低硬度X70M管線鋼卷材的開發(fā)

孔祥磊 黃國(guó)建 吳成舉 徐 烽 栗 銳

(1.海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 鞍山 114009； 2.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009;3.鞍鋼股份有限公司，遼寧 鞍山 114021)

X70M管線鋼已成為國(guó)內(nèi)外重大管道工程建設(shè)的主流用鋼[1- 2]，技術(shù)指標(biāo)一般根據(jù)管線鋼規(guī)范(API SPECIFICATION 5L)[3]確定，并視工程的具體要求適當(dāng)調(diào)整。硬度是主要的性能指標(biāo)之一，API SPECIFICATION 5L規(guī)定鋼管硬度≤345 HV10，國(guó)標(biāo)(GB/T 14164—2013)[4]規(guī)定卷材硬度≤260 HV10，中石油通用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[5- 6]規(guī)定卷材硬度≤255 HV10、鋼管硬度≤275 HV10，中石化通用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[7- 8]規(guī)定卷材硬度≤250 HV10、鋼管硬度≤265 HV10。

鞍鋼承接的出口印度的某管道工程用X70M管線鋼熱軋卷材，技術(shù)協(xié)議中提出了苛刻的≤230 HV10的硬度要求，并要求確保鋼管硬度≤248 HV10。為此，需要設(shè)計(jì)更為經(jīng)濟(jì)合理的化學(xué)成分和生產(chǎn)工藝。本文簡(jiǎn)要介紹了鞍鋼成功研制的低硬度X70M管線鋼卷材的成分、性能特點(diǎn)和應(yīng)用。

1 技術(shù)要求

該工程用X70M管線鋼卷材規(guī)格為15.9 mm×1 450 mm，成分要求見表1。化學(xué)成分的顯著特點(diǎn)為大幅度降低了錳的上限值，而在通用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中，X70M鋼中錳含量的上限為2.00%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)。常規(guī)生產(chǎn)螺旋埋弧焊鋼管用卷材時(shí)，一般添加1.70%左右的錳。

表1 X70M管線鋼卷材的化學(xué)成分要求 (質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition requirements for the X70M pipeline steel coil (mass fraction) %

力學(xué)性能要求見表2。卷材拉伸試樣取樣方向與軋制方向成30°夾角。有關(guān)研究[9- 11]指出，采用熱機(jī)械軋制(TMCP)生產(chǎn)的管線鋼卷材，由于顯微組織沿軋制方向拉長(zhǎng)和相變過程中產(chǎn)生熱軋織構(gòu)，導(dǎo)致與軋制方向呈30°夾角的方向的強(qiáng)度值幾乎最低，因此設(shè)計(jì)X70M鋼卷材時(shí)，高強(qiáng)度是必要條件。但強(qiáng)度和硬度存在正比關(guān)系，而本項(xiàng)目X70M鋼硬度的上限值被嚴(yán)格限制，如何保證同時(shí)滿足強(qiáng)度和硬度要求是本文研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

表2 X70M管線鋼卷材的力學(xué)性能要求Table 2 Mechanical property requirements for the X70M pipeline steel coil

2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

2.1 成分設(shè)計(jì)

采用C- Mn- Cr- Nb系成分，并充分利用合金元素控制組織和細(xì)化晶粒的作用，主要成分的目標(biāo)值見表3。

(1)碳：強(qiáng)化效果明顯且最為經(jīng)濟(jì)。但為了保證鋼的低溫韌性、可焊接性等，碳的添加量不宜超過0.08%，否則易因碳偏析而產(chǎn)生帶狀組織，造成該部位硬度高于技術(shù)要求。

(2)錳：主要起固溶強(qiáng)化作用，又能擴(kuò)大γ相區(qū)， 由于降低γ→α轉(zhuǎn)變溫度而細(xì)化相變組織。但錳也易偏析，導(dǎo)致產(chǎn)生偏析帶而影響產(chǎn)品硬度和斷裂韌度。

(3)鈮：主要是通過應(yīng)變誘導(dǎo)析出NbC阻礙形變奧氏體的回復(fù)、再結(jié)晶，降低相變溫度[12]，使未再結(jié)晶區(qū)的形變奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的針狀鐵素體，以提高強(qiáng)度和韌性。同時(shí)與碳、氮結(jié)合，形成細(xì)小彌散的第二相，起析出強(qiáng)化作用。

