專利名稱：高強度高韌性x100管線鋼熱軋鋼帶及其制造方法
技術領域：
本發明涉及冶金領域中鋼種及其制造方法，尤其涉及一種管線鋼及其制造方法。
背景技術：
管道輸送是石油天然氣輸送最經濟高效的輸送方式之一。隨著石油天然氣的開采逐步向極地、荒漠等偏遠區域延伸，為了提高輸送效率，同時降低管道建設和運營成本，需要采用高強度、大口徑、高壓管道進行石油天然氣的輸送，由此也對管道用鋼提出了高強度高韌性的要求。
公開日為2010年1月6日，公開號為CN101619416，名稱為“一種高強度XlOO管線鋼熱軋平板及其生產方法”的中國專利文獻公開了一種高強度Xioo管線鋼熱軋平板及其生產方法。該專利中的Mo元素含量較低，且沒有限制N、0元素的含量。
公開日為2007年6月27日，公開號為CN1986861，名稱為“超高強度XlOO管線鋼及其熱軋板制造方法”的中國專利文獻公開了一種管線鋼及其制造方法。該專利的成分設計采用了低碳、高錳的設計思路，通過控軋控冷工藝，來制造具有高強度、高韌性的XlOO管線鋼板，鋼板50% FATT溫度達到-60°c以下，但其合金成本相對較高。
公開日為2009年4月15日，公開號為CN101407894，名稱為“一種爐卷軋機生產的高強度Xioo管線鋼及其生產工藝”的中國專利文獻公開了一種采用爐卷軋機來制造高強度XlOO管線鋼的工藝，該專利在成分設計時采用了低碳、較高錳及微合金化的成分設計思路，同時利用爐卷軋機制造管線鋼中厚板。
公開日為2008年6月25日，公開號為CN101205597，名稱為“一種XlOO管線鋼直縫埋弧焊管制造方法”的中國專利文獻公開了一種Xioo管線鋼直縫埋弧焊管制造方法，它應用于制造輸送石油天然氣的直縫埋弧焊鋼管。該技術方案采用低碳微合金化的原材料鋼板，經過JCO成型工序制造直縫焊管，該專利主要側重制管工藝技術，僅提及了原材料鋼板的成分設計，其Mn元素含量較高，且未對Ca、0元素的含量進行限定。
公開日為2010年8月11日，公開號為CN101797600A，名稱為“一種高強度XlOO鋼級螺旋縫埋弧焊管制造方法”的中國專利文獻公開了一種XlOO螺旋埋弧焊管的制造方法。 同樣地，該技術方案側重于制管工藝，并未對Ca、0元素的含量進行限定。
公開日為2007年1月10日，公開號為CN1894434，名稱為“用于超高強度管線管的鋼板和具有優異的低溫韌度的超高強度管線管及其制造方法”的中國專利文獻公開了一種通過將鋼板焊接到一起而制造具有優異低溫韌性和超高強度的管線管，該技術方案中母材鋼板的金屬組織包含20%以下的多邊形鐵素體和80%以上的貝氏體，有效晶體粒徑為 20 μ m以下，同時可使焊接熱影響區的有效晶體粒徑為150 μ m以下。
發明內容
本發明的目的是提供一種高強度高韌性XlOO管線鋼熱軋鋼帶及其制造方法，該 Xioo管線鋼熱軋鋼帶在具有高強度的同時，還應當具有與高強度相匹配的高韌性。
根據本發明的上述目的，提出一種高強度高韌性XlOO管線鋼熱軋鋼帶，其化學元
素質量百分含量為C 0. 015 0. 090 %，Si :0. 1 0. 5 %，Mn 1. 50 1. 79 %, P ^ 0. 015 %, S 彡 0. 003%, Cr 0. 10 0. 40%, Nb :0. 03 0. 10%, Zr :0. 001 0. 100%, Ti :0. 01 0. 035 %, Mo 0. 31 0. 60 %，Cu :0. 10 0. 40 %, Ni :0. 10 0. 50 %, Ca :0. 0010 0. 0050%, Al 0. 02 0. 045%，N < 0. 010%，0 < 0. 008%，余量為 Fe 和其他不可避免的
