超寬X70M 鋼板的超快冷工藝及產(chǎn)品性能研究

曲之國， 劉振華， 楊海峰

（五礦營口中板有限責(zé)任公司， 遼寧 營口115000）

0 前 言

近年來， 隨著世界油氣資源需求的不斷增加， 為了獲得更高的效益， 油氣輸送管線也不斷向著大型化方向發(fā)展。 以我國為例， 西氣東輸二線干線管道的管徑為1 219 mm， 而目前在建設(shè)中的中俄東線管道的管徑則達(dá)到了1 422 mm[1-3]。 管徑增大， 則相應(yīng)地要求鋼板的寬度也要增加， 對中厚板生產(chǎn)企業(yè)提出了更高的要求， 其中性能及板形的保證是亟需解決的問題[4-6]。 目前， 國內(nèi)具備生產(chǎn)1 422 mm 管徑用超寬管線鋼裝備條件并能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定生產(chǎn)的企業(yè)較少， 因此， 開發(fā)超寬規(guī)格高鋼級管線鋼對企業(yè)提升技術(shù)能力， 提高市場競爭力都具有積極的作用。

五礦營口中板有限責(zé)任公司擁有先進(jìn)的5 m寬厚板軋機(jī)。 近年來， 隨著特厚板坯鑄機(jī)、 預(yù)矯直機(jī)、 UFC 超快冷系統(tǒng)的先后上線， 為超寬管線鋼的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。 在此條件上， 結(jié)合出口項(xiàng)目需求， 通過優(yōu)化成分設(shè)計(jì)及冶煉軋制工藝，同時(shí)配合UFC 超快冷工藝， 開發(fā)出超寬X70M管線鋼板， 并實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定生產(chǎn)。

1 鋼板技術(shù)要求及分析

鋼板訂貨規(guī)格為厚度19.7～22.2 mm， 寬度4 376 mm， 要求同批次鋼板屈服強(qiáng)度差、 抗拉強(qiáng)度差均≤60 MPa， 屈強(qiáng)比≤0.90， 1/2 厚度位置-30 ℃沖擊功單值≥120 J、 均值≥150 J； -15 ℃DWTT 剪切面積單值≥70%、 均值≥85%， -15 ℃DWTT 整批合同均值≥90%。 同時(shí)， 要求鋼板寬度公差在±10 mm， 不平度≤10 mm/2 m， 鐮刀彎≤8 mm/12 m， 出口訂單具體要求見表1。

與國內(nèi)常見X70M 熱軋鋼板技術(shù)要求相比，出口訂單要求屈服強(qiáng)度更高、 屈強(qiáng)比更低； 對于韌性， 要求沖擊試樣取之鋼板厚度1/2 位置， 且要求-15 ℃DWTT 剪切面積均值在90%以上， 鋼板外形尺寸等要求也非常嚴(yán)格， 批量生產(chǎn)難度較大。

表1 X70M 出口訂單力學(xué)性能要求

2 成分設(shè)計(jì)及冶煉控制

為滿足訂單的力學(xué)性能要求， 在成分設(shè)計(jì)上仍采用低碳+高錳、 Nb+Cr+Mo 的合金體系，并對部分元素進(jìn)行優(yōu)化。 其中， 為了降低超低碳出鋼對轉(zhuǎn)爐爐襯的影響， 提升批量冶煉能力， C 元素較常規(guī)范圍上浮0.01%， 同時(shí)為保持CEpcm不升高并穩(wěn)定鋼板韌性， 大幅降低了Cr 元素含量并添加少量Mo 元素， 其中Mo 的添加對抑制鐵素體相變并獲得針狀鐵素體組織具有顯著的作用[7]。 超寬X70M 鋼板化學(xué)成分見表2。

