天鐵X70管線鋼的研制開發(fā)

羅繼鋒

（天津天鐵冶金集團(tuán)熱軋板有限公司，河北涉縣 056404）

天鐵X70管線鋼的研制開發(fā)

羅繼鋒

（天津天鐵冶金集團(tuán)熱軋板有限公司，河北涉縣 056404）

介紹了天鐵熱軋板公司X70管線鋼的研制開發(fā)過程，闡述了微合金化的成分設(shè)計(jì)、控軋控冷工藝對鋼的微觀組織及力學(xué)性能的影響。實(shí)驗(yàn)表明天鐵熱軋生產(chǎn)的X70管線鋼具有優(yōu)良的微觀組織、穩(wěn)定的力學(xué)性能，良好的低溫沖擊韌性及優(yōu)異的焊接性能，滿足了西氣東輸二線輸氣管道工程用X70熱軋板卷技術(shù)要求。

管線鋼；微合金化；針狀鐵素體；控軋控冷

1 引言

天鐵熱軋板公司為了適應(yīng)市場發(fā)展，利用1 750mm熱軋機(jī)組成功研制開發(fā)了X70級管線用鋼。該產(chǎn)品采用低C-Mn-Mo-Nb系的成分設(shè)計(jì)，通過控軋控冷的工藝手段，得到針狀鐵素體組織。經(jīng)檢驗(yàn)，天鐵熱軋生產(chǎn)的X70管線鋼具備高的強(qiáng)度和較低的屈強(qiáng)比，高的韌性，低的脆性轉(zhuǎn)變溫度，高的動態(tài)撕裂剪切面積，高的抗H2S腐蝕性能，低的“分離”斷口傾向，具有良好的焊接性能。

2 工藝流程及成分設(shè)計(jì)

2.1 工藝流程

鐵水預(yù)處理→180t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐冶煉→LF精煉→連鑄→板坯加熱→粗軋→精軋→層流冷卻→卷取→板卷檢驗(yàn)→打包出廠。

2.2 成分設(shè)計(jì)

天鐵X70管線鋼以西氣東輸二線輸氣管道工程用X70熱軋板卷技術(shù)條件要求為依據(jù)，鋼種選用針狀鐵素體組織型管線鋼，化學(xué)成分以低碳、低硫磷和Nb、V、Ti、Mo等微合金化的成分設(shè)計(jì)。為了得到針狀鐵素體型組織，根據(jù)設(shè)備能力，應(yīng)保證Mn、Mo等合金元素的最小添加量。其關(guān)鍵成分控制如下：

2.2.1 碳

研究表明，當(dāng)w（C）≥0.06%時，鋼板在軋后冷卻過程中直接由γ轉(zhuǎn)變?yōu)楦鞣N形態(tài)的F，而不發(fā)生γ向F+Fe3C的兩相轉(zhuǎn)變。當(dāng)w（C）≤0.06%時，更易得到AF，而AF具有極佳的韌性和極佳的可焊性[1]。因此，將天鐵X70碳含量設(shè)計(jì)為w（C）≤0.06%。

2.2.2 錳

錳是低合金高強(qiáng)度鋼的基礎(chǔ)元素，可起到固溶強(qiáng)化的作用。高M(jìn)n促進(jìn)針狀鐵素體形核，高M(jìn)n/C比可提高屈服強(qiáng)度和沖擊韌性，因此降低析出碳化物尺寸，促進(jìn)沉淀強(qiáng)化效應(yīng)。

2.2.3 鉬

鉬使鐵素體和珠光體區(qū)域右移，降低奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變溫度，抑制多邊形鐵素體和珠光體形核，促進(jìn)高密度位借亞結(jié)構(gòu)的針狀鐵素體的形成；在軋后冷卻過程中可避免形成馬氏體，而形成微細(xì)結(jié)構(gòu)的貝氏體和針狀鐵素體，從而導(dǎo)致良好的延性；抵消包辛格效應(yīng)，提高管材屈服強(qiáng)度。

2.2.4 鈮

起到晶粒細(xì)化和沉淀強(qiáng)化作用，從而獲得高強(qiáng)度與高韌性的力學(xué)性能合理匹配，提高再結(jié)晶溫度，實(shí)現(xiàn)高溫軋制。

2.2.5 銅和鎳

在合金元素中，唯有Cu對氫致裂紋的作用最明顯。將w（Cu）≤0.40%加入管線鋼中，能明顯提高鋼的抗HIC（氫致裂紋）能力[2]。Ni可顯著提高管線鋼的低溫韌性，同時與Cu配合使用，當(dāng)Cu/Ni≤1時，可防止Cu脆的發(fā)生。

