熱軋厚規(guī)格X80管線鋼生產(chǎn)工藝研究

徐 勇，崔洪濤，周晏峰

(本鋼集團(tuán)公司產(chǎn)品研究院 遼寧 本溪 117000)

0 引 言

管道運(yùn)輸是長(zhǎng)距離輸送石油、天然氣的重要方式之一。為提高管道輸送的運(yùn)營效率，降低成本，管道運(yùn)輸正向大口徑、大壁厚、高壓輸送方向發(fā)展[1]。中俄東線采用大口徑(1 422 mm)、大壁厚(21.4 mm)、大輸壓(12 MPa)的管道建設(shè)設(shè)計(jì)方案，可大幅度提高單管輸氣能力，實(shí)現(xiàn)單管輸氣為450×108m3/a。厚規(guī)格高級(jí)別管線鋼生產(chǎn)難點(diǎn)主要有兩方面：其一，厚度的增加導(dǎo)致熱軋變形量不足，特別是精軋應(yīng)變僅為64.33%，奧氏體變形相變驅(qū)動(dòng)力與形核驅(qū)動(dòng)力不足，導(dǎo)致奧氏體再結(jié)晶與扁平化難度較大，從而導(dǎo)致韌性降低；其二，由于厚度較厚，因而導(dǎo)致原有設(shè)備冷卻能力不能滿足要求，鋼板沿厚度方向邊部和心部組織的不均勻性也增加，這直接導(dǎo)致DWTT性能惡化。因此，要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的批量生產(chǎn)除了需要合理的化學(xué)成分設(shè)計(jì)外，其軋制工藝和冷卻制度也非常重要，再結(jié)晶規(guī)律和冷速?zèng)Q定了產(chǎn)品的最終組織與性能，本文主要研究了X80管線鋼的再結(jié)晶規(guī)律，研究了不同的冷速對(duì)其組織和性能的影響。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料化學(xué)成分見表1。

表1 X80 Φ 1 422 mm×21.4 mm螺旋埋弧焊管用熱軋鋼板及鋼帶化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

1.2 試驗(yàn)方法

采用 Gleeble-2000 熱模擬試驗(yàn)機(jī)測(cè)試應(yīng)變對(duì)組織轉(zhuǎn)變的影響，試樣加熱至1 200 ℃，均熱保溫3 min，以 10 ℃/s 的冷卻速率冷至900 ℃，采用無應(yīng)變(ε=0)的情況下測(cè)試， 并以 0.5～40 ℃/s不同的冷卻速率冷卻到200 ℃，測(cè)定 CCT 曲線。

利用雙道次壓縮試驗(yàn)方法對(duì)變形奧氏體在道次間隔內(nèi)的靜態(tài)再結(jié)晶過程進(jìn)行研究，將試樣加工成Φ10 mm×15 mm的圓柱試樣，在 Gleeble-2000 熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行熱模擬試驗(yàn)，采用應(yīng)力補(bǔ)償法計(jì)算靜態(tài)再結(jié)晶百分?jǐn)?shù)Xs，真應(yīng)變?nèi)?.02，計(jì)算出各個(gè)溫度在不同道次間隔時(shí)間內(nèi)的靜態(tài)百分?jǐn)?shù)，由此繪制出靜態(tài)動(dòng)力學(xué)曲線。

板坯在加熱爐中加熱至1 180 ℃±20 ℃；粗軋變形量≥50%，中間坯厚度55 mm。終軋820 ℃±15 ℃，軋后采用冷速15、25、35、45 ℃/s冷卻至400 ℃±15 ℃，8h后取樣，利用ZWICK Z600拉伸試驗(yàn)機(jī)和ZWICK 750 J沖擊試驗(yàn)機(jī)分別進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)，以及利用ZEISS Imager A2m金相顯微鏡進(jìn)行金相檢驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 奧氏體連續(xù)冷卻相變曲線

過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖即CCT曲線，它是分析鋼連續(xù)冷卻過程中奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物組織和性能的依據(jù)。根據(jù)CCT曲線便可知道不同冷卻條件下管線鋼的最終組織類型，可獲得不同比例的混合組織。

