本發(fā)明涉及低合金高強(qiáng)鋼生產(chǎn)，具體涉及一種采用中等厚度鑄坯生產(chǎn)，并具有良好強(qiáng)韌性、易焊接的低成本高品質(zhì)500?mpa級(jí)焊管用熱軋卷板及其制造方法。

背景技術(shù)：

1、隨著連軋技術(shù)的不斷進(jìn)步，優(yōu)質(zhì)帶鋼的生產(chǎn)能力顯著提升，以及焊接、檢驗(yàn)技術(shù)的不斷革新，焊接鋼管因其生產(chǎn)效率高、成本低、質(zhì)量可靠、應(yīng)用廣泛以及符合環(huán)保要求等特點(diǎn)，逐步成為應(yīng)用最為廣泛的鋼鐵材料之一，幾乎涵蓋了所有需要鋼管材料的行業(yè)和領(lǐng)域，例如管道輸送領(lǐng)域、建筑領(lǐng)域、機(jī)械制造領(lǐng)域、橋梁建設(shè)領(lǐng)域等等。未來(lái)，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和市場(chǎng)的不斷拓展，焊管的應(yīng)用領(lǐng)域還將進(jìn)一步擴(kuò)大。目前，用量較大、技術(shù)要求較高的焊管主要應(yīng)用在石油、天然氣等能源領(lǐng)域，這些領(lǐng)域需要焊管具有更高的強(qiáng)度、良好的韌性和更好的耐腐蝕性能等，以滿足惡劣服役環(huán)境下能源輸送的需求。

2、熱軋卷板作為焊管生產(chǎn)的主要原材料，其質(zhì)量直接決定了焊管的最終性能和使用壽命。為了保證焊管的安全性和經(jīng)濟(jì)性，必須嚴(yán)格控制用于制造焊管的熱軋卷板的產(chǎn)品質(zhì)量；同時(shí)，在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，企業(yè)為了保持競(jìng)爭(zhēng)力，需要不斷降低生產(chǎn)成本；此外，隨著環(huán)保意識(shí)的提高和環(huán)保政策的加強(qiáng)，熱軋卷板生產(chǎn)過(guò)程中的節(jié)能減排成為行業(yè)的重要任務(wù)。因此，如何通過(guò)合金成分設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝的優(yōu)化開發(fā)出具有高強(qiáng)度、高韌性、易焊接等優(yōu)良性能的低成本高品質(zhì)焊管用熱軋卷板成為行業(yè)的重要趨勢(shì)。

3、目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于500?mpa級(jí)焊管用鋼，特別是管線鋼方面的專利較多，但與本發(fā)明均有明顯不同，以下簡(jiǎn)單介紹與本發(fā)明較為接近的專利：

4、（1）中國(guó)專利cn202011250936.1“一種屈服強(qiáng)度500?mpa級(jí)低成本熱軋卷板及其制備方法”。成分中含c：0.14~0.20%、si：0~0.25%、mn：0.35~0.60%、ti：0.040~0.055%、al：0.025~0.040%、b：0.0008~0.0020%、p：<0.015%、s：<0.005%、o：<0.0025%、n：≤0.005%，其余為fe和不可避免的雜質(zhì)。該專利成分c和mn含量較高，只單獨(dú)添加了ti合金元素，無(wú)法發(fā)揮nb、v、ti微合金化復(fù)合作用，降低強(qiáng)化效果，易造成產(chǎn)品性能波動(dòng)；其次，加熱溫度和卷取溫度較高，遠(yuǎn)高于本發(fā)明加熱和卷取溫度；此外，該專利未明確低溫韌性指標(biāo)。

5、（2）中國(guó)專利cn202210120169.5“一種低成本高韌性屈服強(qiáng)度500?mpa鋼板及生產(chǎn)工藝”。成分中含c：0.15~0.17%、si：0.10~0.30%、mn：1.45~1.70%、s<0.005%、p<0.018%、ti：0.008~0.018%、v：0.020~0.035%、nb：0.020~0.035%、n<0.005%、als：0.015~0.050%，其余為fe和不可避免的雜質(zhì)元素。該專利成分c含量較高，成分未添加cr、mg以及稀土元素，與本發(fā)明合金體系不同；其次，工藝上采用較高的終軋溫度和較低的冷卻速率，無(wú)法充分發(fā)揮水代合金進(jìn)而降低成本、提高鋼板強(qiáng)韌性的作用；此外，低溫韌性指標(biāo)較為寬松，該專利只有沖擊韌性無(wú)低溫落錘性能。