夾雜；該高強度高韌性XlOO管線鋼熱軋鋼帶的顯微組織為下貝氏體。本發明中各化學元素的添加原理具體為碳C是最基本的強化元素。C溶解在鋼中形成間隙固溶體，起固溶強化的作用，與強碳化物形成元素形成碳化物析出，則起到沉淀強化的作用。對于本技術方案來說，如果C 含量過高，則其不利于鋼的延性、韌性和焊接性能；而C含量太低又會降低鋼的強度。因此， 發明人將C含量限定在0.015 0. 090%。硅Si是固溶強化元素，同時也是鋼中的脫氧元素。對于本技術方案來說，Si含量過高會惡化鋼材的焊接性能，同時不利于軋制過程中熱軋氧化鐵皮去除，因此發明人其含量控制在0. 1 0.5%。錳:Mn通過固溶強化提高鋼的強度，是鋼中補償因C含量降低而引起強度損失的最主要、最經濟的強化元素。Mn還是擴大γ相區的元素，可降低鋼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。但Mn是易偏析元素，當Mn含量較高時，在澆鑄過程中Mn易在板厚中心偏析，軋制完成后生成硬相的馬氏體組織，降低材料的低溫韌性和抗動態撕裂性能。因此在本技術方案中Mn含量限定為1. 50 1. 79%。鉻Cr是提高鋼的淬透性的重要元素，可有效提高鋼的強度，而且Cr含量在 0. 10%以上時，能有效改善鋼的耐腐蝕性能。但含量過高的鉻和錳同時加入鋼中，會導致低熔點Cr-Mn復合氧化物形成，在熱加工過程中形成表面裂紋，同時會嚴重惡化焊接性能。因此，本發明中Cr含量限定為0. 10 0. 40%。鈦Ti是一種強烈的碳氮化物形成元素，Ti的未溶的碳氮化物在鋼加熱時可以阻止奧氏體晶粒的長大，在高溫奧氏體區粗軋時析出的TiN可有效抑制奧氏體晶粒長大。另外在焊接過程中，鋼中的TiN粒子能顯著阻止熱影響區晶粒長大，從而改善鋼板的焊接性能同時對改善焊接熱影響區的沖擊韌性有明顯作用。因此，本發明中Ti含量控制為0.01 0. 035%。鈮Nb是低碳微合金鋼的重要元素之一。在本技術方案中，熱軋過程中固溶的Nb 應變誘導析出形成Nb (N，C)粒子，釘扎晶界抑制形變奧氏體的長大，經控制軋制和控制冷卻使形變奧氏體相變為具有高位錯密度的細小的產物。此外，固溶的Nb在卷取后，以第二相粒子NbC在基體內彌散析出，起到析出強化作用。但是如果Nb含量太低，則彌散析出效果不明顯，起不到細化晶粒、強化基體作用；而如果Nb含量太高，則易產生板坯裂紋，影響表面質量，同時會嚴重惡化焊接性能。因此發明人將Nb含量限定為0. 03 0. 10%。鋯鋯是夾雜物改性元素，與N、0有較強的結合能力，并以鋯的氮化物、氧化物為核心，其它夾雜附著生長，改善夾雜物的形態和大小。與傳統的Ca處理相比較，采用^ 處理可以得到更加細小均勻的夾雜物，有利于進一步改善鋼的低溫韌性。本發明中^ 含量控制為 0. 001 0. 10%。鉬Mo是擴大Y相區的元素，可降低鋼的Y — α相變溫度，且隨Mo含量的上升，相變溫度逐步減低，能有效促進貝氏體轉變起到相變強化的作用，得到更加細小的相變組織。在高強度低合金鋼中，屈服強度隨Mo含量的增加而提高，因此含量過高的Mo有損塑性和韌性。因此，本發明中Mo含量控制為0. 31 0. 60%。氮在微合金化鋼中，適當的氮含量可以通過形成高熔點的TiN粒子，起到抑制再加熱過程中板坯晶粒粗化的作用，改善鋼的強韌性。但當N含量過高時，時效后高濃度的自由N原子釘扎位錯，使屈服強度明顯提高，同時有損韌性。