熱軋X70管線鋼卷的研制*

朱延山(山東鋼鐵集團(tuán)有限公司)

熱軋X70管線鋼卷的研制*

朱延山(山東鋼鐵集團(tuán)有限公司)

研究了濟(jì)鋼ASP產(chǎn)線X70管線鋼的生產(chǎn)工藝及性能。研究表明:將管線鋼的C控制在0.07%以內(nèi)，并適當(dāng)添加Nb、Ti等微合金元素，P、S控制在0.010%和0.005%以下，采用TMCP工藝，可以獲得高強(qiáng)韌的針狀鐵素體性管線鋼卷，各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

微觀組織 性能 X70管線鋼卷 ASP Nb微合金化

0 引言

近年來(lái)隨著石油天熱氣用量的增大，管線的輸送壓力及輸送管徑也不斷增加，對(duì)管線用鋼的高強(qiáng)韌性要求越來(lái)越高［1］。且隨著冶金技術(shù)及設(shè)備的發(fā)展，采用傳統(tǒng)熱連軋工藝已成功軋制了X65－X80高等級(jí)管線鋼，并得到了大規(guī)模的應(yīng)用。然而，由于ASP工藝采用中薄板坯，與傳統(tǒng)熱連軋工藝相比冶金動(dòng)力學(xué)發(fā)生了改變，壓縮比較傳統(tǒng)熱連軋也小得多，所以ASP工藝軋制高等級(jí)管線鋼時(shí)成分工藝均發(fā)生了較大的改變。

自2006年始，濟(jì)鋼熱軋產(chǎn)線即進(jìn)行了含Nb管線鋼X70研制開(kāi)發(fā)。結(jié)合ASP的產(chǎn)線特點(diǎn)，進(jìn)行了一系列成分工藝的研究，并詳細(xì)研究X70管線鋼的相變規(guī)律。通過(guò)研究，濟(jì)鋼ASP熱連軋產(chǎn)線成功研制X70管線鋼卷，經(jīng)用戶使用各項(xiàng)性能均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

1 X70管線鋼卷的技術(shù)要求特點(diǎn)

管線鋼因?yàn)槭褂脳l件的特殊性，不但要求較高的強(qiáng)韌性配比，而且對(duì)碳當(dāng)量、DWTT落錘撕裂面積、V型沖擊功、硬度、帶狀組織、夾雜物及化學(xué)成分等方面均有要求，西氣東輸工程大量使用X70管線鋼作為城市管網(wǎng)作為主干線，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

西氣東輸二線隊(duì)管線鋼卷的技術(shù)條件見(jiàn)表1、表2、表3及表4。

從西氣東輸二線的技術(shù)要求可以看出，X70管線鋼卷不但要求較低的磷硫含量，而且對(duì)碳當(dāng)量也有要求，要求較高的鋼質(zhì)純凈度。X70管線鋼卷采用TMCP工藝軋制，適當(dāng)添加Nb、V、Ti微合金元素細(xì)化晶粒，同時(shí)添加Mo、Cr等易淬透性合金元素，以便得到針狀貝氏體組織。

表1 熔煉分析和產(chǎn)品分析要求(max) wt%

表2 在－20℃ 下夏比沖擊韌性要求

表3 拉伸性能

表4DWTT(落錘撕裂試驗(yàn))剪切面積要求

2 生產(chǎn)工藝流程

X70管線鋼卷在濟(jì)鋼1700ASP軋機(jī)上進(jìn)行試制，結(jié)合西氣東輸二線的技術(shù)要求及濟(jì)鋼的實(shí)際冶煉水平，X70管線鋼的成分設(shè)計(jì)采用低C、低P、低S和Nb、Ti微合金化的原則。同時(shí)根據(jù)含Nb管線鋼的特點(diǎn)，合理設(shè)計(jì)加熱軋制溫度，增加Nb的固溶含量，并避免混晶區(qū)軋制［2］，如圖1所示。

