一种通过织构控制来提高x80管线钢低温冲击韧性的轧制方法
技术领域
本发明属于钢铁材料领域，具体涉及一种通过织构控制来提高X80管线钢低温冲击韧性的轧制方法。
背景技术
管线输送是长距离输送石油、天然气最经济、高效、安全和环保的运输方式。20 世纪80年代以来，天然气管线铺设的增长速度已经超过石油等液体输送管线的增长速度，并呈不断增长的趋势。目前，全世界管道总长度已超过280多万公里，并以平均每年超过5000km左右的速度增长，每年用于管道建设的工程投资达400亿美元。
管道运输以便捷、经济和安全的特点用于高压、长距离输送石油和天然气。近几年来，高钢级、大口径管线钢被应用于长距离输送，以提高输送效率，节约经济成本。我国在高等级管线钢研究和应用方面实现了跳跃式发展，实现了从X52发展到X70 再到X80级别管线钢的开发与应用。
由于全世界对能源需求的不断增加，人们正在偏远地区寻找和开发新的油气田，与此相配套的管道多是在气候恶劣、人烟稀少、地质地貌极其复杂的地区建设。如美国横穿阿拉斯加的管道，途径冰冻土地区，气温低达-70℃。近年来我国正进一步加快“东北、西北、西南、海上”四大油气能源战略通道建设。其中，东北、西北通道途经高寒地区，严酷的低温施工和服役条件要求管道必须具备优良的低温韧性。我国在高钢级、厚规格管线钢等方面已取得长足进步，但适用于高寒地区的高钢级管线钢领域尚属空白，亟待开发，以满足我国油气开采与储运发展的迫切需求，保障国家能源发展战略安全实施。
只有具备优良的韧性，才能防止输气管道爆破等灾难性事故的发生，从而保证低温环境下安全输送能源。管道韧性断裂行为是管道设计中保障管线钢在高压环境安全工作的首要考虑的问题。在钢铁工业中，常用夏比冲击试验和落锤撕裂试验来表征钢的韧性断裂抗力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通过织构控制来提高X80管线钢低温冲击韧性的轧制方法，可以通过获得细小均匀的组织和较高强度的有利织构来提高X80管线钢低温冲击韧性，在满足X80强度级别基础上提高了管线钢的低温韧性，使其在低温高压环境下能够安全地输送能源。
本发明的技术方案是：
一种通过织构控制来提高X80管线钢低温冲击韧性的轧制方法，包括如下步骤：
(1)加热：经锻造后直接加热到1150～1200℃，保温1～2小时；
(2)再结晶区轧制：开轧温度1000～1050℃，累计压下量55～65％；
(3)非再结晶区轧制：开轧温度900～930℃，终轧温度780～800℃，累计压下量60～65％；
(4)控制冷却：控制冷却分为两个阶段，首先在轧后空气中冷却至700～720℃，之后再以15～20℃/s控制冷却，终冷温度400～450℃。
所述的通过织构控制来提高X80管线钢低温冲击韧性的轧制方法，X80管线钢的微观组织为细小的针状铁素体组织，有效晶粒尺寸小于2.5μm。在微观组织中拥有较高强度的有利织构{332}<113>，按体积百分比计，微观组织中织构{332}<113>含量为 7～10％。组织中拥有较低含量的{001}解理面，按体积百分比计，平行于断面的{001} 面含量为5～10％；以及拥有较高含量的{110}滑移面，按体积百分比计，平行于断面的{110}面含量为32～40％。
所述的通过织构控制来提高X80管线钢低温冲击韧性的轧制方法，X80管线钢的屈服强度达到555MPa以上，抗拉强度达到680MPa以上，断后伸长率20～25％，断面收缩率75～80％，-80℃冲击吸收功达到290J以上。
所述的通过织构控制来提高X80管线钢低温冲击韧性的轧制方法，按重量百分比计，X80管线钢的化学成分如下：
C：0.030～0.070％；Si：0.10～0.35％；Mn：1.5～1.8％；Cu：0.05～0.35％；Ni：0.05～0.35％；Mo：0.10～0.30％；Cr：0.05～0.35％；Nb：0.03～0.09％；Ti：0.01～0.03％；P≤0.0150％；S≤0.0050％；余量为Fe。
本发明的设计思想是：
