高强韧性低屈强比热煨弯管用宽厚钢板及其生产方法与流程

本发明属于低碳低合金钢领域，尤其涉及一种低温环境热煨弯管用厚度≥22mm、宽度>4300mm的x90级高强度、高韧性、低屈强比热轧宽厚钢板及其生产方法。
背景技术：
为了提高油气管道的输送效率，输送压力和管道口径不断增加；为兼顾管道运行的安全，要求相应的油气管道用钢向高强度、厚壁、大板宽方向发展。同时，随着油气管道建设不断向边远、寒冷、地质活跃地区延伸以及低温站场等特殊环境管道用钢需求的增多，油气管道用钢的低温韧性、抗塑变性(高塑性、低屈强比)等技术指标不断受到重视，因此，兼具高强度、高韧性、低屈强比、宽厚规格等特征的产品是管道用钢发展的重要方向。热煨弯管是油气管道中的重要结构件，起到改变管道方向、缓冲应变和扭矩及过强匹配保护等作用，其使用条件较干线管更为复杂，因此，通常热煨弯管的壁厚大于干线管，而且，具有优异的综合性能。本发明所述的热煨弯管用宽厚钢板其厚度≥22mm，宽度>4300mm。厚壁的特征使加速冷却效果减弱、厚度中心附近组织细化和均匀化控制更为困难；从而，最终显著增大性能控制难度；同时，随着宽度的增加，在相同的实施条件和设备能力下，钢板轧制变形能力受到严重制约，晶粒细化和控制难度倍增；因此，对于低温环境用厚壁、大板宽热煨弯管用钢板而言，如何在变形和冷却等工艺受到制约的情况下获得良好的综合性能及钢板板形是本发明要解决的关键问题之一。另外，由于热煨弯管在成型过程中要经历热处理过程，因此，热煨弯管用钢还需要具有良好的耐热性，保证热处理后仍具有良好的综合性能。x90级低温环境热煨弯管用宽厚钢板通常具备的技术指标包括横向和纵向屈服强度≥625mpa，横向和纵向抗拉强度≥740mpa，横向和纵向延伸率≥20％，横向和纵向屈强比≤0.87，-55℃横向v型缺口夏比冲击功≥120j；同时，具有厚壁、大板宽的尺寸特征。目前，国内外对油气输送弯管用钢板有一些研究，经检索发现了部分有关的专利和文献，但其所记载的内容与本发明的技术方案及所述产品类别、成分、工艺和性能等方面存在明显差异，不影响本发明的创造性和新颖性。现有的相关发明和文献如下：发明《一种x90钢级弯管和管件的制备方法》(公开号：cn102161148a)公开了一种x90热煨弯管和管件，成分上采用高c(0.11％～0.25％)、高si(0.30％～0.50％)设计，低温韧性不高且控制困难，需辅以大量的ni、mo等元素，而且，产品的屈强比高。发明《高韧性热煨弯管用钢轧制工艺》(公开号：cn107385340a)公开了一种x80级热煨弯管用钢的轧制工艺，所述x80级热煨弯管用钢宽度小于2600mm，无法满足制造大口径热煨弯管的要求；成分中采用ni：0.60％～0.70％、mo：0.28％～0.32％等较多的贵重合金，生产成本高；工艺上采用大的道次变形率和超快速冷却，对设备能力提出了苛刻的要求，不适宜超宽厚壁热煨弯管用钢的生产。发明《一种x100钢级弯管和管件的制备方法》(公开号：cn102127698a)。提供了一种x100热煨弯管和管件，成分上同样采用高c(0.12％～0.20％)、高si(0.30％～0.50％)设计，存在低温韧性不足和屈强比高的问题。发明《一种低温韧性良好的超高强度弯管》(公开号：jp2005350724(a))公开了一种x100-x120级弯管，同样通过ni、mo等贵重合金来提高性能且屈强比高。文献《全程加热与局部加热对x90高强钢热煨弯管组织及性能的影响》(《焊管》2016年第39卷6期，郭有田，陈中均，陈轩等)，文中主要介绍了一种x90热煨弯管及热处理工艺对其的影响，所述热煨弯管成分采用高mo(>0.40％)设计，合金成本高，而且，低温韧性偏低，存在屈强比偏高问题。综上所述，现有技术对低温环境用宽厚规格高强度热煨弯管用钢的研究尚有不足。技术实现要素：本发明的目的在于克服上述问题和不足而提供一种低温环境热煨弯管用钢板，具有高强度、低温韧性、抗塑变、热处理性能稳定，厚度≥22mm、宽度>4300mm的x90级超宽、厚壁、高强度、高韧性、低屈强比、高塑性的热煨弯管用宽厚钢板及其生产方法。