(4)鉻、鉬：主要是使鋼在γ→α轉(zhuǎn)變過程中獲得針狀鐵素體，并改善低溫韌性和耐蝕性。鉬的作用更明顯，但價(jià)格偏貴。鉻會(huì)明顯提高鋼的抗拉強(qiáng)度導(dǎo)致硬度超標(biāo)，為此將二者共同加入鋼中。

表3 X70M管線鋼卷板化學(xué)成分的目標(biāo)值(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 3 Target values of chemical composition for the X70M pipeline steel coil (mass fraction) %

2.2 生產(chǎn)工藝

本文研制的低硬度X70M管線鋼卷材采用純凈鋼冶煉工藝連鑄和TMCP軋制技術(shù)，主要生產(chǎn)流程為鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐冶煉→爐外精煉(RH+LF+鈣處理)→連鑄→加熱→軋制→層流冷卻→卷取。

2.2.1 冶煉連鑄

采用純凈鋼冶煉工藝，經(jīng)轉(zhuǎn)爐冶煉和爐外精煉，達(dá)到硫、磷、氧、氫、氮等雜質(zhì)元素的含量最低和夾雜物球化、細(xì)小彌散的效果。保護(hù)澆注鑄坯，鑄坯厚度170 mm，凝固過程的冷卻速率大，二次枝晶間距小，有利于組織細(xì)化。

2.2.2 軋制冷卻

將鑄坯充分加熱至其完全奧氏體化，但加熱時(shí)間不宜過長(zhǎng)，否則易造成晶粒粗大。隨后兩階段控制軋制，粗軋使奧氏體晶粒細(xì)化，精軋采用低溫、大壓下量，使得奧氏體晶粒充分扁平化并積累充足的相變能量，合理控制冷速和終冷溫度以獲得細(xì)小均勻的針狀鐵素體組織。冷速低、終冷溫度高易生成更多的多邊形鐵素體，造成強(qiáng)度不足；冷速高、終冷溫度低易生成板條貝氏體或馬氏體，導(dǎo)致硬度偏高。

3 產(chǎn)品質(zhì)量及應(yīng)用

2017年，鞍鋼研制成功低硬度X70M管線鋼熱軋卷材，并在鞍鋼股份2150ASP機(jī)組批量生產(chǎn)了5.47萬(wàn)t，在國(guó)內(nèi)某鋼管廠制成φ762 mm螺旋埋弧焊管，全部出口印度用于管道工程建設(shè)。

3.1 微觀組織

采用萊卡DMI5000M型光學(xué)顯微鏡觀察卷材的顯微組織，見圖1，為針狀鐵素體+M- A組元，晶粒細(xì)小(ASTM 13級(jí))，帶狀組織輕微(0.5級(jí))，夾雜物完全球化(D類，0.5級(jí))。這種細(xì)小均勻的針狀鐵素體組織特征確保了X70管線鋼具有高的強(qiáng)度和良好的韌性。

圖1 15.9 mm厚X70M管線鋼卷材的(a)顯微組織、(b)晶粒大小、(c)帶狀組織和(d)夾雜物Fig.1 (a) Microstructure, (b) grain size, (c) banded structure and (d) inclusion in the 15.9 mm- thick X70M pipeline steel coil

在用薄膜法制樣后，采用Tecnai G220型透射電鏡觀察顯微組織和位錯(cuò)，見圖2，可見針狀鐵素體中有大量高密度位錯(cuò)。用復(fù)型法制樣后，利用透射電鏡觀察析出相形貌并檢測(cè)其成分，見圖3。試樣中第二相粒徑基本小于150 nm，其中大部分粒徑為40～100 nm，均勻分布在基體中。能譜分析表明，析出相為(Nb,Ti)(C, N)。在鋼卷溫度下降的過程中，首先析出方形Ti(C, N)粒子，一般大于40 nm。隨著溫度進(jìn)一步下降，在Ti(C, N)粒子附著析出Nb(C, N)，粒徑進(jìn)一步增大。隨著冷速提高，會(huì)析出部分粒徑小于30 nm的Nb(C, N)粒子。這些微小的析出相起到了阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大和抑制奧氏體再結(jié)晶的作用，使變形奧氏體中存在高密度的位錯(cuò)和變形帶，從而有效細(xì)化晶粒，提高管線鋼的強(qiáng)度和韌性。