圖1 ASP產(chǎn)線Nb微合金鋼軋制原則

具體生產(chǎn)工藝流程:KR鐵水預(yù)處理→頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐冶煉→CAS→LF精煉→RH→ASP連鑄→板坯檢驗(yàn)→加熱→高壓水除鱗→粗軋→精軋→層流冷卻→卷取→檢驗(yàn)→入庫(kù)。

3 試制結(jié)果及分析

3.1 X70管線鋼卷的成分

為了保證X70管線鋼的強(qiáng)度、落錘及焊接性能，成分設(shè)計(jì)采用了低碳成分設(shè)計(jì)，并適當(dāng)添加了Nb、V、Ti等微合金元素，P控制在0.010%以下，S控制在0.005%以下。管線鋼卷X70的熔煉成分見(jiàn)表5。

表5 管線鋼卷X70熔煉成分wt%

對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中熔煉成分的進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖2所示。

圖2 X70實(shí)際冶煉成分

由圖2可以看出，P、S的都控制在較低的水平，P控制在0.010%以下，S大部分控制在0.005%以下，C控制在0.06%～0.08%范圍內(nèi)，冶煉較為穩(wěn)定。

3.2 X70管線鋼卷的性能

3.2.1 力學(xué)性能

濟(jì)鋼ASP工藝生產(chǎn)的管線鋼卷X70的試制生產(chǎn)過(guò)程中的200個(gè)批次的機(jī)械性能統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見(jiàn)表6，其性能正態(tài)分布圖如圖3所示。

表6 管線鋼卷X70的機(jī)械性能

圖3 X70管線鋼性能分布

由表6、圖3可以看出，濟(jì)鋼ASP工藝生產(chǎn)的X70管線鋼卷屈服強(qiáng)度大部分集中在530 MPa～560 MPa左右，抗拉強(qiáng)度集中在590 MPa～630 MPa之間，延伸率基本都在40%以上，屈強(qiáng)比控制在0.90以下，力學(xué)性能均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

沿長(zhǎng)度方向在不同位置取樣后測(cè)試的性能如圖4所示。由圖4可以看出，X70鋼卷的屈服強(qiáng)度在530 MPa～580 MPa左右，抗拉強(qiáng)度在610 MPa～630 MPa之間，整卷抗拉強(qiáng)度差小于20 MPa，強(qiáng)度分布均勻，說(shuō)明此工藝生產(chǎn)的管線鋼卷沿長(zhǎng)度方向性能穩(wěn)定。

圖4 鋼卷不同位置的強(qiáng)度

3.2.2 沖擊性能

濟(jì)鋼ASP工藝生產(chǎn)的X70鋼卷的夏比沖擊和落錘(DWTT)的性能結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 落錘及沖擊性能

因?yàn)椴捎玫虲、低P、S的成分設(shè)計(jì)及采用控制軋制與控制冷卻工藝，X70鋼卷具有較好的低溫沖擊韌性，在沖擊溫度－20℃時(shí)，沖擊功超過(guò)240 J;系列低溫沖擊實(shí)驗(yàn)表明(如圖5所示)，在－40℃下的夏比沖擊功大于200 J。因而，采用ASP工藝生產(chǎn)的X70鋼卷低溫沖擊性能指標(biāo)優(yōu)異，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖5 系列低溫沖擊試驗(yàn)

3.2.3 落錘性能

－15℃時(shí)1號(hào)試樣落錘SEM圖像如圖6所示。

圖6 －15℃的落錘斷口及微觀組織

由圖6可以看出，落錘剪切斷口為典型的韌性斷裂，斷口呈現(xiàn)大量韌窩，韌窩尺寸較小，比較淺，總體上比較均勻，DWTT性能較好。－15℃時(shí)DWTT剪切面積大于90%。

