L290M/X42M管線鋼化學(xué)成分優(yōu)化設(shè)計(jì)

曹 妍，王建鋼，閆 波，趙 進(jìn)

(內(nèi)蒙古包鋼稀土鋼板材有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 包頭014010)

L290M/X42M管線鋼化學(xué)成分優(yōu)化設(shè)計(jì)

曹 妍，王建鋼，閆 波，趙 進(jìn)

(內(nèi)蒙古包鋼稀土鋼板材有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 包頭014010)

為了優(yōu)化低鋼級(jí)管線鋼的成分設(shè)計(jì)，降低制造成本，采用低軋制溫度、大壓下量和軋后快速冷卻的TMCP熱機(jī)械軋制工藝，以及Mn+Nb/Ti微合金的成分設(shè)計(jì)對(duì)不同厚度L290M/X42M管線鋼的化學(xué)成分進(jìn)行了優(yōu)化，并對(duì)試制的管線鋼進(jìn)行了力學(xué)性能和顯微組織分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，不同化學(xué)成分設(shè)計(jì)的管線鋼都具有較高的強(qiáng)度和良好的塑性，性能指標(biāo)不僅能滿足GB/T 14164標(biāo)準(zhǔn)要求，而且已達(dá)到了API SPEC 5L標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的L320M/X46M級(jí)別管線鋼的強(qiáng)度與塑性。

管線鋼；L290M/X42M；熱軋鋼帶；化學(xué)成分；優(yōu)化

1 L290M/X42M管線鋼化學(xué)成分設(shè)計(jì)

C在鋼中的作用是提高強(qiáng)度，但碳含量過高會(huì)降低鋼的塑性和沖擊韌性，還會(huì)降低鋼的耐大氣腐蝕能力，重要的是C對(duì)鋼的焊接性有著負(fù)面影響，所以大多數(shù)鋼產(chǎn)品規(guī)范中對(duì)碳含量都制定了上限要求。對(duì)于管線鋼來說，碳當(dāng)量Ce和裂紋敏感系數(shù)Pcm是鋼管焊接性和焊縫撕裂的重要控制指標(biāo)，而碳含量的高低會(huì)直接影響到該指標(biāo)[1]。因此，在管線鋼的成分設(shè)計(jì)中有必要采用低碳設(shè)計(jì)。

Mn作為脫氧除S元素，能夠提高Si和Al的脫氧效果，其與S結(jié)合生成MnS，從而在相當(dāng)大的程度上能夠消除S的有害物質(zhì)。Mn在管線鋼中作為有益元素，起著重要的作用，不僅能夠彌補(bǔ)因碳含量降低而損失的強(qiáng)度，而且能夠提高鋼的韌性，降低奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變溫度，使鐵素體晶粒細(xì)化。Mn和C的比值還可以影響鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度[2-3]。此外，Mn對(duì)鋼的抗HIC性能也有影響[4-5]，根據(jù)管線鋼厚度和強(qiáng)度的不同要求，鋼中Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般控制在1.1％～2.0％。

Si在鋼中作為還原劑和脫氧劑，脫氧后以硅酸鹽作為爐渣除去，但是殘留硅能溶于鐵素體中使鐵素體強(qiáng)化，從而提高鋼的強(qiáng)度和硬度，所以鎮(zhèn)靜鋼中Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為0.15％～0.30％。

S和P在管線鋼中為有害元素，它們來自于礦石和生鐵等煉鋼原料，煉鋼時(shí)難以完全清除。S容易產(chǎn)生熱脆，可以通過Mn與S的比值來控制，在鋼中優(yōu)先形成MnS以避免FeS的生成，從而產(chǎn)生嚴(yán)重偏析。S對(duì)管線鋼焊接性能有不良影響，容易導(dǎo)致焊縫熱裂，在焊接過程中，S易于氧化生成SO2，使焊縫中產(chǎn)生氣孔和疏松。P容易使鋼產(chǎn)生冷脆，增大了鋼的強(qiáng)度和硬度，但會(huì)使鋼韌性降低，低溫時(shí)脆性現(xiàn)象更為嚴(yán)重。

