專利名稱：一種低溫韌性優(yōu)良的高強無縫鋼管及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明屬于低合金鋼制造領域，尤其涉及一種屈服強度為125ksi(862MPa)級別的低溫沖擊韌性優(yōu)良的低合金無縫鋼管及其制造方法。
背景技術：
隨著工業(yè)化的發(fā)展，世界能源日益緊張，人們開始考慮從寒冷的陸地和海底獲取能源，在寒冷環(huán)境下的機械設備施工及石油鉆采、運輸急需具有優(yōu)良低溫沖擊韌性的高強度鋼材。而大部分市售的現(xiàn)有低碳及中碳高強度鋼由于強度高時其韌性較低，例如APISpec 5CT中的Q125鋼級油井管，雖強度能達到125ksi，但韌性指標只能達到0°C橫向20J、縱向41J，當作業(yè)環(huán)境溫度進一步降低時，則其沖擊韌性難以滿足要求，因此，在低溫條件下使用，它們只能被處理成較低強度，以獲得較高的韌性，這將造成鋼材截面厚度的增加，使產(chǎn)品的重量增加，必將導致其成本比高強度鋼潛力得以充分利用時的成本高。為此，公開號為CN1098359C的專利發(fā)明了一種具有優(yōu)異低溫韌性的高強度雙相鋼板，但其強度只能保證抗拉強度不低于830MPa ;同樣，公開號為JP1985121219(A)的日本專利發(fā)明的高強高韌鋼板的屈服強度只能達到700MPa ;公開號為CN 1148416A、CN 101548026A和CN 1146784A的專利公開的高強高韌鋼板的強度和低溫韌性雖比較理想，但其成分、組織控制苛刻，生產(chǎn)控制難度較大，大生產(chǎn)難以保證產(chǎn)品性能的穩(wěn)定控制，同時，由于Nb、V、T1、Mo、B、Cu、Mn、Ni等合金的復合加入，增大了連鑄坯表面質(zhì)量的控制難度；相類似的板材技術還有公開號為CN 1087357C、CN 1087356C、CN 1986861A等專利，但要么性能不夠優(yōu)異，要么生產(chǎn)控制難度大，難以實現(xiàn)工業(yè)化穩(wěn)定生產(chǎn)和穩(wěn)定應用。以上公開專利發(fā)明的高強高韌鋼由于成分限制，只適合生產(chǎn)板、帶材，焊縫質(zhì)量及焊接熱影響區(qū)組織、性能的波動是其一大劣勢。而公開號為CN 101343715A的中國專利，公開的低溫韌性優(yōu)良的無縫鋼管的屈服強度只能達到70ksi?？傊陨瞎?開的專利，雖然都能提供一種具有較好低溫韌性的鋼管及制造方法，但還存在以下的不足:I)公開號為CN 1098359C的專利、公開號為JP1985121219(A)的日本專利、公開號為CN 1986861A的中國專利，在獲得較好低溫韌性的情況下鋼的強度不能達到IOOksi以上。而且，發(fā)明產(chǎn)品為焊管，焊縫質(zhì)量及焊接熱影響區(qū)組織、性能的波動始終作為一個危險因素存在。2)公開號為 CN 1087356C、CN 1087357C 的專利和公開號為 CN1146784A、CN1148416A、CN 101548026A的專利，雖聲稱能獲得高度和優(yōu)良低溫韌性兼具的鋼板，但產(chǎn)品制造工藝的控制難度大，工業(yè)生產(chǎn)條件下的產(chǎn)品的質(zhì)量、性能的穩(wěn)定性不易實現(xiàn)。而且，發(fā)明產(chǎn)品為焊管，焊縫質(zhì)量及焊接熱影響區(qū)組織、性能的波動是又一個潛在的危險因素。