3 X70管線鋼卷微觀組織分析

X70管線鋼為了保證低溫韌性及焊接性能，采用低C成分設(shè)計(jì)，通過(guò)添加合金元素及控制軋制及控制冷卻工藝，獲得細(xì)小均勻的針狀鐵素體組織，從而得到良好的強(qiáng)韌性能。X70管線鋼卷的金相組織如圖7所示。

圖7 X70管線鋼卷微觀組織

由圖7可以看出，X70管線鋼卷為不規(guī)則非等軸晶粒，晶界不明顯，粒度大小不一，呈典型針狀鐵素體組織［3－4］。

X70管線鋼的顯微結(jié)構(gòu)TEM形貌如圖8所示，利用萃取復(fù)型方法觀察X70鋼卷中析出相TEM形貌如圖9所示。

圖8 X70顯微組織

圖9 X70析出相TEM圖片

由圖8可以看出，X70管線鋼的為非平行的、長(zhǎng)短不一的板條束，取向比較 雜亂，板條內(nèi)部具有細(xì)微亞結(jié)構(gòu)及高密度位錯(cuò)。板條束之間分布有細(xì)小的M－A島。由圖9可以看出X70管線鋼卷中的析出物呈橢圓形、圓形或方形粒子，尺寸范圍在30nm～200nm不等，這些析出相粒子彌散分布。析出物的能譜圖如圖10所示。

圖10 X70管線鋼卷的微觀組織及TEM照片集能譜

由圖10能譜可以看出，其主要化學(xué)成分為Nb、Ti析出物或Nb、Ti的復(fù)合析出物。大量彌散析出的NbC、TiC析出相，抑制了X70管線鋼晶粒的長(zhǎng)大，使其金相組織非常細(xì)小，同時(shí)針狀鐵素體內(nèi)部高密度位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)都有效的提高了X70管線鋼的強(qiáng)度。金相分析表明，X70管線鋼卷的晶粒度達(dá)到11～11.5級(jí)，保證了鋼卷具有良好的強(qiáng)度和韌性。

4 結(jié)論

1)濟(jì)鋼1700 mm產(chǎn)線采用ASP工藝研制開(kāi)發(fā)的X70管線鋼卷，成分穩(wěn)定，潔凈度高，P、S分別控制在0.010%和0.005%以下。

2)ASP工藝生產(chǎn)的X70鋼卷顯微組織以針狀鐵素體為主，并有少量的M－A組織。鋼卷具有良好的強(qiáng)度和韌性，滿足X70標(biāo)準(zhǔn)要求;整卷性能穩(wěn)定，同卷強(qiáng)度差小于20 MPa。

［1］李鶴林.天然氣輸送鋼管研究與應(yīng)用中的幾個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題［J］.焊管，2000，23(3):43 －48.

［2］黃國(guó)建，張英慧，黃明浩等.經(jīng)濟(jì)型X70管線鋼熱軋厚卷板的研制［J］.鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2010，18(5)，51 －54.

［3］ZP Zhao，ZM Wang，HM Zhang，LF Qiao.Effect of deformation and cooling rate on the transformation behavior and microstructure of X70 steels.Journal of University of Science and Technology Beijing，Mineral，Metallurgy，Material，14(5)(2007)410 －413.

［4］SY Shin，BC Hwang，S Kim，S Lee.Fracture toughness analysis in transition temperature region of API X70 pipeline steel.Materials Science and Engineering，A429(2006)196 －204.

RESEARCH AND DEVELOPMENT OF HOT－ROLLED X70 PIPELINE STEEL

Zhu Yanshan
(Shandong Iron and Steel Group Co.，Ltd)

The production technology and mechanical properties of X70 pipeline strip produced by ASP continuous casting and rolling line in Jinan Steel was introduced.The results showed that C content was below 0.07%，P and S contents were respectively below 0.010%and 0.005%，Nb and Ti etc microalloying elements were added reasonably.Acicular ferrite pipe coil with high toughness could be achieved from TMCP process and various mechanical properties met the standard requirements.

microstructure property X70 pipe coilASP Nb microalloying

2012—3—14