因此本發明中N含量限定為 ^ 0. 010%。氧對于低合金純凈鋼冶煉，在冶煉終點均需要進行脫氧處理，以減少澆鑄過程中產生的氣泡以及氧化物夾雜，改善鋼的內質、提高成品鋼板的低溫沖擊韌性和抗動態撕裂性能。當氧含量高于SOppm時，夾雜物、氣孔等內質缺陷顯著增多。所以本發明中0含量限定為彡0. 008%。硫、磷S、P是鋼中不可避免的雜質元素，希望越低越好。本技術方案中，通過超低硫(小于30ppm)及Ca處理對硫化物進行夾雜物形態控制，同時控制P含量在150ppm以下， 可保證發明鋼具有良好的低溫沖擊韌性。銅、鎳Cu、Ni可通過固溶強化作用提高鋼的強度，同時Cu還可改善鋼的耐蝕性， 在本技術方案中M的加入主要是改善Cu在鋼中易引起的熱脆性，且對韌性有益。本發明中Cu、Ni含量范圍分別控制為0. 10 0. 40%,0. 10 0. 50%。鈣本技術方案中，通過Ca處理可以控制硫化物的形態，改善鋼板的各向異性，提高低溫韌性，為確保最佳效果，發明人將Ca的含量控制為0. 0010 0. 0050%。鋁A1是為了脫氧而加入鋼中的元素，添加適量的Al有利于細化晶粒，改善鋼材的強韌性能，本發明中Al的含量控制范圍為0. 02 0. 045%。相應地，本發明還提供了上述高強度高韌性XlOO管線鋼熱軋鋼帶的制造方法， 其包括下列步驟冶煉、連鑄、板坯再加熱、粗軋、精軋、控制冷卻、卷取；其中控制冷卻步驟中，冷卻速度為41 70°C /s ；卷取步驟中，卷取溫度根據控制冷卻步驟中的冷卻速度和冷卻控制因子P確定，P =卷取溫度/冷卻速度，6彡P彡7。優選地，在所述板坯再加熱步驟中，板坯加熱溫度為1145 1250°C，板坯保溫時間根據板坯厚度和保溫系數確定，保溫系數為0. 8 1. 50min/mm。優選地，在所述粗軋步驟中，粗軋溫度為930 1000°C。優選地，在所述精軋步驟中，精軋溫度為750 900°C。與現有技術相比，本發明通過采用上述技術方案，使得其具有下列有益效果(1)利用本技術方案制造出的XlOO熱軋鋼帶可達到以下要求屈服強度RpO.2 彡 700MPa，抗拉強度Rm 彡 800MPa ；延伸率A5(18 ^ 15% ；_20°C 沖擊功:AKv 彡 220J ；-20 0C DffTT (Drop Weight Tear Test,落錘撕裂測試)性能=SA % 彡 85%。(2)本發明所涉及的技術方案采用低C微合金化成分設計方法，且添加較高的Mo 元素以促進下貝氏體組織轉變，提高了鋼的強度；采用中Mn以改善偏析，提高了鋼的低溫沖擊韌性和抗動態撕裂性能；碳當量較低，改善了鋼管成型焊接及現場環焊焊接性能；
(3)本技術方案所述的XlOO管線鋼熱軋鋼帶Nb元素含量較低，在保證鋼帶性能的同時降低了生產成本；(4)本技術方案所述的XlOO管線鋼熱軋鋼帶通過控制S、P的含量，并應用適量的 Zr元素以改善夾雜物形態和細化尺寸，進一步提高了鋼帶的低溫沖擊韌性；(5)本技術方案所述的制造方法通過采用強冷工藝，通過控制冷卻速度和冷卻控制因子P，能夠控制鋼帶的顯微組織全部為下貝氏體，且其有效晶粒尺寸均在5 μ m及以下， 從而使得鋼帶具有很好的強韌性匹配性。
圖1顯示了本發明所述的高強度高韌性XlOO管線鋼熱軋鋼帶在實施例3中的顯微組織。