管線鋼中除添加5大元素外，Al和Ca也是成分設(shè)計(jì)上必不可少的。Al作為強(qiáng)脫氧劑部分與氧形成Al2O3或含有Al2O3的夾雜物，部分溶于固態(tài)鐵中隨加熱和冷卻的不同，形成AlN，可阻止奧氏體晶粒的長(zhǎng)大，同時(shí)減弱或消除鋼的時(shí)效現(xiàn)象[6-7]。Ca在鋼中主要起凈化作用，減少鋼中高熔點(diǎn)夾雜物的生成，通過鈣處理對(duì)夾雜物形態(tài)進(jìn)行控制[8-9]，減少或防止水口結(jié)瘤。

依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和用戶技術(shù)條件，針對(duì)不同的產(chǎn)品厚度進(jìn)行管線鋼成分設(shè)計(jì)，進(jìn)而優(yōu)化成本。厚度＜15mm的熱軋鋼帶化學(xué)成分見表1，厚度≥15mm的熱軋鋼帶化學(xué)成分見表2。

表1 厚度＜15mm的L290M/X42M管線鋼的化學(xué)成分％

表2 厚度≥15mm的L290M/X42M管線鋼的化學(xué)成分 ％

2 生產(chǎn)工藝流程

L290M/X42M管線鋼生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。在L290M/X42M生產(chǎn)過程中，轉(zhuǎn)爐煉鋼采用頂?shù)讖?fù)吹工藝，底吹脫磷，配合KR法脫硫。鋼水全部經(jīng)過LF鋼包精煉，喂Si-Ca絲進(jìn)行夾雜物變性處理，以確保鋼質(zhì)的純凈度。用較低的開軋和終軋溫度，軋后快速冷卻，以使鋼的顯微組織得到細(xì)化。軋前配有高壓水除磷，預(yù)防氧化鐵皮壓入，改善表面質(zhì)量。

圖1 L290M/X42M管線鋼生產(chǎn)工藝流程

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 夾雜物評(píng)級(jí)

生產(chǎn)的L290M/X42M管線鋼中非金屬夾雜物評(píng)級(jí)的檢驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 L290M/X42M管線鋼非金屬夾雜物評(píng)級(jí)結(jié)果

3.2 拉伸性能

由于焊接鋼管和熱軋鋼帶之間存在包辛格效應(yīng)[10]，結(jié)合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和客戶需求，L290M/X42M管線鋼驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為：屈服強(qiáng)度330～495MPa，抗拉強(qiáng)度 415～760MPa，伸長(zhǎng)率 A≥25％或 A50≥30％。在L290M/X42M板卷1/4處取矩形試樣，以厚度為6.4mm和15.75mm熱軋鋼帶為例，厚度為6.4mm鋼帶分別以橫向和沿軋制方向45°取樣；厚度為15.75mm鋼帶分別以橫向和沿軋制方向30°取樣。按照ASTM 370進(jìn)行各方向拉伸試驗(yàn)，拉伸性能結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，試驗(yàn)鋼帶拉伸性能合格并存在各向異性，橫向取樣時(shí)拉伸性能最高，延伸率無明顯變化。試驗(yàn)結(jié)果說明，包鋼稀土鋼板材有限責(zé)任公司生產(chǎn)的L290M/X42M管線鋼熱軋鋼帶拉伸性能明顯高于標(biāo)準(zhǔn)值，滿足直縫焊管和螺旋焊管用鋼的強(qiáng)度需求。

圖2 不同壁厚L290M/X42M管線鋼熱軋鋼帶拉伸性能對(duì)比

3.3 沖擊韌性

在L290M/X42M鋼帶1/4處取夏比沖擊試樣，按照GB/T 229進(jìn)行夏比沖擊試驗(yàn)，其橫向和沿軋制方向30°取樣時(shí)系列溫度的夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，試樣沖擊性能存在各向異性，在相同試驗(yàn)溫度下，沿軋制方向30°取樣時(shí)的沖擊值明顯高于橫向取樣沖擊值。隨著溫度的降低，沖擊平均吸收能呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。試驗(yàn)結(jié)果說明，包鋼稀土鋼板材有限責(zé)任公司生產(chǎn)的L290M/X42M管線鋼熱軋鋼帶，在-20℃試驗(yàn)溫度下沖擊功明顯高于標(biāo)準(zhǔn)值，即使在低溫極寒地區(qū)(-40℃下)，橫向和沿軋制方向30°取樣的沖擊韌性也可以滿足客戶技術(shù)條件。

