X80M管線鋼熱軋板卷取溫度的優(yōu)化

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(1.首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，唐山 063200；2.首鋼技術(shù)研究院，北京 100043)

0 引 言

近年來(lái)，隨著我國(guó)對(duì)石油天然氣需求的日益增長(zhǎng)，我國(guó)長(zhǎng)輸管道工程建設(shè)獲得了很大的發(fā)展[1]。目前，X80管線鋼已批量應(yīng)用于西三線、中緬線、中貴線、陜京四線等天然氣管道項(xiàng)目中[2]，還將批量應(yīng)用于即將開工建設(shè)的中俄東線管道工程中。

隨著國(guó)內(nèi)鋼鐵生產(chǎn)線裝備水平的提高，多家鋼廠已可批量生產(chǎn)X80管線鋼。目前，常采用低C-Mn-Mo-Cr-Nb-Ti成分體系，結(jié)合微合金化技術(shù)和控軋控冷工藝并應(yīng)用合理的加熱制度、粗/精軋溫度和壓下制度、軋后冷卻制度，最終得到具有理想組織和良好強(qiáng)韌性匹配的X80管線鋼，其中卷取溫度的設(shè)定是得到理想組織的關(guān)鍵技術(shù)。對(duì)此，研究人員已經(jīng)開展了卷取溫度對(duì)X80管線鋼組織和性能影響的相關(guān)研究[3-4]。目前,工業(yè)生產(chǎn)普遍采用低溫卷取工藝(≤350 ℃)，但由于材料對(duì)流換熱系數(shù)的急劇增大[5]，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)以下問(wèn)題：通卷“過(guò)山車”式溫度波動(dòng)；實(shí)際溫度控制過(guò)低，有時(shí)低于200 ℃，加大了卷取生產(chǎn)難度，甚至造成堆鋼風(fēng)險(xiǎn)。因此，卷取溫度控制精度和卷取生產(chǎn)穩(wěn)定性一直是鋼廠需重點(diǎn)解決的問(wèn)題。

為了提高卷取溫度控制精度進(jìn)而提高現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)穩(wěn)定性，作者結(jié)合X80M管線鋼(控軋控冷X80管線鋼)的實(shí)際生產(chǎn)工藝，研究了不同卷取溫度下溫度控制的穩(wěn)定性以及卷取溫度對(duì)該鋼顯微組織和力學(xué)性能的影響，并對(duì)卷取溫度進(jìn)行了優(yōu)化，為生產(chǎn)工藝的制定提供參考。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)材料為首鋼京唐2250熱軋線生產(chǎn)的X80M管線鋼板，該鋼采用低碳成分設(shè)計(jì)，同時(shí)添加了鈮、釩、鈦等微合金化元素以及能促進(jìn)針狀鐵素體形成和貝氏體轉(zhuǎn)變的鉬和鉻元素，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 X80M管線鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical composition of X80M pipelinesteel (mass) %

采用鋼包精煉爐和真空循環(huán)脫氣精煉爐(LF+RH)雙精煉工藝冶煉X80M管線鋼，板坯連鑄過(guò)程采用動(dòng)態(tài)輕壓下技術(shù)，連鑄坯厚237 mm，采用2 250 mm熱連軋機(jī)組進(jìn)行軋制，成品規(guī)格為18.4 mm×1 550 mm。熱軋溫度為1 190 ℃，以保證溶質(zhì)元素得到充分溶解；粗軋R1軋機(jī)采用3道次軋制模式，R2軋機(jī)采用5道次軋制模式，以保證鋼坯在道次間實(shí)現(xiàn)完全靜態(tài)再結(jié)晶，兩軋機(jī)最后兩道次的壓下率均在20%以上；精軋時(shí)中間坯厚度為58 mm，入口溫度不大于960 ℃，采用6道次軋制，最后兩道次壓下率均不小于11%，出口溫度控制在810～830 ℃，以使鋼坯在未再結(jié)晶區(qū)大壓下率下得到扁平化的奧氏體和合適的應(yīng)變積累[6]。通過(guò)以上軋制工藝對(duì)鋼板性能的貢獻(xiàn)，為鋼板在層流冷卻階段創(chuàng)建較寬的工藝窗口。通常當(dāng)X80管線鋼在水冷區(qū)的冷卻速率為5～50 ℃·s-1時(shí)，其冷卻后組織形態(tài)為針狀鐵素體;針狀鐵素體組織是一種混合組織形態(tài)，因冷卻速率的不同，各種組織所占的比例有所不同[7]。如圖1所示：鋼板由精軋軋機(jī)進(jìn)入擁有22組集管的層流冷卻系統(tǒng)，然后到達(dá)卷取機(jī)進(jìn)行卷取。溫度控制模型通過(guò)調(diào)整層流冷卻集管的開啟組數(shù)來(lái)控制實(shí)測(cè)卷取溫度達(dá)到設(shè)定值：集管開啟，澆水降溫；集管關(guān)閉，停止?jié)菜ｄ摪褰?jīng)過(guò)層流冷卻集管到達(dá)卷取溫度測(cè)溫點(diǎn)的過(guò)程是一個(gè)先快速降溫后返溫的過(guò)程。同時(shí)，在冷卻過(guò)程中，溫度控制模型會(huì)根據(jù)測(cè)溫儀實(shí)測(cè)的卷取溫度與卷取溫度設(shè)定值的差值不斷調(diào)整開啟的集管組數(shù)。但是在層流冷卻過(guò)程中鋼板表面溫度與對(duì)流換熱系數(shù)存在一定關(guān)系，若水冷結(jié)束時(shí)鋼板的表面溫度低于300 ℃(對(duì)應(yīng)卷取溫度約為350 ℃)，則對(duì)流換熱系數(shù)將急劇增大[5]，此時(shí)集管組數(shù)的少量開啟和閉合都將引起較大的控制偏差，導(dǎo)致溫度控制精度變差。為了研究不同卷取溫度下的溫度控制穩(wěn)定性及其對(duì)鋼板組織和性能的影響，作者設(shè)定了4個(gè)卷取溫度(300，350，400，450 ℃)，在相同工藝參數(shù)下將X80管線鋼板卷取成鋼卷，實(shí)際卷取溫度由測(cè)溫儀在線測(cè)得。