根據(jù)上述元素的作用并結(jié)合X70管線鋼的性能組織要求，設(shè)計(jì)了X70管線鋼的化學(xué)成分，見表1。

表1 天鐵X70管線鋼化學(xué)成分 /%

3 生產(chǎn)工藝及控制

3.1 冶煉與連鑄工藝

鐵水脫硫預(yù)處理環(huán)節(jié)使 [S]≤0.005%～0.010%，扒凈脫硫渣。鐵水帶渣＜0.5%，要求廢鋼為優(yōu)質(zhì)廢鋼，[S]≤0.050%；轉(zhuǎn)爐冶煉過程采用單渣操作，要求早化渣，化好渣，避免中后期返干嚴(yán)重。初期造渣劑加入量為總渣量1/2，初期渣R=1.6～1.8，禁止前期“冷行”操作，二批料少量多批加入。保證前期早化渣，中期渣不返干，末期（底吹）強(qiáng)攪拌，造好高堿度、高FeO爐渣充分去P；保證下限溫度出鋼，出鋼時做好擋渣出鋼，防止下渣回P。轉(zhuǎn)爐要求一次倒?fàn)t，避免補(bǔ)吹和過氧化。控制出鋼時間不大于5 min。LF爐造好高堿度還原性白渣，并保持足夠時間。精煉結(jié)束后，必須保證Als≥0.03%；LF結(jié)束喂入Si-Ca線2.5～3 m/t鋼，喂線結(jié)束后“軟吹”時間≥15 min。

連鑄澆鋼過程中,穩(wěn)定拉速是關(guān)鍵。為了避免結(jié)晶器液面波動過大導(dǎo)致的卷渣，采用結(jié)晶器液面自動控制技術(shù)，使液面波動在±5 mm范圍內(nèi)；同時，為了控制鋼液中的氣體含量，澆鑄全程采用保護(hù)澆鑄技術(shù)，并利用動態(tài)輕壓下技術(shù)，改善板坯中心偏析。此外，還采用中間包冶金措施，深熔池、雙擋墻加湍流控制器，并加堿性中間包覆蓋劑。嚴(yán)格禁止中間包低溶劑液面操作。結(jié)晶器采用弱冷卻：結(jié)晶器進(jìn)水溫度≥25℃；進(jìn)出水溫差為8～10℃；結(jié)晶器采用包晶鋼或低碳鋼專用保護(hù)渣；優(yōu)化結(jié)晶器流場，結(jié)晶器液面采用自動控制，防止結(jié)晶器卷渣；結(jié)晶器振動頻率采用高頻小振幅；采用低過熱度澆注，其過熱度值為15～25℃。

對管線鋼中有害夾雜物的控制，主要是通過控制鋼中硫及全氧含量來實(shí)現(xiàn)的，并通過喂鈣線進(jìn)行夾雜物改質(zhì)。同時對爐襯、鋼包、中間包等耐材進(jìn)行監(jiān)控，避免外來的大塊夾雜物進(jìn)入鋼水。還要注意控制鋼液中的氣體含量，避免鋼水二次氧化。總之，在板坯生產(chǎn)過程中重點(diǎn)控制有害的非金屬元素及氣體元素，保證鋼液潔凈。

3.2 控制軋制與控制冷卻工藝

3.2.1 加熱工藝

X70管線鋼的加熱過程是鋼坯奧氏體化的過程，也是合金元素固溶的過程。加熱時不但要保證合金元素的充分固溶，同時要控制鋼坯中奧氏體晶粒的大小。按固溶度積式：

當(dāng) Nb%=0.049，C%=0.04，N%=0.006 2，計(jì)算Nb全溶解所需的加熱溫度為1 150℃以上。有關(guān)資料表明[3]，在此成分區(qū)間，當(dāng)加熱溫度在1 100℃以下時，鋼坯中奧氏體晶粒細(xì)小，奧氏體晶粒尺寸隨加熱溫度升高而增長較慢。當(dāng)加熱溫度繼續(xù)升高時，鋼坯中奧氏體晶粒尺寸逐漸長大，鋼坯溫度在1 200℃以下時，晶粒尺寸相對均勻，而鋼坯溫度超過1 200℃后，奧氏體晶粒中出現(xiàn)較為粗大的晶粒。因此，天鐵X70管線鋼的出爐溫度定為1 160～1 200℃。同時要求一定的均熱時間，使得合金元素充分固溶。

