管線鋼板X(qián)65M的工藝和組織分析

李柏君

【摘 要】采用C-Mn-Nb-Mo復(fù)合成分設(shè)計(jì)和控制軋制工藝研制厚規(guī)格X65M管線鋼，通過(guò)分析鋼板的組織和性能，符合現(xiàn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。規(guī)?；堉芚65M厚規(guī)格管線鋼可以采用控制軋制和加速冷卻工藝，獲得低碳針狀鐵素體組織，保證管線鋼板強(qiáng)韌性綜合性能。該工藝有效降低生產(chǎn)成本，有助于提升管線鋼產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

【關(guān)鍵詞】管線鋼；X65M；厚規(guī)格；控制軋制

0 前言

因?yàn)榻?jīng)濟(jì)發(fā)展需要，采用高壓力、大管徑鋼管長(zhǎng)距離輸送油氣資源成為必然趨勢(shì)。隨著輸油氣管道直徑增大、工作壓力增高、服役條件愈加苛刻，加快高等級(jí)厚規(guī)格管線鋼研制，搶占油氣管道市場(chǎng)對(duì)各大鋼廠具有重要意義。某鋼廠通過(guò)加快高等級(jí)厚規(guī)格管線鋼的試制開(kāi)發(fā)，推動(dòng)了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整和技術(shù)進(jìn)步。本文主要介紹壁厚大于25 mm的X65M管線鋼板的開(kāi)發(fā)試制和鋼板組織與性能的關(guān)系。

1 設(shè)備保障

厚規(guī)格管線鋼嚴(yán)格的性能要求使得其對(duì)設(shè)備的依賴性很高，冶煉方面擁有KR鐵水預(yù)脫硫處理站、120噸頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐、135噸LF+VD爐外精煉處理站和配套的270mm斷面板坯連鑄機(jī)，能減少鋼中夾雜物、凈化鋼質(zhì)，改善鋼板的各向異性，提高沖擊韌性。軋鋼方面配有在線加速冷卻裝置和低溫強(qiáng)力矯直機(jī)，具備管線鋼軋后冷卻及板形矯直能力。

2 成分設(shè)計(jì)

厚規(guī)格管線鋼應(yīng)用環(huán)境嚴(yán)苛，技術(shù)含量要求高，對(duì)鋼板成分、性能、低溫韌性、焊接性能等指標(biāo)要求較嚴(yán)格，生產(chǎn)難度較大?，F(xiàn)場(chǎng)施工易出現(xiàn)焊接裂紋和強(qiáng)度損失，對(duì)鋼板強(qiáng)度和心部韌性要求也更加嚴(yán)格。為保證鋼板的高強(qiáng)度、高韌性、較高的焊接性能和現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性，管線鋼中的碳、錳元素要求分別控制0.12%以下、1.1%～2.0%[1]。

在冶煉過(guò)程中添加適量鈮釩鈦強(qiáng)氮化物形成元素，使管線鋼微合金化，再配合控軋控冷工藝，可以實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化和延遲奧氏體的再結(jié)晶。利用在鋼板軋制過(guò)程中鈮的碳氮化合物的晶粒細(xì)化和沉淀強(qiáng)化作用，鋼板可以獲得高強(qiáng)度、高韌性，合理的含[Nb]量應(yīng)為 0.03%～0.05%。適當(dāng)加入鈦、釩元素，通過(guò)和鐵素體中碳氮形成化合物析出，可以產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化效果和一定程度的細(xì)化晶粒作用。適當(dāng)添加鉬元素有利于提升抗拉強(qiáng)度。鉻可以增加貝氏體的淬透性，促進(jìn)以針狀為主的貝氏體轉(zhuǎn)變，能夠改善鋼的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和屈強(qiáng)比。鉻和鉬能顯著提高鋼的淬透性。

3 工藝路線設(shè)計(jì)

