本发明属于无缝钢管制造技术领域，特别涉及一种高强韧性热轧无缝钢管及其制备方法。
背景技术：
无缝钢管广泛应用于建筑、能源、化工等工程领域，在经济社会生产和发展中具有重要作用。但是热轧无缝钢管在生产过程中，由于受到产品成型方法和设备工艺条件的限制，钢管的穿孔和轧制都在更高的温度下进行，不能实现如板带材中所采用的低温控制轧制。因此，热轧钢管的晶粒尺寸在变形过程中不能显著细化，往往产生粗大的相变组织类型，力学性能不能满足使用要求。目前，改善热轧钢管组织性能的方法一般包括添加大量合金、采用较低温轧制、进行离线热处理或在线热处理，这些方法均带来能源消耗增加和生产成本提高。
专利文件cn103882298a公开的一种x60输送管线用无缝钢管及其制造方法，采用低c+高mn+v、ti微合金化的合金设计，利用v、ti的碳化物来细化晶粒尺寸并起到析出强化作用，采用转炉冶炼+炉外精炼+方坯连铸+圆坯轧制的工艺路线，所述钢管具有0℃冲击韧性。该方案需要添加大量形成碳化物的v、ti合金，增加了合金成本，并且大量碳化物析出对低温韧性有不利影响。
专利文件cn1840287a公开的一种高强度高韧性管道用无缝钢管的制造方法，采用碳当量ceq为0.6以下的成分，钢管热轧后不经冷却至ar3以下就立即进行ar3+50℃至1100℃的炉内加热，钢管冷却后在550℃至ac1温度间进行回火。此工艺的目的是促进nb、v、ti微合金碳氮化物的析出强化作用，并需要淬火得到马氏体和贝氏体组织以及随后进行回火处理。
专利文件cn101045978a公开的一种无缝钢管的制造方法，在钢管热轧之后将其冷却至ar1相变点以下，然后再加热至ac3点以上进行加工，来提高强韧性能，增加了一道冷却和加热工序。
专利文件cn104190740a公开的一种热轧无缝钢管管坯的生产方法，在炼钢过程中采用低碱度酸性合成精炼渣精炼，采用无a1脱氧工艺，加入si-mn合金脱氧，轧制过程中荒管空冷至500℃以下再加热保温之后定径，利用在线热处理提高钢管性能。该方案中冶炼方法不能形成有利于组织细化的夹杂物类型，并且增加了一道冷却和加热工序。
专利文件cn103114249a公开的一种用控轧代替正火生产中厚壁20g无缝钢管的制造方法，在冶炼出钢过程中加入硅钙钡预脱氧，进行lf精炼喂硅钙丝脱氧，进行真空除气并加入铝丝，采用终轧温度850～950℃的控轧来提高钢管性能。该方案冶炼中不能得到有益的脱氧产物，并且降低终轧温度容易产生设备和工艺方面的问题。
通过对现有技术的分析，采用微合金碳氮化物析出的方法提高钢管性能时，一方面增加了合金成本，另外还需要进行特殊的轧制和热处理工艺控制，影响了生产节奏，并且大量析出物的强化作用不利于冲击韧性的提高。无论采用离线或在线热处理都增加了生产工序环节，降低了生产效率，提高设备能耗。可见，现有的热轧无缝钢管生产技术手段还不能满足同时实现高性能、低成本、高效率、低能耗制造的要求，对此仍需要进行深入研究。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明提供一种高强韧性热轧无缝钢管及其制备方法，解决了热轧无缝钢管显微组织粗大和强韧性能低下的问题，在不添加大量合金和免除热处理的条件下实现钢管强韧性的显著提高。
一种高强韧性热轧无缝钢管，其化学成分按质量分数为：c：0.06～0.20％，si：0.1～0.4％，mn：0.8～2.0％，p：0.005～0.015％，s：0.002～0.01％，ti：0.005～0.02％，al：0.005～0.02％，n：0.002～0.007％，o：0.001～0.005％，cr：0～0.5％，mo：0～0.5％，v：0～0.05％，b：0～0.002％，余量为fe和杂质元素，其中ti、al、o、n的质量分数满足关系式：2.5n≤ti+al-1.2×o≤5n；
所述的高强韧性热轧无缝钢管，钢中尺寸在0.2～5μm的夹杂物与尺寸5μm以上的夹杂物数量之比＞50，尺寸在0.3～3μm的含有al2tio5氧化物的夹杂物数量＞500个/mm2。