6、（3）中國(guó)專利cn202210198496.2“一種低成本易焊接管線鋼熱軋卷板及其制備方法”。成分中含c：0.050~0.080%、si：0.10~0.25%、mn：0.50~0.70%、p≤0.020%、s≤0.0040%、ti：0.045~0.065%、als：0.020~0.050%、n≤0.0050%，其余為fe和不可避免的雜質(zhì)。該專利成分mn含量較低，只單獨(dú)添加了ti合金元素，無(wú)法發(fā)揮nb、v、ti微合金化復(fù)合作用，降低強(qiáng)化效果，易造成產(chǎn)品性能波動(dòng)；同時(shí)，低溫韌性指標(biāo)要求同樣較為寬松，沖擊試驗(yàn)溫度-20?℃，dwtt試驗(yàn)溫度-10?℃；其次，該專利卷取溫度較高，與本發(fā)明存在較大差別。

7、（4）中國(guó)專利cn201210022429.1“一種低成本高強(qiáng)韌性x70管線鋼卷板及其生產(chǎn)方法”。成分中含c：0.03~0.07%、si：0.10~0.25%、mn：1.10~1.80%、s≤0.005%、p≤0.018%、nb：0.05~0.10%、ti：0.008~0.020%、mo：0.05~0.12%、cr：0.15~0.35%、als：0.020~0.040%、ca：0.0015~0.0030%、n≤0.0060%。該專利成分不含v元素，無(wú)法發(fā)揮nb、v、ti微合金化復(fù)合作用，降低強(qiáng)化效果，同時(shí)成分含有mo元素，合金成本較高；此外，該專利低溫韌性指標(biāo)要求同樣較為寬松，沖擊試驗(yàn)溫度-20?℃，dwtt試驗(yàn)溫度-15?℃，與本發(fā)明存在較大差別。

8、（5）中國(guó)專利cn201210408198.8“屈服強(qiáng)度500?mpa級(jí)高止裂韌性鋼板及其生產(chǎn)方法”。成分中含c：0.04~0.08%、si：0.10~0.50%、mn：0.80~1.24%、p≤0.02%、s≤0.01%、al：0.053~0.065%、n≤0.005%、nb：0.005~0.050%、ti：0.005~0.030%、b：0.0005~0.0030%、ca：0.0016~0.0040%、cu：0.26~0.35%、ni：0.35~0.45%，其余為fe和不可避免的雜質(zhì)。該專利成分貴金屬元素ni，造成合金成本高；不含v元素，無(wú)法發(fā)揮nb、v、ti微合金化復(fù)合作用，降低強(qiáng)化效果；并且，成分范圍較為寬泛，易造成產(chǎn)品性能波動(dòng)；此外，該專利采用鑄坯厚度為200~300?mm，與本發(fā)明存在較大差別。

9、目前公開的500?mpa級(jí)焊管用鋼，特別是管線鋼方面的專利雖多，但一方面，大多成分設(shè)計(jì)中添加了ni、mo等貴重元素，合金成本較高；另一方面，低溫韌性指標(biāo)要求較為寬松，基本難以滿足-40?℃以下的低溫?cái)嗔秧g性要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的涉及一種低成本高品質(zhì)管線鋼熱軋卷板及其制造方法，特別是涉及一種采用中等厚度鑄坯生產(chǎn)的具有良好強(qiáng)韌性、易焊接的低成本高品質(zhì)500?mpa級(jí)焊管用熱軋卷板及其制造方法。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案之一是提出一種采用中等厚度鑄坯生產(chǎn)的具有良好強(qiáng)韌性、易焊接的低成本高品質(zhì)500?mpa級(jí)焊管用熱軋卷板，化學(xué)成分（重量，%）配比如下，c：0.05~0.07%、si：0.15~0.35%、mn：1.48~1.78%、p：≤0.02%、s：≤0.003%、ti：0.01~0.02%、nb：0.03~0.06%、v：0.02~0.04%、re：0.004~0.006%、cr：0.18~0.30%、mg：0.002~0.004%、als：0.015~0.045%、ca：≤0.003%、n：≤0.007%，其余為fe和不可避免雜質(zhì)。