多晶体取向分布偏离了随机，朝某个或某些方向集中分布，这种择优取向的多晶体结构就叫做织构。在经过控制轧制和控制冷却的钢板中会产生强烈的织构。对于管线钢来说，影响材料低温冲击韧性的因素较为复杂，除晶粒尺寸和组织类型对材料的低温冲击韧性有影响外，织构的类型和强度对低温冲击韧性也有影响，由于织构的研究相对复杂且有难度，通常管线钢研究者会避开这一研究方向。本发明依据平行于断口表面的{110}滑移面和{001}解理面可以显著影响材料的低温冲击韧性这一特性：{001}面在bcc结构中更有利于解理断裂，而{110}面能起到一个积极的作用， {332}<113>织构不仅可以减小各向异性，而且有利于提高低温韧性。在轧制过程中，终轧后的冷却速度对织构的分布和强度有一定的影响，本发明通过对冷却阶段的空冷 +水冷的分段冷却，在轧制钢板组织中形成较高强度的有利织构{332}<113>，较低含量的{001}解理面和较高含量的{110}滑移面来改善低温冲击韧性。
本发明的优点及有益效果是：
1、本发明以现有X80管线钢成分的铸坯为原料，经过锻造后，采取低的终轧温度和较快冷却速度，结合Nb、Ti等元素作用，有效晶粒尺寸小于2.5μm。
2、本发明采用轧后空冷+水冷的冷却工艺，在钢板中得到较高强度的织构分布，利用较高强度的有利织构{332}<113>，较低含量的{001}解理面和较高含量的{110}滑移面来改善低温冲击韧性。在强度满足X80强度级别的同时，-80℃冲击吸收功达290J 以上。
附图说明
图1为实施例1的钢板显微组织形貌图，显微组织为细小的针状铁素体。
图2为实施例2的钢板显微组织形貌图，显微组织为细小的针状铁素体。
图3为对比例1的钢板显微组织形貌图，显微组织为细小的针状铁素体。
图4为实施例1的钢板电子背散射衍射(EBSD)结果处理得到的组织中的大角度晶界分布图，根据该图计算得到的有效晶粒尺寸为2.39μm。
图5为实施例2的钢板组织中的大角度晶界分布图，根据该图计算得到的有效晶粒尺寸为2.25μm。
图6为对比例1的钢板组织中的大角度晶界分布图，根据该图计算得到的有效晶粒尺寸为2.30μm。
图7为实施例1的钢板平行于断口平面的{001}面分布图。
图8为实施例2的钢板平行于断口平面的{001}面分布图。
图9为对比例1的钢板平行于断口平面的{001}面分布图。
图10为实施例1的钢板平行于断口平面的{110}面分布图。
图11为实施例2的钢板平行于断口平面的{110}面分布图。
图12为对比例1的钢板平行于断口平面的{110}面分布图。
图13为实施例1的ODF(orientation distribution function)(φ2＝45°)图。
图14为实施例2的ODF(orientation distribution function)(φ2＝45°)图。
图15为对比例1的ODF(orientation distribution function)(φ2＝45°)图。
图16为欧拉空间φ2＝45°截面的上的主要织构分布图。
具体实施方式
在具体实施过程中，本发明以现有X80管线钢成分的铸坯为原料，经过锻造后，控制TMCP过程中的轧制和冷却工艺参数得到的管线钢板具有良好的拉伸和低温冲击性能。进一步对实施例的热轧钢板进行组织结构和织构的分析，采用再结晶区和非再结晶区两阶段控制轧制，在轧后的冷却阶段中，采用空冷+水冷两阶段的冷却，实施例的热轧钢板组织均为细小的针状铁素体组织，有效晶粒尺寸小于2.5μm。实施例的钢板组织中获得了高强度的有利织构{332}<113>，且平行于冲击断口的平面拥有较低含量的{001}解理面和较高含量的{110}滑移面，从而进一步提高了低温冲击韧性。
其中，TMCP工艺是指热机械控制工艺(Thermo Mechanical Control Process)，热轧过程中，在控制加热温度、轧制温度和压下量的控制轧制(CR Control Rolling)的基础上，实施控制冷却(加速冷却/ACC：Accelerated Cooling)。
下面，通过实施例和附图对本发明进一步详细阐述。