表2 超寬X70M 鋼板化學(xué)成分 %

冶煉過程采用轉(zhuǎn)爐—LF—RH—連鑄的工藝流程， 采用優(yōu)選鐵水， 保證入爐鐵水w（P）≤0.110%， 采用KR 預(yù)處理脫硫， 保證入爐w（S）≤0.010%。 轉(zhuǎn)爐采用雙渣冶煉， 控制出鋼成分中w（C）≤0.050%、 w（P）≤0.010%、 w（S）≤0.007%。LF 造白渣脫硫， 優(yōu)質(zhì)白灰加入量≥12 kg/t， 白渣保持時(shí)間≥15 min。 RH 爐高真空 （真空度≤67 Pa） 循環(huán)時(shí)間≥15 min， 出站喂鈣線＞100 m，喂線后靜吹氬時(shí)間≥10 min。 通過以上措施， 促進(jìn)鋼中夾雜物變形及大顆粒夾雜物的有效去除。連鑄過程采用250 mm×2 400 mm 斷面， 全程保護(hù)澆注， 要求增氮量≤0.000 3%， 避免鋼液二次氧化， 要求低過熱度澆注， 實(shí)際過熱度≤25 ℃，保持恒拉速， 液面波動(dòng)控制在±3 mm。 通過以上措施， 避免工藝波動(dòng)導(dǎo)致夾雜物超標(biāo)， 保證坯料內(nèi)部質(zhì)量滿足要求。

采用以上工藝批量冶煉X70M 管線鋼超過640爐， 抽檢冷酸蝕試樣組織形態(tài)， 按曼內(nèi)斯曼標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)。 評價(jià)結(jié)果顯示， 組織中心偏析≤2 級試樣比例為100%。 逐爐檢驗(yàn)管線鋼中夾雜物， 發(fā)現(xiàn)其中主要以球狀D 類夾雜為主， 少量樣品存在A 類和B類夾雜， 具體各類夾雜物檢出比例見圖1。

圖1 夾雜物類型及檢出比例

3 軋制及UFC 超快冷工藝

超寬X70M 鋼板的軋制工藝要綜合考慮力學(xué)性能與板形要求， 由于鋼板展寬比＞1.8， 粗軋展寬道次多， 且道次壓下量難以增大， 展寬后縱軋道次壓下率僅能保證在15%～17%， 與常規(guī)鋼板相比， 再結(jié)晶奧氏體細(xì)化效果減弱， 而再結(jié)晶奧氏體尺寸對管線鋼DWTT 性能影響明顯[8-9]。 因此，為盡可能細(xì)化奧氏體晶粒， 鋼坯加熱溫度不能過高， 宜控制在1 160～1 220 ℃， 同時(shí)， 為保證C、N 化物充分固溶并且避免由于鋼坯未充分燒勻、燒透導(dǎo)致的粗軋階段跳道次， 冷裝鋼坯在爐時(shí)間至少控制在280 min。 精軋階段， 為保證未再結(jié)晶區(qū)累計(jì)壓下效果， 為后續(xù)相變提供更多的形核點(diǎn)、細(xì)化相變后組織， 設(shè)計(jì)中間坯厚度≥3.5 倍成品厚度， 精軋開軋溫度≤900 ℃， 終軋溫度控制在790～840 ℃， 精軋階段除了嚴(yán)格控制溫度外， 也要控制壓下率， 避免末道次壓下率過大， 造成鋼板原始浪形嚴(yán)重， 軋制道次壓下率分配見圖2。

圖2 軋制道次壓下率分配

鋼板軋制后快速通過預(yù)矯直機(jī)進(jìn)入冷卻系統(tǒng)。冷卻系統(tǒng)分為A、 B 兩段， 各有上下15 組噴嘴，其中A 段前四組為縫隙噴嘴， 其余全部為高密噴嘴， 在高位水箱供水的狀態(tài)下， 冷卻水壓力為0.15 MPa， 啟動(dòng)增壓泵后A 段冷卻水壓力可以調(diào)整為0.5 MPa， 實(shí)現(xiàn)超快冷功能。 超寬X70M 首次軋制試驗(yàn)分別采用超快冷和ACC 模式進(jìn)行對比，比較在軋制、 控冷溫度要求一致的情況下鋼板性能及板形差異。 具體性能及組織如表3 和圖3 所示。