煉鋼：高爐鐵水→KR預(yù)脫硫→轉(zhuǎn)爐冶煉→鋼包合金化→LF精煉→VD真空精煉→全程保護(hù)澆鑄→板坯精整→檢驗(yàn)

軋鋼：加熱→開(kāi)坯粗軋→適宜控溫精軋→控制冷卻→矯直→上表面檢驗(yàn)→剪切取樣→下表面檢驗(yàn)→噴號(hào)標(biāo)記→入庫(kù)

4 冶煉工藝設(shè)計(jì)

4.1 鐵水預(yù)處理和轉(zhuǎn)爐煉鋼

采用鐵水預(yù)處理降低磷硫含量，提高管線鋼低溫韌性和耐腐蝕性能。通過(guò)頂?shù)讖?fù)吹少渣冶煉，充分吹氬攪拌促進(jìn)鋼中的夾雜物上浮。提高轉(zhuǎn)爐煉鋼碳含量終點(diǎn)命中率，盡量減少點(diǎn)吹次數(shù)，爭(zhēng)取一次拉碳成功。

4.2 精煉

采用低硫精煉工藝，為促進(jìn)橫向韌性提升，可以采用加鈣促進(jìn)夾雜物變形處理。

4.3 連鑄

采用低過(guò)熱度、控制澆注速度，配合低頻電磁攪拌和智能輕壓下技術(shù)，可以進(jìn)行低成本高質(zhì)量高效率的連鑄生產(chǎn)。為防止出現(xiàn)鑄坯表面裂紋、降低合金元素偏析、減少連鑄過(guò)程中的氧化，需要注意控制水冷速度，減少液相穴內(nèi)溶質(zhì)富集，全程無(wú)氧化保護(hù)澆注。在管線鋼連鑄生產(chǎn)中，采用氬氣保護(hù)、中間包凈化技術(shù)，防止產(chǎn)生大顆粒夾雜物、成分偏析、表面和內(nèi)部裂紋，同時(shí)避免鋼水從鋼包到中間包以及中間包到結(jié)晶器時(shí)發(fā)生二次氧化。

5 軋制工藝設(shè)計(jì)

利用在線冷卻技術(shù)，不僅可以大幅度降低管線鋼板的成本，還能提高鋼的韌性、塑性。軋制制度按照常規(guī)產(chǎn)品軋制，提高生產(chǎn)節(jié)奏，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

5.1 加熱工藝

管線鋼中鈮碳氮化合物的溶解度從1150℃開(kāi)始逐漸增高，對(duì)奧氏體晶粒尺寸產(chǎn)生較大程度的影響，進(jìn)一步會(huì)影響到管線鋼性能，因此要提升管線鋼性能必須重視加熱工藝。在適量鈦元素的作用下可以控制晶粒粗化溫度到1240～1260℃之間，避免奧氏體晶粒尺寸增長(zhǎng)過(guò)快。

加熱工藝的重點(diǎn)是為鋼坯加熱溫度控制一個(gè)合理區(qū)間，使鈮和其他合金元素的碳氮化合物溶解度控制在合理范圍，這樣可以避免晶粒過(guò)于粗大而降低韌性。嚴(yán)格執(zhí)行加熱工藝，保證各鋼坯加熱時(shí)間大于3.5小時(shí)，使得鋼坯加熱更為均勻，促進(jìn)鈮鈦元素的固溶。厚規(guī)格管線鋼根據(jù)鈮鈦元素含量不同采用不同的加熱溫度，基本控制在1100～1250℃[2]。

5.2 軋制工藝

控軋工藝可以充分發(fā)揮鈮、釩、鈦等微量元素的作用，實(shí)現(xiàn)組織晶粒細(xì)化，提高鋼板強(qiáng)度和低溫韌性。根據(jù)實(shí)行控制軋制時(shí)奧氏體是否發(fā)生再結(jié)晶可以將控軋過(guò)程劃分為I、II兩階段。對(duì)于C-Mn-Nb-Mo管線鋼來(lái)說(shuō)，奧氏體再結(jié)晶比例與變形量、變形溫度均為正相關(guān)。當(dāng)前者為固定值時(shí)，奧氏體再結(jié)晶比例與變形溫度曲線較陡峭，當(dāng)后者為固定值時(shí)，奧氏體再結(jié)晶比例與變形量曲線較平緩[3]。