实施例1
表1实施例1钢板的化学成分(wt％，余量为Fe)
C
Si
Mn
P
S
Nb
Ti
Ni
Cr
Cu
Mo
0.047
0.19
1.74
0.010
0.002
0.057
0.017
0.25
0.30
0.20
0.25
本实施例中，将铸坯锻造成厚度为80mm的钢坯，直接加热到1150℃，保温1 小时；保温后通过TMCP轧制成钢板，钢板的TMCP工艺如表2所示。
表2实施例1钢板的TMCP工艺
经过检测，本实施例钢板的拉伸和冲击性能如表3所示。
表3实施例1钢板的拉伸和低温冲击性能
在轧板上切取金相试样，对纵截面进行磨制、抛光后，用浓度3wt％的硝酸酒精腐蚀，采用光学显微镜对显微组织进行观察。如图1所示，X80管线钢板显微组织为细小的针状铁素体组织。如图4所示，对纵截面进行EBSD分析，对数据处理后得到大角度晶界分布图，计算可得有效晶粒尺寸为2.39μm。如图7和图10所示，对晶体学取向进行分析，统计得出在实施例1钢板组织中，平行于断面的{001}面含量为7.8％ (体积百分数)，平行于断面的{110}面含量为35.5％(体积百分数)。如图13和图16 所示，组织中的{332}<113>织构强度很高，含量为8.5％(体积百分数)。并且由表3 可知，实施例1钢板的强度达到X80级别，低温冲击韧性良好，在-80℃时还拥有299J 的冲击吸收功。
实施例2
表4实施例2钢板的化学成分(wt％，余量为Fe)
C
Si
Mn
P
S
Nb
Ti
Ni
Cr
Cu
Mo
0.05
0.25
1.60
0.012
0.003
0.070
0.010
0.18
0.22
0.16
0.13
本实施例中，将铸坯锻造成厚度为80mm的钢坯，直接加热到1160℃，保温1 小时；保温后通过TMCP轧制成钢板，钢板的TMCP工艺表5所示。
表5实施例2钢板的TMCP工艺
经过检测，本实施例钢板的拉伸和冲击性能如表6所示。
表6实施例钢板的拉伸和低温冲击性能
如图2所示，显微组织为细小的针状铁素体组织。大角度晶界分布如图5所示，计算可得有效晶粒尺寸为2.25μm。如图8和图11所示，统计得出在实施例2钢板组织中，平行于断面的{001}面含量为8.2％(体积百分数)，平行于断面的{110}面含量为33％(体积百分数)。如图14和图16所示，组织中的{332}<113>织构强度很高，含量为7.2％(体积百分数)。表6的性能数据表明，实施例2钢板的强度达到了X80 级别，低温冲击韧性良好，在-80℃时的冲击吸收功高达303J。
对比例1
表7对比例1钢板的化学成分(wt％，余量为Fe)
C
Si
Mn
P
S
Nb
Ti
Ni
Cr
Cu
Mo
0.04
0.20
1.50
0.008
0.003
0.060
0.020
0.30
0.10
0.10
0.30
本对比例中，将铸坯锻造成厚度为80mm的钢坯，直接加热到1200℃，保温1 小时；保温后通过TMCP轧制成钢板，钢板的TMCP工艺表8所示。
表8对比例1钢板的TMCP工艺
经过检测，本对比例钢板的拉伸和冲击性能如表9所示。
表9对比例钢板的拉伸和低温冲击性能
如图3所示，显微组织为细小的针状铁素体组织。大角度晶界分布如图6所示，计算可得有效晶粒尺寸为2.30μm。如图9和图12所示，统计得出在实施例2钢板组织中，平行于断面的{001}面含量为12.8％(体积百分数)，平行于断面的{110}面含量为26.0％(体积百分数)。如图15和图16所示，组织中的{332}<113>织构强度较低，含量为3.0％(体积百分数)。从表3、表6和表9对比得到，按照本发明的分为两阶段冷却的TMCP工艺轧制的管线钢在满足X80的强度级别的同时，低温冲击功得到了提高。
实施例和对比例结果表明，按照本发明的分为两阶段冷却的TMCP工艺轧制的管线钢除晶粒尺寸细小外，还拥有较高强度的有利织构{332}<113>，较低含量的{001} 解理面和较高含量的{110}滑移面，从而进一步提高了低温冲击韧性，在满足X80的强度级别的同时，有良好的低温冲击韧性。