本发明目的是这样实现的：本发明所述一种高强韧性低屈强比热煨弯管用宽厚钢板的厚度≥22mm、宽度>4300mm；成分设计以低c、低mn为基础，重点利用v、cr元素部分或全部替代贵重的mo、nb、ni等元素，保证材料强度及韧性；利用v、nb等元素在变形和热处理过程中细化晶粒和析出强化作用，促进组织细化和均匀化，提高强韧性、耐热性及焊接性能；配以针对性的冶炼、加热、轧制、冷却和独特热处理等生产工艺获得具有超宽、厚壁、高强度、低屈强比、高塑性和良好的低温韧性等优异的综合指标的热煨弯管用钢板及理想的微观组织形貌。一种高强韧性低屈强比热煨弯管用宽厚钢板，该钢板的成分按重量百分比计如下：c：0.055％～0.080％、si：0.16％～0.30％、mn：1.76％～1.95％、nb：0.051％～0.080％、ti：0.010％～0.025％、v：0.09％～0.13％、cr：0.25％～0.45％、mo：0.20％～0.35％、ni<0.25％、cu<0.25％、al：0.010％～0.035％、p≤0.010％、s≤0.002％、n：0.001％～0.004％、其中(mo+ni+cr+cu)：0.6％～1.0％，ceiiw控制在0.50％～0.55％，cepcm控制在0.19％～0.23％，余量为铁和不可避免的杂质，其中ceiiw＝c+mn/6+(cr+mo)/5+(ni+cu)/15；cepcm＝c+si/30+(mn+cu+cr)/20+ni/60+mo/15+v/10+5b。进一步，所述钢板微观组织为贝氏体+铁素体的复合组织，晶粒度达到11级及以上，其中，铁素体体积百分比在10％～30％。进一步，所述高强韧性低屈强比热煨弯管用宽厚钢板厚度≥22mm、宽度>4300mm，横向和纵向屈服强度≥630mpa，横向和纵向抗拉强度≥750mpa，横向和纵向延伸率≥35％，横向和纵向屈强比≤0.83，-60℃横向冲击功均值≥220j。本发明成分设计理由如下：c是有效的强化元素，能够形成间隙固溶体，提高淬透性和热处理后强度；还可以与nb、v、ti等元素作用形成细小的碳化物，在铸坯加热、变形和钢板热处理过程析出，发挥阻碍晶粒长大、细化组织的作用；同时析出相可以阻碍位错移动，有效提高强度，因此，碳含量不宜过低；但是，考虑到碳含量的增加对焊接性和韧性不利，特别是恶化低温韧性，所以，碳含量也不能过高，本发明认为碳控制在0.055％～0.080％较为适宜。si在本发明中主要发挥固溶强化作用，提高淬透性，对提高控轧控冷态和热处理态强度有积极作用；但其含量过高会使钢的塑性和韧性降低，易引起冷脆，其适宜范围是0.16％～0.30％。mn具有固溶强化作用，可以提高淬透性，对保证热处理后强度有利；还可以增加奥氏体稳定性，降低奥氏体相变温度，抑制钢板加速冷却前的相变和晶粒长大，发挥细化晶粒作用；但是，锰含量过高易诱发偏析，恶化厚壁钢板组织均匀性和厚度中心韧性且不利于焊接，本发明认为将锰含量控制在1.76％～1.95％较为适宜。nb有明显的固溶和析出强化作用，本发明充分利用nb在轧制、加速冷却前及热处理过程中的析出钉扎能力，有效细化晶粒，提高强度和改善韧性，同时，nb能抑制奥氏体再结晶，提高再结晶轧制温度，从而，有效降低轧制力，对提高本发明所述超宽、厚壁热煨弯管用钢板的轧制道次变形率，达到预期的细晶效果发挥积极作用；另外，nb还可以减少厚壁管线钢因轧制时厚度方向温度差异而产生的混晶问题，但是，nb含量过高会使生产成本明显增加，而且，会促使析出物长大，反而不利于发挥强化作用，对韧性产生不利影响，本发明认为将nb含量控制在0.051％～0.080％较为适宜。ti可以发挥固氮效果，形成以tin为主的析出相，能抑制高温条件下奥氏体的晶粒长大，有利于细化铸坯和钢板微观组织，也可以改善焊后热影响区韧性；同时，ti在高温下形成析出相会降低n、c浓度，抑制nb、v等元素在高温时的析出，使其易在更低的温度下形成细小的析出相，从而更有利于提高性能。本发明认为将ti含量控制0.010％～0.025％较为适宜。