在生產(chǎn)實(shí)踐中采取兩階段控軋控冷工藝，根據(jù)不同的訂單厚度，通過(guò)控制冷卻速度及終冷溫度來(lái)設(shè)計(jì)不同的冷卻工藝，第I階段控制中間坯的厚度為訂單規(guī)格的2.5～4倍，利用道次間冷卻和待溫進(jìn)行第II階段軋制，最終得到訂單要求的尺寸，終軋溫度一般為750～800℃[4]。

5.3 冷卻工藝

加速冷卻可以通過(guò)控制溫降速度，利用余熱使鋼板組織發(fā)生預(yù)定相變，達(dá)到熱處理的部分效果，實(shí)現(xiàn)縮減工序，壓縮生產(chǎn)周期。

6 生產(chǎn)試制

6.1 X65M管線鋼板力學(xué)性能

試制的X65M管線鋼化學(xué)成分控制精準(zhǔn)，鑄坯質(zhì)量良好，X65M管線鋼板屈服強(qiáng)度均在470MPa以上，抗拉強(qiáng)度均在570MPa以上，冷彎性能、落錘性能合格，試制鋼板符合標(biāo)準(zhǔn)要求。觀察沖擊斷口和落錘斷口可以發(fā)現(xiàn)，其形貌中韌窩比例很高，屬于韌性斷裂，有很好的抗撕裂能力。

6.2 組織分析

通過(guò)觀察試制的X65M管線鋼板微觀組織照片，主要是針狀鐵素體+塊狀鐵素體+少量的珠光體的復(fù)合組織。這種針狀鐵素體鋼板具有較高的屈服強(qiáng)度以及良好的沖擊韌性。通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀察，針狀鐵素體體塊沒(méi)有特定的幾何形狀，塊間晶界不顯著，針狀鐵素體內(nèi)部存在突起和紋理顯示存在大量的位錯(cuò)，晶粒內(nèi)部和晶粒之間分布著細(xì)小的M/A島。

6.3 系列溫度沖擊試驗(yàn)

為了研究鋼板的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，對(duì)厚度規(guī)格50.8mm的X65M管線鋼板進(jìn)行了0～-100℃系列溫度沖擊韌性檢驗(yàn)，分別選擇從管線鋼板厚度二分之一處和厚度四分之一處取樣。通過(guò)對(duì)比檢驗(yàn)，驗(yàn)證了在0～-60℃溫度范圍內(nèi)厚度二分之一處及四分之一處沖擊功都比較均勻，波動(dòng)較小，說(shuō)明鋼板韌脆轉(zhuǎn)變溫度低于-60℃，具有優(yōu)良的低溫韌性。

7 結(jié)論

1）采用鈮鈦復(fù)合微合金化技術(shù)、潔凈鋼生產(chǎn)技術(shù)、控制軋制工藝和加速冷卻技術(shù)，試驗(yàn)軋制的X65M厚規(guī)格管線鋼板，鋼板組織均勻、晶粒適中，具有較好的低溫韌性。

2）添加少量微合金化元素Nb、Ti，成分發(fā)揮細(xì)晶強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化作用。在線加速冷卻技術(shù)可以細(xì)化鋼板組織，獲得細(xì)小均勻的超低碳針狀鐵素體組織，提高鋼板的綜合性能。

3）在生產(chǎn)管理、冶煉工藝、連鑄工藝和軋制工藝等多方面精心組織、嚴(yán)格控制和精細(xì)操作，X65M管線鋼板可以實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]