所述的高强韧性热轧无缝钢管，屈服强度为300～600mpa，-40℃冲击韧性≥100j，钢管显微组织为晶内铁素体和/或晶内贝氏体型组织。
一种高强韧性热轧无缝钢管的制备方法，具体步骤如下：
步骤1，冶炼：
(1)将铁水和/或废钢料熔炼成钢水，出钢过程中加入si、mn和al进行脱氧合金化，调节al含量至0.005～0.02％；
(2)对脱氧后钢水进行lf精炼，lf到站后送电升温、造白渣精炼，白渣保持时间10～15min，然后喂入ti-al-o包芯线，软吹惰性气体或氮气10～20min，生成微米级al2tio5氧化物；
(3)按高强韧性热轧无缝钢管的要求调整钢水成分并进行管坯连铸，采用全保护浇铸，钢水过热度为10～25℃，得到管坯；
步骤2，加热：
将管坯加热至1250～1300℃，加热时间30～240min；
步骤3，轧管：
(1)管坯经热定心和高压水除鳞后穿孔得到毛管，穿孔温度为1230～1270℃；
(2)毛管去除氧化皮后预穿芯棒进入轧管机轧制成荒管，终轧温度≥1050℃；
(3)荒管进入定减径机进行轧制，定减径出口温度≥980℃；
步骤4，冷却：
轧后钢管以2～10℃/s的冷速冷却至450℃以下，或以5～15℃/s的冷速冷至600～700℃之后空冷，得到高强韧性热轧无缝钢管。
上述高强韧性热轧无缝钢管的制备方法，其中：
所述步骤1中，当原料为废钢时，采用电炉冶炼，当原料为铁水时，采用转炉冶炼，当原料为和废钢的混合物时，采用电炉或转炉冶炼。
所述步骤1中，废钢为非合金或低合金废钢，废钢中pb、as、sb、bi、sn含量总和＜0.2wt.％，cu、ni、cr、mo含量分别＜0.5wt.％。
所述步骤1中，脱氧后钢水溶解氧＜15ppm。
所述步骤1中，喂入的ti-al-o包芯线由钛铁粉、铝粉和氧化铁粉混匀填充制成，其中钛铁粉占35～45wt.％、铝粉占8～12wt.％、氧化铁粉占45～55wt.％，喂线速度150～200m/min，使钢水中总氧量为20～60ppm。
所述步骤1中，使钢中尺寸为5μm以上的夹杂物数量＜105个/cm3，lf终点溶解氧为1～10ppm。
所述步骤1中，精炼周期50～70min。
所述步骤1中，精炼结束后向钢水中喂入100～200m硅钙线或硅镁线，喂线后软吹惰性气体或氮气6～15min。
所述步骤2中，采用环形加热炉对管坯进行加热。
所述步骤3中，荒管脱棒后直接装入加热炉中均热，装入温度＞ar3，均热温度1050～1250℃，均热时间5～15min，均热后再进行定减径轧制。
所述步骤4中，钢管进行450～550℃回火处理，保温30～90min。
本发明制备的高强韧性热轧无缝钢管的外径为100～500mm，壁厚为10～50mm。
上述的高强韧性热轧无缝钢管的制备方法，技术方案的设计思想为：
本发明在不添加大量合金、不采用低温控轧并省去后续热处理的条件下，通过对钢管化学组成、冶炼方法和轧管参数的特殊设计，使钢液中难以去除的氧化物夹杂变为有益第二相粒子，充分利用热轧钢管的特殊成型工艺，使得高温变形易导致晶粒粗化的这一不利条件成为促进微细晶内组织转变的有利因素，从而实现低成本高性能热轧无缝钢管的生产。本发明所采用技术方案的原理如下。
钢管化学成分采用中低含量的c-si-mn设计，利用廉价元素发挥强化作用，并且碳当量保持较低水平以提高焊接性能；p、s作为杂质元素，其上限的设定以不显著损害钢管性能为原则，同时为降低冶炼成本设定了下限含量；ti、al、n、o在本发明中作为相互制约的元素而需协调设计，即需同时满足(wt.％)：ti：0.005～0.02％，al：0.005～0.02％，n：0.002～0.007％，o：0.001～0.005％，以及2.5n≤ti+al-1.2×o≤5n；在满足这一成分设计时，可获得有利的氧化物和氮化物分布，使钢中有害的夹杂物变成促进组织细化的有益第二相粒子，并降低固溶氮对韧性的不利影响；当钢中尺寸在0.3～3μm的含有al2tio5氧化物的夹杂物数量＞500个/mm2时，并且控制尺寸在0.2～5μm的夹杂物与尺寸5μm以上的夹杂物数量之比＞50，可最大程度地发挥夹杂物对组织和性能的改善作用。