v具有固溶和析出作用，固溶时能有效提高强度；而其析出温度低于以nb、ti为主的析出相，能够在轧制、冷却和热处理过程中与c、n结合形成细小析出，特别是热处理时具有二次硬化作用，增加耐回火能力，保证热处理后性能。本发明重点运用v的以上两种特性有效改善综合性能。但v含量过高会影响钢板和热区韧性，因此，本发明将v含量控制在0.09％～0.13％。cr能提高奥氏体稳定性和淬透性，降低奥氏体相变温度，细化晶粒，保证热处理后性能，对提高厚壁钢板强度和改善厚度方向组织均匀性发挥良好作用；cr还有固溶强化作用，对保证强度有利；同时，cr能够降低c的扩散能力，提高热处理性能稳定性，促进nb、v析出相的细化；而且，cr元素经济性高，可以部分替代mo、ni等贵重合金元素；本发明充分利用了cr的以上特性来有效提高产品的综合性能；但cr含量过高对焊接性不利，塑性也有恶化趋势，所以，cr含量控制0.25％～0.45％为宜。mo能够增加奥氏体稳定性，明显提高淬透性，促进中低温组织转变，增加强度，还可以优化钢板和haz区的组织性能，但是，钼含量过高一方面会增加成本，另一方面，会增加组织中的m/a等硬化相，降低韧性，因此，应控制其含量在0.20％～0.35％。ni发挥固溶强化作用，有利于改善低温韧性；还可以促进中温转变组织形成，降低厚规格钢板冷速限制；但镍价格较高，因此，将其含量控制在<0.25％为宜。cu能起到固溶强化作用，同时，能够降低c的扩散能力，提高热处理性能稳定性，cu还可以提高耐蚀性，但cu含量过高易诱发裂纹，损害焊接性，本发明认为将铜含量控制在<0.25％较为适宜。al是脱氧元素，与n也具有较强的结合趋势，aln可以改善焊接热区韧性；但al含量过高会促进夹杂物的增加，本发明将al控制在0.010％～0.035％。p、s在本发明中为有害杂质元素，含量越低越好；其中，p对低温韧性有明显的不利影响，本发明将p控制在≤0.010％，s含量增加会促进夹杂物的生成和长大，恶化性能，因此，s≤0.002％。n可以与nb、v、ti等元素结合形成析出物，对抑制板坯加热时晶粒长大发挥明显作用，同时，在轧制、冷却和热处理过程中能发挥析出强化作用，因此，钢中存在一定的n对性能有利，但含量过高会恶化母材和焊接热影响区的韧性，其含量控制在0.001％～0.004％为宜。mo、ni、cr、cu均具有强化作用，增加奥氏体稳定性，有利于提高淬透性和热处理后性能，mo+ni+cr+cu过低不利于性能和微观组织控制，含量过高影响焊接性和经济性，因此，本发明将(mo+ni+cr+cu)：0.6％～1.0％。本发明将ceiiw控制在0.50％～0.55％，cepcm控制在0.19％～0.23％，既可以保证钢板的强韧性，又能使钢板具有适宜的可焊性。本发明技术方案之二是提供一种高强韧性低屈强比热煨弯管用宽厚钢板的生产方法，包括铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼、连铸、加热、轧制、冷却、热处理；(1)连铸：钢水精炼后连铸前吹氩镇静时间不少于10min，连铸坯浇注过热度15～35℃，连铸坯拉速0.6m/min-1.0m/min，连铸坯厚度/成品钢板厚度控制在7-14；连铸前的吹氩镇静能够提高钢水温度和成分的均匀性，有利于夹杂物的上浮去除；浇注过热度和连铸坯拉速的控制可以有效减少铸坯质量缺陷；从连铸坯到成品钢板的压缩比有利于晶粒细化。(2)加热：连铸坯经清理后装炉加热，采用两阶段加热方式，其中，高温加热段温度1210～1240℃，均热段温度1200～1230℃，高温加热段+均热段时间不低于150min；连铸坯清理可有效减少表面缺陷，加热工艺的设计主要为了保证合金元素的固溶，使之在后续生产中发挥理想的作用，同时，有效控制奥氏体晶粒长大；加热时间可保证加热效果和温度均匀性。(3)轧制：粗轧开轧温度为1120～1170℃，粗轧终轧温度为1000～1050℃，采用横纵轧制方式，其中，纵轧开始温度不高于1090℃，纵轧阶段保证至少最后2个道次的道次变形率大于15％且道次间隔不超过15s；粗轧轧制速度1.2m/s-2.0m/s；粗轧阶段的轧制温度和变形工艺使奥氏体晶粒再结晶，粗轧纵轧末段采用大压下和短间隔工艺可以在兼顾设备能力、轧制负荷的前提下更好的发挥变形叠加效果，促进奥氏体发生再结晶，达到晶粒细化目标，更适宜本发明超宽厚壁钢板的生产，粗轧轧制速度的控制可以促进轧制变形向厚度中心的渗透，细化厚度中心晶粒，有利于改善大壁厚管线钢的心部组织。