圖1 某熱連軋鋼廠層流冷卻系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic of laminar flow cooling system of a hot continuous rolling mill

1.2 試驗(yàn)方法

將X80M管線鋼卷放置24 h。根據(jù)實(shí)測(cè)卷取溫度的變化曲線，確定鋼卷在卷取過(guò)程中的實(shí)測(cè)卷取溫度最接近卷取溫度的位置，在該位置截取橫向金相試樣，經(jīng)砂紙打磨和機(jī)械拋光后，用4%(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液腐蝕，在EVO MA15型掃描電鏡(SEM)下觀察其表面、1/4厚度處和心部的顯微組織。

按照ASTM A370進(jìn)行拉伸性能和沖擊性能測(cè)試，按照SY/T 6476進(jìn)行落錘撕裂試驗(yàn)(DWTT)。拉伸試樣尺寸為φ12.7 mm×125 mm，標(biāo)距為50 mm，試驗(yàn)設(shè)備為Zwick Z100HT型電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，加載速率為75 N·min-1；沖擊試樣尺寸為10 mm×55 mm×55 mm，開V型缺口，試驗(yàn)設(shè)備為Zwick PSW750TZE型金屬擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)溫度為-20 ℃；DWTT試樣尺寸為305 mm×75 mm×18.4 mm，試驗(yàn)設(shè)備為ZCJ-40000型落錘試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)溫度為-15 ℃。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 卷取溫度控制穩(wěn)定性

由圖2可見(jiàn)：在卷取溫度為300 ℃和350 ℃下，實(shí)測(cè)卷取溫度的穩(wěn)定性較差；隨著卷取溫度的升高，實(shí)測(cè)卷取溫度的穩(wěn)定性逐漸增大，尤其是當(dāng)卷取溫度升至400 ℃后，實(shí)測(cè)卷取溫度沒(méi)有出現(xiàn)較明顯的波動(dòng)。這主要是因?yàn)楫?dāng)卷取溫度接近400 ℃時(shí)，對(duì)應(yīng)鋼板在層流冷卻階段實(shí)際澆水區(qū)出口的溫度必然大于300 ℃，恰好避開了對(duì)流換熱系數(shù)急劇增大的溫度區(qū)間。溫度控制精度過(guò)低會(huì)導(dǎo)致卷取生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)，從溫度控制準(zhǔn)確性和卷取生產(chǎn)穩(wěn)定性的角度考慮，應(yīng)盡量使鋼板在實(shí)際澆水區(qū)出口的溫度大于使對(duì)流換熱系數(shù)驟增的拐點(diǎn)溫度300 ℃，即對(duì)應(yīng)卷取溫度應(yīng)大于350 ℃。

圖2 在不同卷取溫度下卷取時(shí)鋼板實(shí)測(cè)卷曲溫度隨其長(zhǎng)度的變化曲線Fig.2 Measured coiling temperature vs length curves of steel plate at different coiling temperatures

圖3 不同溫度卷取后試驗(yàn)鋼不同位置處的顯微組織Fig.3 Microstructures at different positions of tested steel after coiling at different temperatures:(a, d) surface; (b, e) 1/4 thickness and (c, f) core

2.2 顯微組織

由圖3可知：在300，450 ℃下卷取后，試驗(yàn)鋼的顯微組織均為細(xì)小的針狀鐵素體，其表面組織較1/4厚度處的及心部的更細(xì)小，表面顯微組織的尺寸在2～5 μm，1/4厚度處的和心部的在3～6 μm;在450 ℃下卷取后，試驗(yàn)鋼的顯微組織以典型針狀鐵素體為主，這是因?yàn)樘砑拥逆?、鉻、鈮元素促進(jìn)了針狀鐵素體的形成，同時(shí)較低精軋軋制溫度下的相變儲(chǔ)能較高，導(dǎo)致相變結(jié)束溫度較高；對(duì)比兩種卷取溫度下的組織形態(tài)可見(jiàn)，在450 ℃下卷取后試驗(yàn)鋼的表面組織更加均勻，而在300 ℃下卷取后的因冷卻速率較快，其表面組織具有更明顯的中溫轉(zhuǎn)變組織的低溫特征，部分區(qū)域呈現(xiàn)板條特征。