3.2.2 控軋控冷工藝

天鐵X70管線鋼軋制試驗(yàn)時，采用五道次粗軋，七道次精軋連軋工藝。為了有效控制X70管線鋼的組織性能，粗軋開軋溫度為1 150℃，此時鋼坯處于奧氏體再結(jié)晶區(qū)。經(jīng)過五道次粗軋以后，板坯由230mm軋制成49 mm的中間坯。粗軋過程中通過對粗化的高溫奧氏體進(jìn)行連續(xù)形變，利用奧氏體再結(jié)晶區(qū)形變對細(xì)化晶粒的作用，使粗軋后的高溫奧氏體晶粒更加均勻細(xì)小，為奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變時得到細(xì)小均勻的鐵素體創(chuàng)造條件。

當(dāng)中間坯進(jìn)入精軋區(qū)域時，控制其開軋溫度在980℃以下，并通過負(fù)荷分配調(diào)整，有意識地加大后五架軋機(jī)的負(fù)荷，確保精軋總壓下率的70%在后五架軋機(jī)上完成。這樣精軋階段的大部分形變就處于奧氏體未再結(jié)晶區(qū)。從而保證精軋階段奧氏體變形過程中不發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，得到扁平狀且有高位錯密度的變形奧氏體。這種高位錯密度的變形奧氏體使相變后的鐵素體晶粒更加細(xì)小。

為了進(jìn)一步提高X70管線鋼的強(qiáng)度和韌性，通過降低終軋溫度，可以使得奧氏體在形變過程中產(chǎn)生的大量位錯得以保留，進(jìn)而提高最終轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的位錯密度。但終軋溫度要高于Ar3,避免兩相區(qū)軋制產(chǎn)生的混晶現(xiàn)象。

為了獲得針狀鐵素體的最終組織，對X70管線鋼的卷取溫度和冷卻速度及冷卻模式進(jìn)行嚴(yán)格控制。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[4]，低碳微合金管線鋼以獲得針狀鐵素體組織為主，卷取溫度應(yīng)控制在400～550℃，冷卻速度應(yīng)該控制在15～30℃/s，并采用前冷急冷的冷卻模式。天鐵X70管線鋼溫度制度見表2。

表2 天鐵X70管線鋼溫度制度

4 金相組織與性能

4.1 金相組織

金相檢驗(yàn)表明，天鐵X70管線鋼組織結(jié)構(gòu)為均勻細(xì)小的針狀鐵素體組織。其晶粒度為12.0級，夾雜物控制水平較高，ABCD類夾雜物均小于1.0級，帶狀0.5級。X70金相組織見圖1、圖2。

圖1 X70橫向金相組織

圖2 X70縱向金相組織

4.2 性能檢驗(yàn)

經(jīng)檢驗(yàn)，天鐵X70管線鋼屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率、屈強(qiáng)比、沖擊韌性、DWTT等各項(xiàng)指標(biāo)均滿足西氣東輸二線輸氣管道工程用X70熱軋板卷技術(shù)要求。

天鐵X70各項(xiàng)性能指標(biāo)見表3。

表3 天鐵X70管線鋼各項(xiàng)性能

5 結(jié)束語

天鐵熱軋X70管線鋼采用低C-Mn-Mo-Nb系的成分設(shè)計(jì)，通過控軋控冷的工藝手段，得到針狀鐵素體組織。經(jīng)檢驗(yàn)，各項(xiàng)理化指標(biāo)滿足西氣東輸二線輸氣管道工程用X70熱軋板卷技術(shù)要求。

Research and Development of Tiantie X70Pipeline Steel

LUO Ji-feng

(Hot Rolling Plate Company,Tianjin Tiantie Metallurgical Group,She County,Hebei Province056404,China)

The paper introduces the developing process of X70pipeline steel at Tiantie Hot Rolling Plate Company and expounds the influence of micro alloying composition design and controlled rolling and controlled cooling process on steel microstructure and mechanical properties.Experiment showed that X70pipeline steel produced by Tiantie Hot Rolling presented satisfying microstructure and stable mechanical properties,good low temperature impact toughness and excellent welding performance,meeting the technical requirement of the second line of west-east natural gas transmission project on X70hot rolling coil.

pipeline steel;micro alloying;acicular ferrite;controlled rolling and controlled cooling

10.3969/j.issn.1006-110X.2014.03.004

2014-01-10

2014-02-05

羅繼峰（1980—），男，工程師，主要從事品種鋼研發(fā)及軋鋼工藝研究工作。