3)公開號為CN 101343715A的中國專利，公開了一種低溫韌性優(yōu)良的無縫鋼管及其制造方法，避免了焊接對鋼管性能、質(zhì)量均一性的影響，但僅限屈服強度70ksi以下的情況使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術所存在的缺陷，提供一種屈服強度達到125ksi (862MPa)及以上，_60°C沖擊韌性能達到40J以上，適用于寒冷環(huán)境下施工的機械設備或石油鉆采的低合金無縫鋼管及其制造方法。為實現(xiàn)本發(fā)明，發(fā)明者們從合金元素篩選與配比、鋼質(zhì)潔凈度控制、工藝優(yōu)化與參數(shù)選擇、組織優(yōu)化等幾個方面進行了大量而系統(tǒng)的試驗研究，最終確定了可滿足本發(fā)明目的合金元素配比及制造工藝。本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的:該低溫韌性優(yōu)良的高強無縫鋼管的成分按重量百分比計:C:0.15 % 0.20 %、S1:0.20 % 0.30 %、Mn:0.2 % 0.5 %、P:彡 0.010 %、S:彡 0.003 %、Cr:0.6 % 0.8 %、Mo:0.4 % 0.7 %、N1:1.0 % 1.4 %、Nb:0.01 % 0.035%, Als:0.01% 0.05%、N 0.006%，O 彡 0.002%，H 彡 0.0002%，其余為 Fe 及
不可避免的雜質(zhì)。本發(fā)明各合金元素范圍選擇的說明:C:碳的主要作用是提高淬透性，與鋼中其它合計元素形成的碳化物可以提高強度，碳含量低于0.15%，鋼的淬透性和強度難以保證，但碳元素會對鋼的韌性起到破壞作用，碳高于0.20%低溫韌性難以保證。S1:硅在這里主要是起脫氧作用，但其對韌性損害較大，故將其限定在0.20
0.30%范圍內(nèi)。Mn:錳可提高淬透性，與鋼中的S元素結(jié)合成MnS，可以避免鋼的熱脆性的產(chǎn)生，同時Mn可以擴大鋼的奧氏體區(qū)，可以細化晶粒，起到改善鋼的強韌性的作用，含量低于0.2%時作用不明顯，含量超過0.5%時，促使有害元素在晶界偏聚的作用開始明顯，降低高強管材的韌性，同時使鋼易產(chǎn)生硫化氫應力腐蝕。P:磷在晶界偏析，升高韌脆轉(zhuǎn)變溫度，降低鋼的韌性，這里須將其限定在0.01%以下。S:硫易與錳等形成非硬質(zhì)夾雜，在加工過程中沿軋制方向發(fā)生延伸變形，破壞材料基體的連續(xù)性，降低鋼管韌性指標。這里須將其限定在0.003%以下。Cr:鉻提高淬透性，改善鋼的強韌性，并具有耐蝕作用，低于0.6%時強韌性匹配不好，高于0.8%時，對強韌性的改善作用已飽和，成本增加。Mo:鑰提高淬透性，提高鋼的回火抗力，抑制回火脆性，其細化晶粒作用明顯，對改善鋼的強韌性作用較大，含量低于0.4%，強韌性難以滿足要求，高于0.7%則作用減弱，成本增加。Als:鋁一方面作為強脫氧劑加入，另一方面可細化晶粒，改善鋼的韌性，鋼中酸溶鋁含量低于0.0I %時作用不足，高于0.05 %作用已飽和，且增加形成Al2O3夾雜物的傾向增大，對鋼的低溫韌性不利。 N1:鎳是本發(fā)明的鋼中添加的重要的合金元素，鋼中添加鎳可促進交滑移發(fā)生，降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度。鎳還是最強烈的奧氏體穩(wěn)定元素之一，可提高鋼的淬透性和組織均勻性。要達到本發(fā)明的目的，鎳的添加量至少為1.0%，同時因為鎳的價格昂貴，資源稀缺，在本發(fā)明中規(guī)定鎳含量的上限為1.4%。
Nb:鈮通過沉淀強化提高本發(fā)明鋼的強度，同時通過細化晶粒改善鋼的韌性。當Nb的含量低于0.01%時作用不明顯，當Nb的含量超過0.035%時對強度的貢獻接近飽和，并損害鋼的低溫韌性，同時降低本發(fā)明鋼的熱塑性。因此，限定Nb的含量范圍為0.01%