X80管線鋼CCT曲線由三個(gè)相區(qū)組成，如圖1所示，即高溫過冷奧氏體相區(qū)、鐵素體相區(qū)、貝氏體相區(qū)。在0.5 ℃/s冷卻條件下，管線鋼組織為典型多邊形鐵素體和少量貝氏體；當(dāng)冷速增加至5 ℃/s時(shí)，鐵素體組織消失，組織以粒狀貝氏體為主；冷卻速率增加至10 ℃/s時(shí)，試樣組織以粒狀貝氏體為主，組織均勻細(xì)小，當(dāng)冷速增加至30 ℃/s時(shí)，細(xì)小貝氏體鐵素體組織特征明顯，粒狀貝氏體組織明顯減少，貝氏體鐵素體增加，如圖2所示。

圖1 X80管線鋼連續(xù)冷卻相變曲線

2.2 靜態(tài)再結(jié)晶過程

2.2.1 靜態(tài)再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)曲線

在管線鋼的控制軋制過程中，主要有兩個(gè)目的：一是在奧氏體再結(jié)晶溫度以上軋制，通過合理工藝獲得盡可能細(xì)小的奧氏體組織，二是在再結(jié)晶溫度以下軋制給予奧氏體足夠的應(yīng)變，增加晶界面積。在精軋階段，靜態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生將導(dǎo)致粗軋變形過程產(chǎn)生的位錯(cuò)消失，從而不利于變形的積累。因此,在軋制過程尤其是精軋過程中控制變形奧氏體的靜態(tài)再結(jié)晶行為，對(duì)提高晶粒細(xì)化和組織均勻化程度以及避免混晶等缺陷組織十分重要[2]。

圖3是X80 鋼的靜態(tài)再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)曲線，由圖可見，隨著變形溫度的升高，X80管線鋼靜態(tài)再結(jié)晶分?jǐn)?shù)明顯提高，一般認(rèn)為：靜態(tài)再結(jié)晶分?jǐn)?shù)為15%～20%時(shí)開始發(fā)生再結(jié)晶，當(dāng)再結(jié)晶分?jǐn)?shù)≥90%時(shí)完成完全再結(jié)晶。靜態(tài)再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力為預(yù)先冷變形所產(chǎn)生的儲(chǔ)存能，變形溫度越高，形變儲(chǔ)能越大，靜態(tài)再結(jié)晶速率也就越快。變形溫度在1 100 ℃時(shí)，在道次間隔時(shí)間約6 s時(shí)就發(fā)生了完全再結(jié)晶，在道次間隔時(shí)間10 s，應(yīng)變?yōu)?0%時(shí)，在960 ℃以下奧氏體靜態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)為30%以下。930 ℃變形30%后10 s，奧氏體僅發(fā)生少量再結(jié)晶，因此，精軋開軋溫度應(yīng)低于960 ℃。

2.2.2 靜態(tài)再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)模型

精軋是降溫軋制過程，后續(xù)機(jī)架軋制溫度低，道次間隔時(shí)間短，發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶的幾率低，研究X80管線鋼的靜態(tài)再結(jié)晶，有必要測(cè)定其激活能值。在相同變形條件下，可以用其靜態(tài)再結(jié)晶激活能來判斷其發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶的難易程度。一般可以依據(jù)軟化率曲線中再結(jié)晶分?jǐn)?shù)達(dá)到50%的時(shí)間t0.5來確定激活能。

圖2 21.4mm X80管線鋼熱模擬試樣金相組織

圖3 X80管線鋼靜態(tài)再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)曲線

X80靜態(tài)再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)模型可采用Avrami[3]方程來表示：

Xs=1-exp[-B(t/tF)]n

(1)

式中，t為靜態(tài)再結(jié)晶時(shí)間，tF為再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)達(dá)到F時(shí)所需要的時(shí)間，B=-ln(1-F)，n為材料常量，當(dāng)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)F=50%時(shí)，則B=0.693，此時(shí)有：

Xs=1-exp[-0.693(t/tF)]n

(2)

t0.5與變形工藝參數(shù)密切相關(guān)，可用下面方程來描述：

(3)

將(2)式兩邊分別取對(duì)數(shù)并化簡(jiǎn)為：

(4)

lnt0.5=lnA+plnε+slnD+QSRX/RT

(5)

由(5)知QSRX/RT為lnt0.5為1/T的斜率，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定不同的t0.5值，求得X80鋼靜態(tài)再結(jié)晶激活能QSRX約為365 kJ·mol-1。