3.2 力學(xué)性能

低硬度X70M管線鋼卷材批量生產(chǎn)的工藝和過程控制良好，產(chǎn)品性能合格率達(dá)100%，原品種成材率為95.3%，各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)的過程控制能力指數(shù)(Cpk)均大于1.33。

圖2 15.9 mm厚X70M管線鋼卷材中的針狀鐵素體和位錯(cuò)Fig.2 Acicular ferrite and dislocations in the 15.9 mm- thick X70M pipeline steel coil

3.2.1 卷板的主要力學(xué)性能

統(tǒng)計(jì)表明(見表4)，鞍鋼生產(chǎn)的15.9 mm 厚X70M熱軋卷材的各項(xiàng)性能指標(biāo)完全符合工程項(xiàng)目技術(shù)規(guī)格書、數(shù)據(jù)單文件和制管廠技術(shù)協(xié)議。

表4 X70M 管線鋼卷材的力學(xué)性能Table 4 Mechanical properties of the X70M pipeline steel coil

3.2.2 卷材不同方向的力學(xué)性能

按ASTM A370標(biāo)準(zhǔn)，分別在與軋制方向平行、與軋制方向成30°和90°夾角的方向?qū)聿娜硬⑦M(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果列于表5。應(yīng)力- 應(yīng)變曲線均為Round- House型，為典型的針狀鐵素體組織特征。表5數(shù)據(jù)表明，卷材各向異性較為明顯，橫向強(qiáng)度值明顯高于其他方向，與軋制方向成30°夾角的方向的強(qiáng)度最低，因此在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到測(cè)定力學(xué)性能試樣的取樣方向。

3.2.3 沖擊和落錘試驗(yàn)

按ASTM A370和API RP 5L3標(biāo)準(zhǔn)分別對(duì)X70M卷材進(jìn)行沖擊和落錘檢驗(yàn)(按協(xié)議規(guī)定取樣方向均為與軋制方向成30°夾角)，結(jié)果見表6。落錘試樣斷口形貌見圖4(a)，從左至右檢驗(yàn)溫度依次為-60～20 ℃，圖4(b)為-20 ℃試驗(yàn)試樣的斷口微觀形貌，為典型的韌性斷裂。

表5 X70M管線鋼卷材不同方向的力學(xué)性能Table 5 Mechanical properties of the X70M pipeline steel coil in different directions

表6表明，-30 ℃落錘性能仍符合標(biāo)準(zhǔn)要求，-60 ℃的沖擊吸收能量大于200 J，韌脆轉(zhuǎn)變溫度低于-60 ℃，產(chǎn)品的低溫?cái)嗔秧g性良好。

3.3 鋼管性能

鞍鋼X70M管線鋼卷材發(fā)往國(guó)內(nèi)某鋼管廠，采用螺旋埋弧焊制成了φ762 mm鋼管，性能全部合格，見表7。鋼管拉伸性能與卷材相比，屈服強(qiáng)度平均降低18 MPa，抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率基本一致，屈強(qiáng)比略有降低。

4 結(jié)論

表6 X70M管線鋼卷材的沖擊和落錘性能Table 6 Impact property and DWTT property of the X70M pipeline steel coil

圖4 X70M管線鋼卷材落錘試樣的斷口形貌Fig.4 Fractographs of DWTT sample of the X70M pipeline steel coil

表7 X70M 管線鋼鋼管的力學(xué)性能Table 7 Mechanical properties of pipes made from the X70M pipeline steel coil

鞍鋼采用純凈鋼冶煉工藝、TMCP軋制工藝研制的C- Mn- Cr- Nb系X70M管線鋼卷材具有低硬度、高韌性、易焊接等特點(diǎn)，顯微組織為針狀鐵素體，晶粒細(xì)小均勻，位錯(cuò)密度高，并有大量(Nb,Ti)(C, N)粒子彌散析出，強(qiáng)化機(jī)制為細(xì)晶強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化和析出強(qiáng)化，產(chǎn)品各項(xiàng)性能指標(biāo)完全滿足API SPECIFICATION 5L標(biāo)準(zhǔn)和有關(guān)工程技術(shù)協(xié)議的要求。采用螺旋埋弧焊接工藝制成的φ762 mm×15.9 mm鋼管，其技術(shù)指標(biāo)全部合格。

低硬度X70M管線鋼熱軋卷材的成功開發(fā)和批量生產(chǎn)，滿足了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外管道建設(shè)的需求，提高了鞍鋼高級(jí)別管線鋼的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，具有極大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。