具體實施例方式實施例1-7按照下述步驟制造本發明所述高強度高韌性XlOO管線鋼熱軋鋼帶(實施例1-7 中各鋼帶的化學元素配比見表1，實施例1-7中的詳細工藝參數見表2)(1)電爐或轉爐冶煉原料；(2)連鑄；(3)對板坯進行再加熱，加熱溫度為1145 1250°C，板坯厚度為250mm，保溫時間根據板坯厚度和保溫系數確定，保溫系數為0. 8 1. 50min/mm ；(4)粗軋粗軋溫度為930 1000°C ；(5)精軋精軋溫度為750 900°C ；(6)控制冷卻冷卻速度為41 70°C /s ；(7)卷取；卷取溫度根據控制冷卻步驟中的冷卻速度和冷卻控制因子P確定，P = 卷取溫度/冷卻速度，6彡P彡7。圖1顯示了實施例3中高強度高韌性XlOO管線鋼熱軋鋼帶的顯微組織，從圖1可以看出，該XlOO管線鋼熱軋鋼帶的顯微組織幾乎全部為下貝氏體。表1.(余量為!^e和其他不可避免的雜質，wt. % )
權利要求
1.一種高強度高韌性XlOO管線鋼熱軋鋼帶，其特征在于，其化學元素質量百分含量為C 0. 015 0. 090%, Si :0. 1 0. 5%，Mn :1. 50 1. 79%，P 彡 0. 015%，S 彡 0. 003%， Cr 0. 10 0. 40%，Nb :0. 03 0. 10%，Zr :0. 001 0. 100%, Ti :0. 01 0. 035%, Mo 0. 31 0. 60%,Cu 0. 10 0. 40%,Ni :0. 10 0. 50%,Ca :0. 0010 0. 0050%,Al :0. 02 0. 045%, N ^ 0.010%, O^ 0. 008%，余量為!^e和其他不可避免的雜質； 所述高強度高韌性XlOO管線鋼熱軋鋼帶的顯微組織為下貝氏體。
2.如權利要求1所述的高強度高韌性XlOO管線鋼熱軋鋼帶的制造方法，其特征在于， 包括下列步驟冶煉一連鑄一板坯再加熱一粗軋一精軋一控制冷卻一卷取；其中控制冷卻步驟中，冷卻速度為41 70°C /s ；卷取步驟中，卷取溫度根據控制冷卻步驟中的冷卻速度和冷卻控制因子P確定，P =卷取溫度/冷卻速度，6彡P彡7。
3.如權利要求2所述的高強度高韌性XlOO管線鋼熱軋鋼帶的制造方法，其特征在于， 所述板坯再加熱步驟中，板坯加熱溫度為1145 1250°C，板坯保溫時間根據板坯厚度和保溫系數確定，保溫系數為0. 8 1. 50min/mm。
4.如權利要求2所述的高強度高韌性XlOO管線鋼熱軋鋼帶的制造方法，其特征在于， 所述粗軋步驟中，粗軋溫度為930 1000°C。
5.如權利要求2所述的高強度高韌性XlOO管線鋼熱軋鋼帶的制造方法，其特征在于， 所述精軋步驟中，精軋溫度為750 900°C。
全文摘要
本發明公開了一種高強度高韌性X100管線鋼熱軋鋼帶，其化學元素質量百分含量為C0.015～0.090％，Si0.1～0.5％，Mn1.50～1.79％，P≤0.015％，S≤0.003％，Cr0.10～0.40％，Nb0.03～0.10％，Zr0.001～0.100％，Ti0.01～0.035％，Mo0.31～0.60％，Cu0.10～0.40％，Ni0.10～0.50％，Ca0.0010～0.0050％，Al0.02～0.045％，N≤0.010％，O≤0.008％，余量為Fe和其他不可避免的夾雜。相應地，本發明還公開了該鋼帶的制造方法。本發明所述的熱軋鋼帶具有良好的綜合力學性能，成分簡單，可制造性強。
文檔編號C22C38/50GK102560284SQ20121003966
公開日2012年7月11日 申請日期2012年2月21日 優先權日2012年2月21日
發明者章傳國, 鄭磊 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司