2.3 冷速對(duì)組織性能的影響

2.3.1 力學(xué)性能

表2為不同冷速下X80鋼的力學(xué)性能，可以看出，隨著冷速的增大，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度也均升高，但是伸長(zhǎng)率、沖擊功和DWTT均下降。冷速由15 ℃/s增加到25 ℃/s，抗拉強(qiáng)度增加了35 MPa，伸長(zhǎng)率稍微降低，沖擊功和DWTT均增加較大;當(dāng)冷速增加到30 ℃/s時(shí)，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別增加了45 MPa和25 MPa，沖擊功和DWTT明顯下降;當(dāng)冷速增大到40 ℃/s時(shí)，屈服強(qiáng)度繼續(xù)增加，但是抗拉強(qiáng)度增加幅度不大，DWTT下降較為明顯。綜合比較，冷速為25 ℃/s時(shí)X80鋼的綜合力學(xué)性能最好。優(yōu)化冷卻工藝后生產(chǎn)的X80鋼經(jīng)制管后進(jìn)行力學(xué)性能檢驗(yàn)，屈服強(qiáng)度范圍在565～590 MPa占總批次的94%，均值為573.1 MPa；抗拉強(qiáng)度范圍在650～690 MPa內(nèi)的占總批次的92%，均值為667.1 MPa；延伸率大于20%占總批次的100%，均值為25.7MPa；而DWTT值大于85%的占總批次的100%。對(duì)X80管體進(jìn)行系列溫度下的沖擊功和落錘撕裂面積檢驗(yàn)，試樣方向?yàn)楣荏w橫向，試驗(yàn)溫度為20、0、-15、-20、-40、-60 ℃，在-60 ℃下沖擊功仍然在300 J以上，在-20 ℃下DWTT值在90%以上，見圖4和圖5所示。

表2 X80管線鋼在不同冷速下的力學(xué)性能(試樣方向?yàn)榕c軋制方向成30°)

圖4 X80管體橫向系列沖擊功曲線

圖5 X80管體橫向系列DWTT曲線

2.3.2 顯微組織

高級(jí)管線鋼組織通常以粒狀貝氏體(GB)、多邊形/準(zhǔn)多邊形鐵素體(PF/QF)、少量貝氏體鐵素體(BF)為主[4，5]。針狀鐵素體被定義為由晶內(nèi)形核產(chǎn)生的低碳貝氏體。MA是低碳管線鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w時(shí)，在形成板條鐵素體的過程中，C在剩余奧氏體內(nèi)逐漸富集而形成的一種成分。

對(duì)厚規(guī)格X80管線鋼而言，MA主要是由于富C奧氏體難以保留至室溫，在冷卻時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體而形成的MA組織。MA的數(shù)量、大小、 形態(tài)及分布狀態(tài)對(duì)厚規(guī)格X80管線鋼的強(qiáng)韌性及HIC抗力有一定的影響。細(xì)小彌散分布的MA能阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和疲勞裂紋擴(kuò)展，不易因應(yīng)力集中而誘發(fā)裂紋，并使其長(zhǎng)度小于裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的臨界尺寸，因此，AF+少量細(xì)小彌散MA可提高鋼材的強(qiáng)度和DWTT值。

