, V 0. 07%, Als 0. 040%, B 0. 0035%, Cr 0. 25%, Cu 0. 20 %，Ca/Als :0. 12，N 0. 0040%, T. O :0. 0025%，余量狗。主要生产工序铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼、薄板坯连铸、连铸坯加热、粗轧、精轧、卷取。其中，薄板坯连铸工序钢水通过钢包底部的滑动水口注入中间包，中间包的钢水温度为1580 V，中间包的钢水通过扁形的浸入式水口注入结晶器，结晶器为长漏斗形结晶器；铸坯的拉速为3. 5m/min,出结晶器的铸坯厚度为 80mm。轧制工艺控制铸坯入炉温度为1000°C，板坯加热温度为1230°C，粗轧终止温度控制在1100°C，精轧终止温度控制在820°C，卷取温度控制在430°C。热轧成品板的屈服强度 685MPa，抗拉强度875MPa，伸长率22%，-20°C冲击功278J。实施3:产品规格为厚10. 3mm的管线钢热轧板卷。其化学成分按照重量百分比配比如下 C :0. 04%，Si :0. 18%，Mn :1. 80%，P :0. 011%，S 0. 0009%, Ni 0. 20%, Nb 0. 080%, V 0. 05%, Als 0. 030%, B 0. 0015%, Cr 0. 15%, Cu 0. 19%，Ca/Als :0. 15，N 0. 0038%, T. O 0. 0027%，余量狗。主要生产工序铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼、薄板坯连铸、连铸坯加热、粗轧、精轧、卷取。其中，薄板坯连铸工序钢水通过钢包底部的滑动水口注入中间包，中间包的钢水温度为1560 °C，中间包的钢水通过扁形的浸入式水口注入结晶器，结晶器为长漏斗形结晶器；铸坯的拉速为4. Om/min,出结晶器的铸坯厚度为 90mm。轧制工艺控制铸坯入炉温度为950°C，板坯加热温度为1180°C，粗轧终止温度控制在1060°C，精轧终止温度控制在780°C，卷取温度控制在400°C。热轧成品板的屈服强度 615MPa，抗拉强度825MPa，伸长率24%，-20°C冲击功^2J。实施4:产品规格为厚14mm的管线钢热轧板卷。其化学成分按照重量百分比配比如下C :0. 03%，Si :0. 20%，Mn :1. 78%，P :0. 009%，S 0. 0010%, Ni 0. 22%, Nb 0. 084%, V 0. 055%, Als 0. 032%, B 0. 0013%, Cr 0. 16%, Cu 0. 21 %，Ca/Als :0. 13，N 0. 0035%, T. O :0. 00 %，余量狗。主要生产工序铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼、薄板坯连铸、连铸坯加热、粗轧、精轧、卷取。其中，薄板坯连铸工序钢水通过钢包底部的滑动水口注入中间包，中间包的钢水温度为1565°C，中间包的钢水通过扁形的浸入式水口注入结晶器，结晶器为长漏斗形结晶器；铸坯的拉速为4. 5m/min，出结晶器的铸坯厚度为 90mm。轧制工艺控制铸坯入炉温度为960°C，板坯加热温度为1200°C，粗轧终止温度控制在1090°C，精轧终止温度控制在780°C，卷取温度控制在380°C。热轧成品板的屈服强度630MPa，抗拉强度845MPa，伸长率25%，-20°C冲击功360J。实施5 产品规格为厚厚12mm的管线钢热轧板卷。其化学成分按照重量百分比配比如下C :0. 03%，Si :0. 20%，Mn :1. 78%，P :0. 009%，S 0. 0010%, Ni 0. 22%, Nb 0. 084%, V 0. 055%, Als 0. 032%, B 0. 0013%, Cr 0. 16%, Cu 0. 21 %，Ca/Als :0. 13，N 0. 0035%, T.0 :0.0(^9%，余量!^。主要生产工序铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼、薄板坯连铸、连铸坯加热、粗轧、精轧、卷取。其中，薄板坯连铸工序钢水通过钢包底部的滑动水口注入中间包，中间包的钢水温度为1560 V，中间包的钢水通过扁形的浸入式水口注入结晶器，结晶器为长漏斗形结晶器；铸坯的拉速为3. Om/min，出结晶器的铸坯厚度为 90mm。轧制工艺控制铸坯入炉温度为920°C，板坯加热温度为1200°C，粗轧终止温度控制在1100°C，精轧终止温度控制在750°C，卷取温度控制在360°C。