0.035%。Ν、0、Η:氮、氧、氫作為鋼中的有害元素，需限定其在鋼中的含量，否則，影響鋼的韌性。本發(fā)明低溫韌性優(yōu)良的高強無縫鋼管的制造方法包括以下步驟:(I)鋼的冶煉采用鐵水預處理+轉(zhuǎn)爐冶煉+LF精煉+VD真空脫氣的冶煉工藝路線，鐵水預處理將硫含量控制到0.005%以下，最好控制到0.002%以下，保證優(yōu)質(zhì)低硫鐵水提供給轉(zhuǎn)爐；轉(zhuǎn)爐采用頂、底復吹氧氣冶煉鋼水，采用純凈鋼冶煉技術控制P、S、O、N、H有害元素的含量依次不大于0.010%,0.003%,0.002%,0.006%,0.0002%，其中LF精煉的時間不低于30min，真空脫氣加吹氬氣攪拌的時間不低于IOmin ；(2)圓管還制造為提高材料基體的強韌性，圓管坯采用大方坯連鑄+圓坯軋制的方式制造，方坯連鑄采用保護式澆鑄+電磁攪拌，控制過熱度小于30°C，控制電磁攪拌電流大于500A，對拉速穩(wěn)定性進行控制，波動范圍不超過0.05m/min,同時控制矯直溫度在950°C以上，避免脆性區(qū)矯直，連鑄方坯下線后送入均熱爐進行加熱，加熱溫度1300 1340°C，之后進行粗軋開坯和精軋軋制成所需尺寸的圓管坯。(3)鋼管成型

圓管坯采用環(huán)形加熱爐加熱、二輥菌式穿孔機制成毛管、MPM/PQF連軋機組軋管、微張力定減徑機組定徑、軋后進行空冷，其中環(huán)形爐加熱溫度1250 1300°C，熱穿孔溫度不低于120(TC，熱連軋溫度不低于1050°C，定徑溫度不低于80(TC，軋后鋼管空冷；在軋管后定減徑前最好對鋼管采用再加熱均溫處理，以細化、均勻鋼管組織；(4)熱處理采用調(diào)質(zhì)熱處理方式，淬火溫度900 920°C，淬火介質(zhì)為水，鋼管回火溫度500 600°C，回火時間不低于60分鐘，鋼管熱處理后采用不低于300°C的帶溫矯直。經(jīng)過上述工藝制造的無縫鋼管具有如下性能:屈服強度:> 862MPa抗拉強度:> 931MPa沖擊韌性:橫向全尺寸夏比沖擊功(_60°C ) > 40J縱向全尺寸夏比沖擊功(_60°C ) > 60J延伸率>18 %。本發(fā)明制造工藝簡單、易于實現(xiàn)，無縫鋼管性能的均勻性、穩(wěn)定性好，適用于寒冷環(huán)境使用，可滿足屈服強度125ksi(862MPa)、-60°C沖擊功大于40J的使用需求，采用本發(fā)明無縫鋼管可避免焊接管材由于焊縫、熱影響區(qū)性能和質(zhì)量波動所造成的潛在使用風險。
具體實施例方式下面通過實施例對本發(fā)明作進一步的說明。采用鐵水預處理+轉(zhuǎn)爐冶煉+LF精煉+VD真空脫氣的純凈鋼冶煉工藝，鐵水硫(0.0012%。對具有表I中成分的鋼水進行伴有電磁攪拌的保護澆鑄，連鑄成280 X 380mm的方坯，澆鑄時控制過熱度小于30°C，控制電磁攪拌電流大于等于500A，將拉速波動范圍控制在0.05m/min以內(nèi)，控制拉矯溫度不低于950°C。連鑄方坯下線后進入均熱爐進行1300 1340°C的加熱保溫，再經(jīng)粗軋開坯和精軋軋制成Φ 210尺寸的圓管坯，根據(jù)成品鋼管規(guī)格需要也可軋成Φ200、Φ185等不同尺寸。將軋制得到的圓管坯剪斷成所需要的定尺入環(huán)形加熱爐加熱，依次經(jīng)二輥菌式穿孔機穿管、MPM/PQF連軋機組軋管、軋制后的鋼管可選擇性地進行再加熱均溫處理、14架微張力定/減徑機組定徑、軋后空冷。其中環(huán)形爐加熱溫度1250 1300°C，熱穿孔溫度不低于1200°C，熱連軋溫度不低于1050°C，定徑溫度不低于800°C，獲得細化的基體組織與析出 相。對制得的熱軋鋼管進行900 920°C的水淬處理+550 600°C的回火處理，出回