圖3 L290M/X42M管線鋼熱軋鋼帶不同溫度沖擊試驗(yàn)結(jié)果

3.4 顯微組織

試驗(yàn)取樣方向與軋制方向垂直，材料金相組織為均勻分布的鐵素體+少量珠光體，鐵素體晶粒度分布在8.5～9.5級(jí)之間，帶狀組織評(píng)級(jí)為1.5～2.0級(jí)。以厚度為15.75mm的鋼帶為例，距鋼帶表面1/4處以及鋼帶心部的金相組織如圖4所示。圖4中晶粒度為9級(jí)，無異常組織存在。

圖4 15.75mm厚L290M/X42M熱軋鋼帶顯微組織

4 結(jié) 論

(1)試驗(yàn)結(jié)果表明，包鋼稀土鋼板材有限責(zé)任公司研制的L290M/X42M管線鋼的強(qiáng)度不僅滿足 GB/T 14164—2013、美國API APEC 5L標(biāo)準(zhǔn)，而且已達(dá)到了API SPEC 5L標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的L320M/X46M級(jí)別管線鋼的強(qiáng)度與塑性，體現(xiàn)了采用C-Mn-Ti/Nb系鐵素體+少量珠光體鋼設(shè)計(jì)和采用熱機(jī)械軋制工藝(TMCP)的最佳匹配。

(2)LF爐精煉處理能顯著降低鋼中的夾雜物，低溫大壓下量軋制和軋后快速冷卻顯著細(xì)化了鋼的晶粒度，保證了鋼的強(qiáng)度和塑性。

(3)鋼中添加了Nb和Ti微合金，起到抑制晶粒長(zhǎng)大以及沉淀強(qiáng)化的作用，使鋼的強(qiáng)度和韌性大大提高。從試驗(yàn)結(jié)果中也可以看出，加Nb對(duì)鋼的性能強(qiáng)化作用大。

[1]API SPEC 5L，管線鋼管規(guī)范[S].

[2]郝瑞輝，高惠臨，叢暉，等.合金元素在管線鋼中的作用與控制[J].上海金屬，2006，28(6)：58-62.

[3]齊俊杰，黃運(yùn)華，張躍.微合金化鋼[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2006.

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[6]李玲.低碳鋼時(shí)效現(xiàn)象剖析[J].軋鋼，1996(3)：31-32.

[7]O祝桂合，小野寺龍?zhí)?低碳鋼的屈服與時(shí)效現(xiàn)象的新探索[C]//中國金屬學(xué)會(huì)2003中國鋼鐵年會(huì).北京：中國金屬學(xué)會(huì)，2003：826-831.

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[9]馬文，孫彥輝.鈣處理對(duì)鋼中非金屬夾雜物行為的影響[J].鋼鐵研究，2013，41(02)：13-15.

[10]李延豐.管線鋼管的包辛格效應(yīng)與質(zhì)量[J].焊管，2000，23(1)：1-3.

L290M/X42M Pipeline Steel Chemical Composition Optimization Design

CAO Yan,WANG Jiangang,YAN Bo,ZHAO Jin
(Inner Mongolia Rare Earth Steel Plate Co.,Ltd.of Baotou Steel(Group)Corp.,Baotou 014010，Inner Mongolia，China)

In order to optimize composition design of low steel grade pipeline steel,reduce manufacturing cost，it optimized chemical composition of different thickness L290M/X42M pipeline steel,by adopting low rolling temperature，large rolling reduction，fast cooling after rolling TMCP thermal mechanical rolling technology and Mn+Nb/Ti microalloy chemical composition design，furthermore，it carried out mechanical properties and microstructure analysis on the manufactured pipeline steel.Test results indicated that the pipeline steel with different chemical composition design all possess high strength and good plasticity，the performance index can not only meet the requirements of GB/T 14164 standard，but also reach the strength and toughness of L320M/X46M level specified in API SPEC 5L.

pipeline steel;L290M/X42M;hot rolled steel strip;chemical composition;optimization

TG113

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.09.014

曹 妍(1984—)，女，工學(xué)學(xué)士，軋鋼工程師，主要從事軋鋼技術(shù)的研發(fā)工作。

2016-05-20

李 超