热轧成品板的屈服强度 645MPa，抗拉强度850MPa，伸长率23%，_20°C冲击功^OJ。实施6 产品规格为厚厚12mm管线钢热轧板卷。其化学成分按照重量百分比配比如下C :0. 03%，Si :0. 20%，Mn :1. 78%，P :0. 009%，S 0. 0010%, Ni 0. 22%, Nb 0. 084%, V 0. 055%, Als 0. 032%, B 0. 0013%, Cr 0. 16%, Cu 0. 21 %，Ca/Als :0. 13，N 0. 0035%, T.0 :0.0(^9%，余量!^。主要生产工序铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼、薄板坯连铸、连铸坯加热、粗轧、精轧、卷取。其中，薄板坯连铸工序钢水通过钢包底部的滑动水口注入中间包，中间包的钢水温度为1555°C，中间包的钢水通过扁形的浸入式水口注入结晶器，结晶器为长漏斗形结晶器；铸坯的拉速为4. Om/min，出结晶器的铸坯厚度为 90mm。轧制工艺控制铸坯入炉温度为980°C，板坯加热温度为1180°C，粗轧终止温度控制在1070°C，精轧终止温度控制在760°C，卷取温度控制在400°C。热轧成品板的屈服强度 625MPa，抗拉强度830MPa，伸长率M%，-20°C冲击功320J。
权利要求
1.一种低成本高性能X80管线钢，其特征在于化学成分按照重量百分比配比如下C: 0. 02 0. 06%, Si 0. 15 0. 30%, Mn :1. 70 1. 90%，P 彡 0. 012%, S 彡 0. 002%, Ni 0. 15 0. 30%, Nb :0. 070 0. 110%, V :0. 04 0. 07%, Als :0. 020 0. 040%, B 0.0005 0. 0035%, Cr 0. 08 0. 25%, Cu 彡 0. 250 %，Ca/Als 彡 0. 10，N 彡 0. 0050 %， T. 0 ^ 0. 0030%，余量为 Fe。
2.一种低成本高性能X80管线钢的生产方法，其特征在于包含转炉冶炼、炉外精炼、连铸、轧制工序，所述连铸工序采用薄板坯连铸工序；在轧钢工序中，粗轧阶段采用奥氏体再结晶轧制，精轧最后两道或三道采用形变诱导铁素体轧制；通过粗轧的奥氏体再结晶轧制， 细化铸态奥氏体晶粒，精轧的形变诱导铁素体轧制，获取细小的高位错密度的针状铁素体晶粒，并通过控制轧后冷却速度，使部分未转变奥氏体转变成贝氏体+M/A组织，使最终热轧板的成品组织为针状铁素体+贝氏体+M/A组织，其铁素体平均晶粒尺寸为3 μ m。
3.根据权利要求2所述的一种低成本高性能X80管线钢的生产方法，其特征在于X80 管线钢化学成分按照重量百分比配比如下c :0. 02 0. 06%，Si 0. 15 0. 30%，Mn 1.70 1. 90%，P 彡 0. 012%, S 彡 0. 002%, Ni :0. 15 0. 30%, Nb :0. 070 0. 110%, V 0. 04 0. 07%, Als 0. 020 0. 040%, B 0. 0005 0. 0035%, Cr 0. 08 0. 25%, Cu 彡 0. 250%，Ca/Als 彡 0. 10，N 彡 0. 0050%, T. 0 ^ 0. 0030%，余量为 Fe。
4.根据权利要求2或3所述的一种低成本高性能X80管线钢的生产方法，其特征在于所述薄板坯连铸工序的中间包钢水温度为1540 1580°C，铸坯的拉速为3. 0 4. 5m/ min,出结晶器铸坯厚度为70 90mm。
全文摘要
本发明型涉及一种低成本高性能X80管线钢及其生产方法，属于冶金技术领域。化学成分配比如下C0.02～0.06％、Si0.10～0.30％，Mn1.40～1.9％、V0.04～0.07%、Nb0.040～0.070%、Als0.020～0.040%、P≤0.012％，S≤0.006％，余量Fe；生产方法包含转炉冶炼、炉外精炼、连铸、轧制工序，所述连铸工序采用薄板坯连铸工序，本发明该成分中未添加钼、钛等合金元素，采用70～90mm厚连铸薄板坯，并结合精轧的形变诱导铁素体轧制和控制冷却技术，获得针状铁素体+贝氏体+M/A组织，从而达到提高管线钢强度、韧性，降低生产成本的目的。
文档编号C22C38/58GK102517518SQ201210003018
公开日2012年6月27日 申请日期2012年1月6日 优先权日2012年1月6日
发明者冯运莉, 尹金枝, 李 杰, 杨紹志, 王庆双, 田薇 申请人:河北联合大学