中间待温坯厚度3.1t～5.0t，其中，t为成品钢板厚度，精轧开轧温度为810～900℃，精轧终轧温度为720～750℃；采用大的中间待温坯厚度和低的精轧温度一方面能保证奥氏体变形并积累形变能，另一方面，能够促进nb、v的细小析出相的诱导析出，钉扎晶界和位错，增加形核位置，细化晶粒；再者，还可以促进细小的铁素体形核。(4)冷却：轧后钢板进行加速水冷，开始水冷冷却温度710～740℃，终冷温度340～460℃，水冷冷却速度8～20℃/s，水冷冷却时间不低于15s。由于cr、mn、mo、cu等元素能够降低奥氏体相变温度，因此，可以采用较低的开始冷却温度，有利于晶粒的细化和细小析出物的形成；而且，由于合金元素提高了淬透性，可以采用较低的冷却速度和较长的冷却时间，从而增加了厚壁钢板厚度方向的冷却均匀性，降低钢板内应力，即能满足性能又可以降低对板形的影响。(5)热处理：热处理时，控制淬火温度840～890℃，淬火保温时间0.5min/mm～1.0min/mm，淬火采用低温加热工艺可以在获得多边形铁素体+奥氏体的复合组织的同时有效抑制晶粒的长大；淬火冷却速度≥15℃/s，冷却至室温，获得多边形铁素体+贝氏体、m/a的硬相；回火温度350～500℃，回火保温时间1.6min/mm～3.0min/mm，促进析出强化及回火硬化，提高屈服强度，降低残余应力，同时，防止元素的过度脱溶以及贝氏体晶粒的长大，保证强度。钢板热处理后微观组织为贝氏体+铁素体的复合组织，晶粒度达到11级级以上，其中，铁素体体积百分比在10％～30％，钢板具有超宽、厚壁、高强度、低屈强比、高塑性和良好的低温韧性，同时，焊接性和成型性满足制作超宽厚壁x90级热煨弯管的要求。本发明提供的一种高强韧性低屈强比热煨弯管用宽厚钢板的生产方法，其旨在获得理想的内部质量、减少有害元素和杂质的同时有效细化控轧控冷后钢板的晶粒，控制析出相，从而，依靠组织遗传性和适宜的热处理工艺来细化和控制热处理后的组织和结构，保证热处理后的性能。本发明的有益效果在于：(1)本发明成分设计以低c、低mn为基础，重点利用v、cr元素部分或全部替代贵重的mo、nb、ni等元素，保证材料强度及韧性；利用v、nb等元素在变形和热处理过程中细化晶粒和析出强化作用，促进组织细化和均匀化，提高强韧性、耐热性及焊接性能；配以与之相应的独特的生产工艺，使低温环境超宽厚壁热煨弯管用钢板得理想的微观组织结构、细小的晶粒、优异的综合性能和良好板形。(2)本发明碳当量ceiiw和cepcm适宜，保证材料具有良好的强度和可焊性。(3)本发明的精炼、连铸工艺方案有效改善了铸坯质量，从而提高最终产品性能。(4)本发明利用独特的低温低速短间隔轧制+轧后低温长时均匀控冷+低温淬火和回火工艺，充分发挥合金元素降低相变温度、提高淬透性、析出细晶和强化等作用及组织的遗传性、多项组织的复合匹配效果，获得强塑韧性匹配良好的产品，同时，增加了冷却均匀性，降低了内应力和组织应力，有效控制了钢板的板形。(5)本发明所述一种高强韧性低屈强比热煨弯管用宽厚钢板的厚度≥22mm、宽度>4300mm，横向和纵向屈服强度≥630mpa，横向和纵向抗拉强度≥750mpa，横向和纵向延伸率≥35％，横向和纵向屈强比≤0.83，-60℃横向冲击功均值≥220j，微观组织为贝氏体+铁素体的复合组织，其中，多边铁素体体积百分比在10％～30％，晶粒度达到11级及以上，满足制作低温环境超宽厚壁x90级热煨弯管的要求。附图说明图1为本发明实施例2的显微组织金相图。具体实施方式下面通过实施例对本发明作进一步的说明。本发明实施例根据技术方案的组分配比，进行铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼、连铸、加热、轧制、冷却、热处理。