火爐的鋼管帶溫進行矯直，矯直溫度不低于300°C。最后，鋼管進行探傷等各項檢驗及管端加工，包裝入庫。產(chǎn)品的化學成分如表I所示，采用的主要生產(chǎn)工藝參數(shù)見表2和表3，經(jīng)過上述工藝制造的Φ 177.8X15.88mm無縫鋼管的力學性能如表4所示。表I本發(fā)明實施例鋼管的化學成分(wt% )
權利要求
1.一種低溫韌性優(yōu)良的高強無縫鋼管，其特征在于其成分重量百分比為:c:0.15% 0.20%,Si:0.20% 0.30%,Mn:0.2% 0.5%、P:≤ 0.010%,S:≤0.003%, Cr:0.6% 0.8 %、Mo:0.4 % 0.7 %、N1:1.0 % 1.4 %、Nb:0.01 % 0.035 %、Als:0.01 % 0.05%,N 0.006%, O ^ 0.002%,0.0002%，其余為 Fe 及不可避免的雜質(zhì)。
2.—種權利要求1所述高強無縫鋼管的制造方法，其特征在于包括以下步驟:(1)鋼的冶煉:鐵水預處理后硫含量< 0.005%，冶煉后P含量≤ 0.010%,S含量≤ 0.003%,O含量≤0.002%, N含量≤0.006%, H含量≤0.0002%，LF精煉時間大于30min，真空脫氣加吹氬氣攪拌時間大于IOmin ； (2)圓管坯制造:大方坯連鑄采用保護式澆鑄+電磁攪拌，控制過熱度小于30°C，電磁攪拌電流大于等于500A，拉速波動范圍不超過0.05m/min，矯直溫度在950°C以上，連鑄方坯送均熱爐加熱溫度1300 1340°C，再經(jīng)粗軋開坯和精軋軋制成所需尺寸的圓管坯；(3)鋼管成型:圓管坯經(jīng)環(huán)形加熱爐加熱、二輥菌式穿孔機制成毛管，加熱溫度1250 1300°C，穿孔溫度大于1200°C，再經(jīng)MPM/PQF連軋機組軋管，連軋溫度大于1050°C，和溫度大于8 00°C的微張力定減徑機組定徑，軋后空冷；(4)熱處理:淬火溫度900 920°C，回火溫度500 600°C，回火時間大于60分鐘，之后采用大于300°C的帶溫矯直。
3.根據(jù)權利要求2所述高強無縫鋼管的制造方法，其特征在于鐵水預處理后硫含量0.002%。
4.根據(jù)權利要求2所述高強無縫鋼管的制造方法，其特征在于在軋管后定減徑前對鋼管采用再加熱均溫處理。
全文摘要
本發(fā)明提供一種低溫韌性優(yōu)良的高強無縫鋼管及其制造方法，成分為C0.15％～0.20％、Si0.20％～0.30％、Mn0.2％～0.5％、P≤0.010％、S≤0.003％、Cr0.6％～0.8％、Mo0.4％～0.7％、Ni1.0％～1.4％、Nb0.01％～0.035％、Als0.01％～0.05％，余為Fe。方法包括(1)冶煉鐵水硫≤0.005％，冶煉后P≤0.010％、S≤0.003％、O≤0.002％、N≤0.006％、H≤0.0002％；(2)圓管坯制造方坯連鑄過熱度小于30℃，拉速波動小于0.05m/min，矯直溫度大于950℃，方坯加熱溫度1300～1340℃；(3)鋼管成型管坯加熱溫度1250～1300℃，穿孔溫度大于1200℃，連軋溫度大于1050℃，定減徑溫度大于800℃；(4)熱處理淬火溫度900～920℃，回火溫度500～600℃，回火時間大于60分鐘。本發(fā)明產(chǎn)品屈服強度125ksi、-60℃沖擊功大于40J。
文檔編號C21C1/02GK103160752SQ20111041921
公開日2013年6月19日 申請日期2011年12月14日 優(yōu)先權日2011年12月14日
發(fā)明者王長順, 解德剛, 俞平, 陳克東, 陳勇, 趙波, 徐詠梅 申請人:鞍鋼股份有限公司