在冶炼、精炼和管坯连铸流程中，采用常规脱氧合金化手段难以获得上述所需的特殊夹杂物分布，所以采用本方案冶炼方法，通过改变喂线方式和关键参数控制，形成有利的夹杂物分布。管坯在较高温度下加热、穿孔，并在高温下完成轧制和定径，高温变形时形成粗化的奥氏体晶粒，在常规钢材中极易导致粗大相变组织的形成，强韧性能恶化。而本方案中利用粗化奥氏体晶粒这一因素，通过上述特殊的夹杂物促进晶内铁素体或贝氏体组织转变，使得对常规钢材而言不利的高温变形条件成为本方案中的有利因素。所生成的晶内转变组织晶粒细小，可同时实现强度和韧性的提高，能够达到甚至优于二次热处理的性能改善效果。
本发明的一种高强韧性热轧无缝钢管及其制备方法，与现有技术相比，其优点及有益效果为：
1、本发明通过形成特殊夹杂物分布和改进钢管轧制工艺，在线获得微细晶内转变组织，避免了常规钢管采用正火和析出强化在提高强度时对低温韧性和焊接性能的不利影响，可实现钢管强韧性能和焊接性能的综合提高。
2、本发明不采用常规的低温控制轧制，而采用高温轧制变形，并可省掉轧制过程中的冷却和加热相变，改善了生产条件，降低了工艺难度，减低设备运行压力，利于生产节奏的控制和生产效率的提高。
3、本发明解决了传统热轧钢管组织性能的改善依赖于大量添加合金和采用在线或离线热处理的现状，实现了热轧无缝钢管高性能、低成本、高效率、绿色化制造。
附图说明
图1本发明实施例7制备的热轧无缝钢管典型显微组织。
具体实施方式
下面通过实施例详细介绍本发明方案的具体实施方式。
一种高强韧性热轧无缝钢管，其化学成分按质量分数为：c：0.06～0.20％，si：0.1～0.4％，mn：0.8～2.0％，p：0.005～0.015％，s：0.002～0.01％，ti：0.005～0.02％，al：0.005～0.02％，n：0.002～0.007％，o：0.001～0.005％，cr：0～0.5％，mo：0～0.5％，v：0～0.05％，b：0～0.002％，余量为fe和杂质元素，其中ti、al、o、n的质量分数满足关系式：2.5n≤ti+al-1.2×o≤5n，各实施例的化学成分如表1所示。
一种高强韧性热轧无缝钢管的制备方法，具体步骤如下：
步骤1，冶炼：
(1)将铁水通过电炉熔炼成钢水，出钢过程中加入si、mn和al进行脱氧合金化，调节al含量，钢中溶解氧、脱氧后al含量如表3所示；
(2)对脱氧后钢水进行lf精炼，lf到站后送电升温、造白渣精炼，白渣保持时间如表3所示，然后喂入ti-al-o包芯线，软吹氩时间、钢水总氧量如表3所示，生成微米级al2tio5氧化物，使各实施例钢中夹杂物分布如表2所示；
(3)按高强韧性热轧无缝钢管的要求调整钢水成分并进行管坯连铸，具体成分如表1所示，精炼结束后，lf终点溶解氧如表3所示，采用全保护浇铸，钢水过热度如表3所示，得到管坯；
步骤2，加热：
将管坯在环形加热炉内加热并保温，具体参数如表4所示；
步骤3，轧管：
(1)管坯经热定心和高压水除鳞后穿孔得到毛管，穿孔温度如表4所示；
(2)毛管去除氧化皮后预穿芯棒进入轧管机轧制成荒管，终轧温度如表4所示；
(3)荒管进入定减径机进行轧制，定减径出口温度如表4所示；
步骤4，冷却：
轧后钢管经过水冷之后空冷，得到高强韧性热轧无缝钢管，冷却速度及终冷温度如表4所示。
本发明制备的高强韧性热轧无缝钢管，其其外径、壁厚、屈服强度、-40℃冲击韧性如表5所示，所发明钢管具有优良的强韧性能。
表1本发明各实施例的化学成分(wt.％)
表2各实施例中夹杂物分布特征
表3各实施例的冶炼参数
表4本发明各实施例的轧管工艺参数
表5各实施例热轧无缝钢管的规格尺寸和力学性能
图1所示为实施例7制备的热轧无缝钢管典型显微组织，可以看出，不同于常规热轧钢管中铁素体加珠光体组织，实施例在所述工艺下获得了晶内铁素体和晶内贝氏体型的微细组织，晶粒尺寸细化均匀，利于强韧性的显著提高。