3、優(yōu)選，la和ce添加比例為la/ce=2.65~3.10。

4、優(yōu)選，經(jīng)稀土處理后的晶內(nèi)針狀鐵素體形核尺寸80%以上集中在0.5~3.5?μm。

5、本發(fā)明所以選擇以上合金元素種類及其含量是因?yàn)椋?/p>

6、c：c元素通過(guò)固溶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化來(lái)提高鋼的強(qiáng)度和硬度，是鋼中最經(jīng)濟(jì)、最基本、最有效的強(qiáng)化元素。c原子溶解在鐵基體中形成固溶體，能顯著提高鋼的強(qiáng)度；在后續(xù)冷卻過(guò)程中，c與nb、v、ti等合金元素結(jié)合，析出細(xì)小的碳化物顆粒，這些碳化物顆粒彌散分布在鋼的基體中，起到了阻礙位錯(cuò)移動(dòng)的作用，從而提高了鋼的強(qiáng)度和硬度。但c含量過(guò)高會(huì)降低鋼的塑性、韌性以及焊接性能，c的含量需要精確控制在一個(gè)合適的范圍內(nèi)。因此，本發(fā)明將c含量控制在0.05~0.07%。

7、si：常用的脫氧元素，可以溶入鐵素體和奧氏體中，起到一定的固溶強(qiáng)化作用，可顯著提高鋼的硬度和強(qiáng)度，同時(shí)能夠阻止鐵素體的形核和長(zhǎng)大，使鋼的c曲線右移，從而提高鋼的淬透性。但si含量過(guò)高會(huì)顯著降低鋼的塑性、韌性以及焊接性能，故本發(fā)明將si含量控制在0.15~0.35%。

8、mn：具有固溶強(qiáng)化和相變強(qiáng)化的作用，可降低γ-α相變溫度，通過(guò)抑制奧氏體的轉(zhuǎn)變溫度，促進(jìn)貝氏體形成，進(jìn)而細(xì)化鐵素體組織；同時(shí)，mn還可以補(bǔ)償c元素含量降低引起的強(qiáng)度損失，是最主要、最經(jīng)濟(jì)的強(qiáng)化元素；mn還可增加鋼的淬透性，提高韌性，降低鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。但mn含量過(guò)高會(huì)加劇連鑄坯的中心偏析程度，進(jìn)而導(dǎo)致鋼板和鋼管的力學(xué)性能出現(xiàn)各向異性。因此，本發(fā)明將mn含量控制在1.48~1.78%。

9、p、s、n：是鋼中不可避免的雜質(zhì)元素，含量越低越好，但鋼質(zhì)純凈度的過(guò)度降低會(huì)顯著增加生產(chǎn)成本。因此，在保證本產(chǎn)品韌性指標(biāo)前提下，本發(fā)明p≤0.02%、s≤0.003%、n≤0.007%。

10、ti：ti是強(qiáng)碳氮化物形成元素，加入0.015%左右ti元素時(shí)，就可在板坯連鑄時(shí)形成高溫穩(wěn)定細(xì)小的tin析出相，這種彌散細(xì)小的tin顆粒釘扎在奧氏體晶界上，有效阻礙了連鑄坯加熱過(guò)程中奧氏體晶粒的長(zhǎng)大，這樣導(dǎo)致γ→α轉(zhuǎn)變，形成細(xì)小的初始奧氏體晶粒，從而產(chǎn)生細(xì)小的鐵素體晶粒，同時(shí)，對(duì)改善鋼焊接時(shí)熱影響區(qū)的韌性有明顯作用；ti的加入另一方面也阻止了nbn的形成，有助于提高nb在奧氏體中的固溶度，發(fā)揮強(qiáng)化作用；此外，ti在管線鋼中還具有顯著的脫硫作用，ti與s的親和力大于mn和s的親和力，且tis比mns更穩(wěn)定，因此，ti能夠降低鋼的脆性并提高韌性。但含量過(guò)高不僅會(huì)造成成本升高，還容易形成大顆粒夾雜物，因此，本發(fā)明將ti含量控制在0.01~0.02%。