2.3 力學(xué)性能

表2中Rt0.5為屈服強(qiáng)度、Rm為抗拉強(qiáng)度、A50為標(biāo)距50 mm時(shí)的斷后伸長(zhǎng)率、AKV為沖擊吸收功、SA為纖維斷面率；CVN為夏比V型缺口試樣沖擊試驗(yàn)。由表2可以看出，4種卷取溫度下試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能均滿足技術(shù)要求，且強(qiáng)度、低溫韌性均有較理想的富余量。可見(jiàn)，在合理的成分設(shè)計(jì)以及加熱、粗軋、精軋等工藝條件下，卷取溫度在300～450 ℃下均可得到強(qiáng)韌性匹配良好的管線鋼卷。

表2 不同溫度卷取后試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能及技術(shù)要求Tab.2 Mechanical properties of tested steels after coiling at different temperatures and technical requirements

2.4 卷取溫度的確定

綜上所述：在合理的化學(xué)成分、熱軋工藝條件下，當(dāng)卷取溫度為300～450 ℃時(shí)，卷取后試驗(yàn)鋼的顯微組織和力學(xué)性能良好；但為了提高溫度控制穩(wěn)定性進(jìn)而提高卷取生產(chǎn)穩(wěn)定性，卷取溫度應(yīng)大于350 ℃；考慮到熱軋卷板通卷性能的穩(wěn)定性，將卷取溫度的上限設(shè)為410 ℃，按照±30 ℃的溫度控制波動(dòng)范圍，卷取溫度設(shè)定為380 ℃比較合理。

在卷取溫度為380 ℃下進(jìn)行小批量生產(chǎn)時(shí)，卷取溫度±30 ℃的溫度控制準(zhǔn)確率達(dá)到90%。由表3可以看出，小批量卷取后，試驗(yàn)鋼的各項(xiàng)力學(xué)性能良好，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均有一定富余量，-20 ℃沖擊功測(cè)試值均在400 J以上，-15 ℃落錘撕裂纖維斷面率均為100%。此外，對(duì)此批次鋼卷制管后的性能也進(jìn)行了跟蹤研究。該鋼卷采用螺旋埋弧焊接制成鋼管，在進(jìn)行靜水壓力試驗(yàn)后，在鋼管上橫向取樣并進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。由圖4可見(jiàn)，制管后因加工硬化效應(yīng)的影響，屈服強(qiáng)度均值略有上升。

表3 在380 ℃卷取后試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能Tab.3 Mechanical properties of tested steel after coiling at 380 ℃

圖4 380 ℃卷取鋼卷及其制管后強(qiáng)度的對(duì)比Fig.4 Comparison of mechanical properties between steel coil coiled at 380 ℃ (a-b) and its pipe (c-d): (a, c) yield strength and (b, d) tensile strength

3 結(jié) 論

(1) 在卷取溫度為300 ℃和350 ℃下卷取時(shí)，實(shí)測(cè)卷取溫度的穩(wěn)定性較差，隨著卷取溫度的升高，實(shí)測(cè)卷取控制的穩(wěn)定性逐漸增大，當(dāng)卷取溫度升至400 ℃后，溫度波動(dòng)很小，實(shí)測(cè)卷取溫度較穩(wěn)定；考慮到卷取溫度控制的穩(wěn)定性和卷取生產(chǎn)的穩(wěn)定性，應(yīng)使X80M管線鋼板在層流冷卻階段實(shí)際澆水區(qū)出口的溫度大于導(dǎo)致對(duì)流換熱系數(shù)急劇增加的拐點(diǎn)溫度(300 ℃)，即對(duì)應(yīng)的卷取溫度應(yīng)大于350 ℃。

(2) 在合理的成分設(shè)計(jì)以及加熱、粗軋、精軋工藝條件下，在不同卷取溫度(300～450 ℃)下卷取后：試驗(yàn)鋼的顯微組織均以針狀鐵素體為主，當(dāng)卷取溫度為450 ℃，卷取后試驗(yàn)鋼表面的組織更加均勻；試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能均滿足技術(shù)條件的要求，且強(qiáng)度、低溫韌性均有較理想的富余量。

(3) 綜合考慮X80管線鋼的溫度控制穩(wěn)定性和性能穩(wěn)定性，優(yōu)化后的卷取溫度為380 ℃；在該卷取溫度下進(jìn)行小批量生產(chǎn)，鋼卷的各項(xiàng)力學(xué)性能良好，采用螺旋埋弧焊接制成鋼管后，其屈服強(qiáng)度均值略有增大。

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