(1)连铸：钢水精炼后连铸前吹氩镇静时间不少于10min，连铸坯浇注过热度15～35℃，连铸坯拉速0.6m/min-1.0m/min，连铸坯厚度/成品钢板厚度控制在7-14；(2)加热：连铸坯经清理后装炉加热，采用两阶段加热方式，其中，高温加热段温度1210～1240℃，均热段温度1200～1230℃，高温加热段+均热段时间不低于150min；(3)轧制：粗轧开轧温度为1120～1170℃，粗轧终轧温度为1000～1050℃，采用横纵轧制方式，其中，纵轧开始温度不高于1090℃，纵轧阶段保证至少最后2个道次的道次变形率大于15％且道次间隔不超过15s；粗轧轧制速度1.2m/s-2.0m/s；中间待温坯厚度3.1t～5.0t，其中，t为成品钢板厚度，精轧开轧温度为810～900℃，精轧终轧温度为720～750℃；(4)冷却：轧后钢板进行加速水冷，开始水冷冷却温度710～740℃，终冷温度340～460℃，水冷冷却速度8～20℃/s，水冷冷却时间不低于15s；(5)热处理：淬火温度840～890℃，淬火保温时间0.5min/mm～1.0min/mm，淬火冷却速度≥15℃/s，冷却至室温；回火温度350～500℃，回火保温时间1.6min/mm～3.0min/mm。本发明实施例钢的成分见表1。本发明实施例钢的冶炼连铸工艺和板坯加热参数见表2。本发明实施例钢的粗轧工艺见表3。本发明实施例钢的精轧及冷却工艺见表4。本发明实施例钢的热处理工艺见表5。本发明实施例钢的性能表6。本发明实施例钢的微观组织见表7。表1本发明实施例钢的成分(wt％)实施例123456c0.0710.0650.0580.0660.0560.062si0.220.260.180.250.270.20mn1.791.911.761.821.871.77p0.0080.0070.0080.0060.0050.006s0.00130.00170.00140.00130.00160.0014nb0.0650.0760.0580.0640.0730.055ti0.0170.0210.0130.0150.0120.013cr0.310.400.380.280.340.42v0.090.100.120.090.100.11mo0.240.220.310.320.280.22ni0.1300.1600.210.12cu000.140.0800.19al0.0300.0210.0270.0190.0330.031n0.00310.00180.00250.00180.00260.0036ceiiw0.5060.5270.5330.5130.5260.528cepcm0.2110.2140.2130.2140.2080.215表2本发明实施例钢的冶炼连铸和板坯加热工艺参数表3本发明实施例钢的粗轧工艺表4本发明实施例钢的精轧及冷却工艺表5本发明实施例钢的热处理工艺实施例淬火温度，℃淬火保温时间，min/mm回火温度，℃回火保温时间，min/mm18600.83802.928400.94102.438800.64401.748600.83701.958400.93901.668600.73602.1表6本发明实施例钢的性能注：拉伸试样为全厚度矩形试样，平行测试段板宽38.1mm；冲击试样尺寸为10*55*55mm表7本发明实施例钢的微观组织由上可知，应用本发明公开的技术方案制得的高强韧性低屈强比热煨弯管用宽厚钢板的厚度≥22mm、宽度>4300mm，横向和纵向屈服强度≥630mpa，横向和纵向抗拉强度≥750mpa，横向和纵向延伸率≥35％，横向和纵向屈强比≤0.83，-60℃横向冲击功均值≥220j，微观组织以贝氏体+铁素体的复合组织为主，其中，多边铁素体体积百分比在10％～30％，晶粒度达到11级及以上，满足制作低温环境超宽厚壁x90级热煨弯管的要求。为了表述本发明，在上述中通过实施例对本发明恰当且充分地进行了说明，以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关
技术领域：
的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。当前第1页12