11、nb：是強(qiáng)碳氮化物形成元素，具有顯著的細(xì)晶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化作用。在軋制過(guò)程中，由于應(yīng)變誘導(dǎo)析出形成細(xì)小nb(n，c)顆粒，釘扎晶界抑制形變奧氏體的回復(fù)、再結(jié)晶，經(jīng)控制軋制和控制冷卻使精軋階段非再結(jié)晶區(qū)形變奧氏體相變?yōu)榫哂懈呶诲e(cuò)密度的細(xì)小產(chǎn)物，以提高鋼的強(qiáng)度和韌性。但如果nb含量太低，則彌散析出效果不明顯，起不到細(xì)化晶粒、強(qiáng)化基體的作用，并且nb屬于貴重金屬，含量過(guò)高會(huì)提高合金成本，且加入一定數(shù)量后，強(qiáng)化效果不再明顯。因此，本發(fā)明將nb含量控制在0.03~0.06%。

12、v：是強(qiáng)碳化物形成元素，固溶于奧氏體中可以提高鋼的淬透性，具有較強(qiáng)的沉淀強(qiáng)化和一般的細(xì)晶強(qiáng)化作用。v與c結(jié)合形成的細(xì)小碳化物，彌散分布在鋼的基體中，阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，從而提高鋼的強(qiáng)韌性；同時(shí)，可以補(bǔ)充nb析出強(qiáng)化的不足，改善鋼材焊后韌性，但在管線鋼的合金設(shè)計(jì)中，一般不單獨(dú)使用，與nb、ti復(fù)合添加效果更好。v含量過(guò)高易導(dǎo)致鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度提高，因此，本發(fā)明將v含量控制在0.02~0.04%。

13、re：加入鋼中可起到脫氧、脫硫、凈化鋼質(zhì)以及變質(zhì)夾雜等作用。re的加入可以顯著降低鋼中的o和s含量，從而提高鋼的純凈度，稀土元素對(duì)夾雜物有變質(zhì)作用，可以改變夾雜物的性質(zhì)、形態(tài)和分布，生成彌散細(xì)小的夾雜物，這些夾雜物成為非均質(zhì)形核中心，從而達(dá)到細(xì)化晶粒的效果。稀土夾雜物在鋼的凝固和相變過(guò)程中起到關(guān)鍵作用，能夠誘導(dǎo)晶內(nèi)針狀鐵素體的形核，還能夠阻礙奧氏體晶粒的長(zhǎng)大，細(xì)化鋼的晶粒組織，顯著提高了鋼的強(qiáng)韌性。稀土元素la和ce在管線鋼中具有協(xié)同作用，即當(dāng)它們以適當(dāng)比例（la/ce=2.65~3.10）復(fù)合添加時(shí)，能夠產(chǎn)生比單一添加更顯著的效果，稀土處理后，晶內(nèi)針狀鐵素體形核尺寸80%以上集中在0.5~3.5?μm范圍內(nèi)，其最佳范圍是0.004~0.006%。

14、cr：可有效提高鋼的淬透性，抑制多邊形鐵素體和珠光體的產(chǎn)生，促進(jìn)在中溫和低溫區(qū)內(nèi)形成晶內(nèi)有大量位錯(cuò)分布的鐵素體或貝氏體；cr可明顯提高產(chǎn)品的強(qiáng)度和硬度，且與mo相比，價(jià)格低廉。當(dāng)cr含量超過(guò)0.3%時(shí)，能顯著提高鋼的抗拉強(qiáng)度和硬度，但對(duì)屈服強(qiáng)度的提高有限，低溫韌性就會(huì)明顯下降，不宜添加過(guò)多。因此，本發(fā)明cr含量控制在0.18~0.30%。