表3 超寬X70M 超快冷鋼級與ACC 模式鋼板力學(xué)性能對比

圖3 超寬X70M 超快冷鋼板與ACC 模式鋼板金相組織對比

從對比結(jié)果看， 試驗(yàn)鋼板出水及矯直后板形無明顯差別。 超快冷模式鋼板比ACC 模式鋼板屈服強(qiáng)度提高了27 MPa， 抗拉強(qiáng)度提高了21 MPa， 屈 強(qiáng) 比 提 高 了0.02， 沖 擊 性 能 及DWTT 性能也明顯提高。 采用ACC 模式生產(chǎn)的鋼板金相組織為準(zhǔn)多邊形鐵素體+粒狀貝氏體+少量珠光體， 而采用超快冷模式生產(chǎn)的鋼板金相組織的準(zhǔn)多邊形鐵素體和珠光體顯著減少， 組織轉(zhuǎn)變?yōu)榈湫偷尼槧铊F素體。 由此可見， 采用超快冷工藝后較大的冷卻速度抑制了鐵素體相變， 終冷后鋼板在較大的過冷度下發(fā)生針狀鐵素體相變， 組織更加均勻細(xì)化， 鋼板綜合性能更優(yōu)異。

因此， 為獲得更好的力學(xué)性能， 批量生產(chǎn)的超寬X70M 鋼板采用超快冷模式進(jìn)行冷卻，盡可能提高開始冷溫度， 避免入水前析出較多先共析鐵素體， 超快冷A 段水流量使用大流量，上下水比＞1.5， 終冷溫度控制在470～520 ℃， 邊腔系數(shù)控制在0.35～0.45， 并投入頭尾遮蔽功能， 避免因鋼板冷卻不均而造成性能不均及鋼板瓢曲問題。

4 批量生產(chǎn)結(jié)果

采用該工藝生產(chǎn)厚度19.7～22.2 mm、 寬度4 376 mm 的X70M 鋼板累計(jì)超過6.5 萬t， 檢驗(yàn)批次2 176 批， 性能合格率99.4%， 性能檢驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 超寬X70M 超快冷鋼板力學(xué)性能測試結(jié)果

從表4 性能測試結(jié)果可以看出， 鋼板的力學(xué)性能優(yōu)異。 其中， 屈服強(qiáng)度均值552 MPa， 抗拉強(qiáng)度均值646 MPa， 屈強(qiáng)比均值0.85， 能夠滿足X70M 鋼級制管后強(qiáng)度變化的要求； 韌性方面， -30 ℃沖擊功均值＞300 J， -15 ℃DWTT 剪切面積均值92%。 對鋼板沖擊性能和DWTT 性能進(jìn)行系列溫度試驗(yàn)， 結(jié)果如圖4 所示。 由圖4可見， 鋼板-60 ℃沖擊功仍大于200 J， DWTT 50%FATT 溫度低于-40 ℃， 說明鋼板韌性余量充足。

圖4 超寬X70M 鋼板沖擊韌性及DWTT 系列溫度試驗(yàn)結(jié)果

批量生產(chǎn)的鋼板按 《BS 5996 超聲波探傷規(guī)范》 標(biāo)準(zhǔn)B4E3 級別進(jìn)行探傷檢驗(yàn)， 鋼板探傷合格率99.6%； 測量鋼板寬度公差平均值6 mm， 鐮刀彎和不平度分別按≤8 mm/12 m 和≤10 mm/2 m 的標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)收， 合格率均達(dá)到100%。

5 結(jié) 論

（1） 通過優(yōu)化成分設(shè)計(jì)， 改進(jìn)冶煉軋制工藝， 配合UFC 超快冷模式開發(fā)了4 376 mm 超寬X70M 管線鋼板， 并實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定生產(chǎn)。

（2） 4 376 mm 超寬X70M 鋼板拉伸性能控制均勻， 屈服強(qiáng)度均值為552 MPa， 抗拉強(qiáng)度均值為646 MPa， 屈強(qiáng)比均值為0.85， -30 ℃沖擊功均值＞300 J， -15 ℃DWTT 剪切面積均值為92%， 滿足X70M 鋼級制管要求。

（3） 超寬X70M 鋼板軋制工藝綜合考慮力學(xué)性能與板形要求， 鋼坯加熱溫度1 160～1 220 ℃，中間坯厚度≥3.5 倍成品厚度， 精軋開軋溫度≤900 ℃， 終軋溫度控制在790～840 ℃之間，避免最后幾道次壓下率過大。

（4） 與常規(guī)ACC 軋制工藝相比， 超快冷工藝較大的冷速抑制了鐵素體相變發(fā)生， 終冷后鋼板在較大的過冷度下發(fā)生針狀鐵素體相變，組織更加均勻細(xì)化， 鋼板綜合性能更加優(yōu)異。