圖6(a)為X80鋼在冷卻速率為15℃/s時(shí)的顯微組織，組織除針狀鐵素體外，還出現(xiàn)較大的多邊形鐵素體，MA以點(diǎn)狀和塊狀為主，同時(shí)長(zhǎng)條狀MA的數(shù)量也較多，由于冷速較慢，針狀鐵素體轉(zhuǎn)變難以進(jìn)行完全，同時(shí)還導(dǎo)致MA相對(duì)量增加，且尺寸增大，呈棒狀或塊狀，大量塊狀及長(zhǎng)條狀MA是導(dǎo)致鋼板韌性急劇下降的主要因素。圖6(b)為冷卻速率25 ℃/s時(shí)的顯微組織，組織為針狀鐵素體中彌散分布細(xì)小的點(diǎn)狀MA，其在鐵素體晶內(nèi)及晶界處均勻分布，同時(shí)，MA尺寸更為細(xì)小圓滑，分布也更均勻，適當(dāng)?shù)目炖淇梢詼p少島狀物的百分含量，并使其細(xì)而彌散的分布于基體中。圖6(c)為冷速30 ℃/s下的顯微組織，主要以GB和BF為主。圖6(d)為冷速40 ℃/s下的金相，組織主要以粒狀貝氏體和板條形貌貝氏體鐵素體為主，由于冷速較大，還出現(xiàn)了M，多邊形鐵素體和準(zhǔn)多邊形鐵素體相對(duì)較少。當(dāng)冷卻速度從15 ℃/s提高到25 ℃/s時(shí)，X80管線鋼組織中尺寸較大的粒狀貝氏體和塊狀鐵素體變得細(xì)小和均勻，同時(shí)MA組織變得更為彌散、細(xì)小、均勻，接近球形或橢圓形，并以彌散狀態(tài)分布，進(jìn)一步提高冷速到40 ℃/s，組織以粒狀貝氏體和板條形貌貝氏體鐵素體為主，少量M和多邊形鐵素體，M的出現(xiàn)是使韌性降低的主要原因。在軋制工藝參數(shù)相同的條件下，冷卻速度越大，形核激活能越大，形核速率也越大，其相變后的晶粒越細(xì)小、均勻。因此，冷卻速度越大，MA越細(xì)小，形狀越接近球形，可提高X80管線鋼的強(qiáng)度和韌性。

圖6 X80管線鋼在不同冷速下的金相組織

2.3.3 工業(yè)試制

由于X80Φ1 422 mm×21.4 mm螺旋埋弧焊管用熱軋鋼板及鋼帶厚度較厚，對(duì)強(qiáng)度、韌性指標(biāo)要求很高，在冶煉方面，采用180 t轉(zhuǎn)爐冶煉，控制夾雜物形態(tài)和有害殘余元素，鐵水經(jīng)脫硫處理；連鑄過程中采用電磁攪拌和軟壓下技術(shù)，鑄坯厚度為230 mm；然后連鑄坯在加熱爐中進(jìn)行加熱，最后鑄坯在本鋼2 300 mm熱連軋機(jī)組進(jìn)行軋制，厚度規(guī)格為21.4 mm。

卷取8 h后取樣，進(jìn)行力學(xué)性能、顯微組織和晶粒度測(cè)試，力學(xué)性能見表3，屈服強(qiáng)度平均值為573 MPa，抗拉強(qiáng)度平均值為667 MPa，沖擊功平均值為372.6 J，DWTT平均值92.1%。顯微組織見圖7，為針狀鐵素體加少量的殘余MA組元，鋼帶晶粒度13.5級(jí)，非金屬夾雜物≤2.0級(jí)，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足中石油企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/SY GJX 146—2015《中俄東線天然氣管道工程用外徑1 422 mm X80級(jí)螺旋縫埋弧焊管用熱軋板卷技術(shù)條件》要求。

表3 X80 Φ1 422 mm×21.4 mm螺旋埋弧焊管用熱軋鋼板力學(xué)性能(試樣方向?yàn)榕c軋制方向成30°)

圖7 X80管線鋼的金相組織

3 結(jié) 論

1)利用雙道次壓縮試驗(yàn)測(cè)定了X80鋼的靜態(tài)再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)曲線，結(jié)果表明，隨著變形溫度的升高，再結(jié)晶過程加速。在960 ℃以下奧氏體靜態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)為30%以下。930 ℃變形30%后10 s，奧氏體僅發(fā)生少量再結(jié)晶，確定精軋開軋溫度應(yīng)低于960 ℃。

2)隨著冷速的增加，組織由針狀鐵素體和塊狀MA轉(zhuǎn)變?yōu)榱钬愂象w和板條貝氏體鐵素體，研究表明，最佳冷卻速率為25 ℃/s，組織為針狀鐵素體中彌散分布細(xì)小的點(diǎn)狀MA，細(xì)小彌散分布的MA能阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和疲勞裂紋擴(kuò)展，提高鋼材的強(qiáng)度和DWTT值。

3)通過對(duì)軋制工藝和冷速的優(yōu)化，生產(chǎn)的X80管線鋼具有優(yōu)良的力學(xué)性能，在-60 ℃下沖擊功仍然在300 J以上，在-20 ℃下DWTT值在90%以上。

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