15、mg：可降低鋼中o、s含量和夾雜物的數(shù)量，純凈鋼液，大大降低夾雜物對(duì)鋼性能的危害。mg對(duì)鋼中夾雜物起到明顯的變性作用，生成細(xì)小彌散的夾雜物，可為硫化物及碳氮化物析出提供形核位置，有助于鋼中夾雜物的優(yōu)化分布，同時(shí)能誘導(dǎo)針狀鐵素體(af)形核，從而細(xì)化鋼的微觀組織，提高屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度5%以上，塑性基本保持不變，降低屈強(qiáng)比，同時(shí)能夠改善鋼的低溫韌性。此外，利用mg的微合金化作用，設(shè)置合理的mg加入量，可以減少昂貴微合金金屬，如nb、v、ti的使用量，從而降低合金化生產(chǎn)成本，故本發(fā)明mg含量范圍為0.002~0.004%。

16、als：是強(qiáng)氮化物形成元素，添加適量的al可形成細(xì)小彌散的aln粒子，有利于細(xì)化晶粒，提高鋼的強(qiáng)韌性能；同時(shí)，al也是煉鋼時(shí)不可缺少的優(yōu)良脫氧劑，在鋼中加入少量的al，起到細(xì)化晶粒、提高鋼強(qiáng)度和沖擊韌性的作用。但al含量過(guò)高時(shí)會(huì)導(dǎo)致鋼的脆性增加，同時(shí)還會(huì)促進(jìn)鋼的石墨化傾向，降低鋼的強(qiáng)度和韌性。因此，本發(fā)明的als含量控制為0.015~0.045%。

17、ca：與鋼中的s有很強(qiáng)的親和力，起到脫硫的作用，同時(shí)通過(guò)鈣處理可以改變硫化物的形態(tài)，改善鋼的各向異性，同時(shí)可使夾雜物變性，達(dá)到球化夾雜物的目的，保證鋼材的韌性。但ca含量過(guò)高會(huì)形成大顆粒夾雜物，最佳范圍是0.003%以下。

18、本發(fā)明的技術(shù)方案之二是提出一種低成本高品質(zhì)500?mpa級(jí)焊管用熱軋卷板的制造方法，包括冶煉、板坯連鑄、鑄坯加熱、軋制、冷卻、卷取，其特征是：

19、鑄坯加熱：連鑄板坯在500~850?℃溫度下直接進(jìn)行熱裝爐加熱，隨后經(jīng)步進(jìn)式加熱爐加熱至1120~1180?℃出爐。該加熱溫度范圍內(nèi)，nb元素已充分回溶，奧氏體晶粒由于ti(c、n)粒子在晶界的釘扎長(zhǎng)大不明顯，有利于獲得細(xì)小均勻的組織。

20、軋制：粗軋終軋溫度1010~1050?℃，軋制5道次，首單道次壓下率≥20%，其余4道次單道次壓下率≥22%，且壓下率逐步提高。精軋開軋溫度940~960?℃，終軋溫度740~780?℃，累計(jì)壓下率62%~66%。終軋的溫度范圍有利于nb析出，細(xì)化晶粒尺寸，提高強(qiáng)度和韌性；采用大的壓下率，可產(chǎn)生大量位錯(cuò)和孿晶，從而起到位錯(cuò)強(qiáng)化作用，顯著提高鋼的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度。

21、優(yōu)選，精軋中間坯厚度為40~60?mm，成品厚度為13~18?mm。

22、冷卻：軋后采用超快冷方式冷卻，終冷溫度430~480?℃，冷卻速度30~55?℃/s，最終轉(zhuǎn)變?yōu)獒槧铊F素體和m-a混合組織，該組織使最終產(chǎn)品有高強(qiáng)度、低屈強(qiáng)比和良好的低溫韌性。

23、卷?。撼炖浜蟛捎脧?qiáng)力卷取機(jī)卷取，卷筒張力系數(shù)為1.8~2.5，助卷輥壓力為420~550?mpa，導(dǎo)尺壓力為50~80?kn，卷筒漲速0.5倍，跳步圈數(shù)4~6，md超前率12~14，wr超前率15~16，pr超前率10~11，卷板卷形良好，無(wú)硬彎。

24、進(jìn)一步地，鐵水預(yù)處理后，采用頂吹或頂?shù)讖?fù)合吹煉工藝進(jìn)行轉(zhuǎn)爐冶煉，隨后進(jìn)行爐外精煉，爐外精煉采用rh真空處理、lf爐輕脫硫處理，之后進(jìn)行喂鈣線處理，為保證硫化物和氧化物夾雜的球化效果，喂線速度≥3.5?m/s，凈吹氬時(shí)間≥5?min，鎮(zhèn)靜時(shí)間≥10min。

25、進(jìn)一步地，板坯連鑄時(shí)全程保護(hù)澆注，采用電磁攪拌或動(dòng)態(tài)輕壓下，以減少連鑄坯中心偏析，鑄坯采取中等厚度190~210?mm，既可保證壓縮比，又可使鑄坯快速均勻熱透，減少能源消耗，節(jié)約成本。

26、應(yīng)用上述化學(xué)成分及工藝生產(chǎn)的焊管用熱軋卷板具備優(yōu)異的綜合性能，屈服強(qiáng)度為520~610?mpa、抗拉強(qiáng)度為620~720?mpa、斷后伸長(zhǎng)率≥32%、屈強(qiáng)比≤0.88、-60?℃沖擊功均值akv≥200?j、-40?℃落錘(dwtt)均值≥90%、硬度值(hv10)≤220、冷彎性能合格，可廣泛應(yīng)用于油氣輸送和海洋工程、核電、航空航天等特殊用途焊管。

27、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的成分設(shè)計(jì)采用低c-nb-v-ti系合金設(shè)計(jì)，同時(shí)復(fù)合添加稀土元素ce+la和廉價(jià)mg合金，減少或不添加貴重金屬，降低生產(chǎn)成本，同時(shí)通過(guò)添加mg、ce+la元素凈化鋼質(zhì)、細(xì)化晶粒組織并改善夾雜物，能夠顯著提升管線鋼的整體性能。此外，工藝上采用低溫精軋和軋后超快冷，獲得細(xì)小均勻的針狀鐵素體組織，以保證產(chǎn)品具有高強(qiáng)韌性以及良好的焊接性能，使其更加適用于各種復(fù)雜和極端的服役環(huán)境，在管道工程中具有更高的安全性。

28、本專利打破現(xiàn)有500mpa級(jí)焊管用鋼合金設(shè)計(jì)思路，同時(shí)復(fù)合添加稀土元素和廉價(jià)合金mg元素，在降低生產(chǎn)成本的同時(shí)通過(guò)mg、ce和la元素凈化鋼質(zhì)，細(xì)化晶粒組織和改善夾雜物等有助于提升管線鋼的整體性能，保證產(chǎn)品具有良好的強(qiáng)韌性能；此外，采用190~210mm中等鑄坯厚度、較低終軋溫度以及超快冷的冷卻方式，在保證產(chǎn)品具有足夠壓縮比的同時(shí)，充分發(fā)揮水代合金作用，從而達(dá)到降低成本，提高產(chǎn)品強(qiáng)韌性的目的。

29、本發(fā)明同現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果如下：

30、（1）打破現(xiàn)有500?mpa級(jí)焊管用鋼合金設(shè)計(jì)思路，復(fù)合添加稀土元素和廉價(jià)mg合金，通過(guò)其微合金化，減少nb、ti等貴重金屬使用量，降低生產(chǎn)成本；

31、（2）復(fù)合添加mg和稀土元素ce＋la，起到凈化鋼質(zhì)、細(xì)化夾雜物、改善夾雜物形態(tài)和分布、細(xì)化晶粒的作用，提升整體力學(xué)性能，在管道工程中具有更高的安全性；

32、（3）采用中等厚度連鑄坯190~210?mm，在保證壓縮比的同時(shí)，又可使連鑄坯快速均勻燒透，節(jié)能降耗、效率高、生產(chǎn)靈活性高；

33、（4）采用較低的終軋溫度和軋后超快速冷卻工藝，同時(shí)結(jié)合稀土元素及nb、ti元素的作用，得到較為細(xì)小均勻的針狀鐵素體組織，保證產(chǎn)品具有良好的強(qiáng)韌性能。