X70管线钢卷板的工业化生产

X70管线钢卷板的工业化生产张全刚，徐文燕，陈煜（安阳钢铁股份有限公司）摘要：通过设计合理的化学成分和生产工艺，在安钢150吨转炉-1780mm热连轧生产线上成功开发了X70高级别管线钢。利用光学显微镜，研究了不同冷却速率下组织与性能的关系。结果表明，当获得针状铁素体组织时，钢板具有最佳的综合力学性能。关键词：管线钢；化学成分；生产工艺；针状铁素体；力学性能IndustrialProductionofX70pipelinesteelrollingbendingZAHGNQuan-gang，XuWen-yan,CHENYu（AnyangIron&SteelStockCo.，Ltd，Anyang455004China；）Abstract：Basedonthe150-tonBOF-1780mmhotcontinuousrollinglineofAnyangIron&SteelStockCo.，Ltd，theAngangX70acicularferritepipelinesteelwasdevelopedsuccessfullybymeansofreasonabledesignofchemicalcompositionandproductiontechnology.Therelationofmicrostructureandmechanicalpropertiesinvariedcoolingratewasstudiedbythelightmicroscope.Theresultsshowthatthesteelplatehasexcellentintegratedmechanicalproperties，whenitobtaintheacicularferrite.Keywords：pipelinesteel；chemicalcomposition；productiontechnology；acicularferrite；mechanicalproperties管线钢作为近代冶金技术、材料技术和制造技术发展的一个产物，广泛应用于原油、成品油、天然气及水煤浆等物质的管道输送。在铁路、公路、航空、水运和管道5种运输方式中，管道运输是一种经济、先进的运输方式。目前国际上通过管道运输的物资占运输总量的20%，而我国占2%多点，随着我国能源结构的调整和物料输送方式的改变，管线钢在我国将具有良好的市场前景。特别是随着输气量的不断增大，输气压力的不断提高，要求管线钢的级别和壁厚也越来越大，X70、X80将成为主流管线用钢。对于高级别的管线钢，每提高一个钢级，可节约建设成本7%左右，大幅度降低输送成本。因此，加快我国高等级管线钢的研制，满足国内工程的使用需求，将是全国各大钢厂的历史使命。1X70管线钢技术要求管线钢由于其特殊的使用环境，不仅要求有较高的强度，而且要求具有良好韧性、抗疲劳性能、抗断裂性能和耐腐蚀性能，同时还要具有良好的焊接性能和加工性能。下面几个表格列出了中亚天然气管道工程用X70管线钢的主要技术指标。表1：拉伸性能要求Rt0.5（MPa）Rm（MPa）Rt0.5/RmA50（％）485-630570-760≤0.90APISPEC5L注：允许其中5%的炉批屈强比≤0.92。上表要求为钢管屈服强度要求，根据协商一致的原则，制造商可对供应卷板的屈服强度进行调整，但必须保证制成钢管的屈服强度符合螺旋埋弧焊钢管技术条件的规定。表2：夏比V型冲击韧性要求剪切面积SA%冲击功试验温度单个最小值三个平均值单个最小值三个平均值方向-10℃≥75≥85≥130J≥170J与轧制方向成30°表3：DWTT试验温度及剪切面积DWTT剪切面积最小百分数（%）试验温度单个最小值两个平均值试样方向-15℃≥70%≥85%与轧制方向成30°X70管线钢卷板横向截面上最大允许硬度值为260HV10。A、B、C、D四类夹杂物均不大于2.0级。2生产工艺路线安钢X70管线钢卷板在第二炼轧厂150吨转炉-1780mm热连轧生产线生产，该生产线是集冶炼、连铸、轧制与一身，工艺装备优良，全程自动控制，于2007年6月12日正式热试投产。其生产工艺流程如下：铁水预处理→150吨转炉冶炼→LF精炼→VD/RH真空脱气→双流板坯连铸→板坯加热→除鳞→粗轧→七机架精轧机连轧→层流冷却→卷取→抽卷检查→取样→打包、喷印、标识→成品入库。3生产关键技术及工艺要点3.1成分设计原理在保证X70管线钢具有良好的强度和韧性的同时，还必须保证具有良好的焊接性能，碳当量上限尽可能控制在0.42以内。因此在成分设计时，采用降C来改善DWTT和韧性，通过添加Mn、Nb、V、Ti、Al、Mo、Cr等微合金元素来弥补降C造成的强度损失，降低钢中的S、P等有害元素的含量，充分利用控制轧制和控制冷却，获得针状铁素体，满足X70各项性能要求。表4是X70管线钢卷板生产当中执行的成分表：表4：X70管线钢卷板化学成分表/%项目CSiMnPSAltNbVTi控制≤0.070.10-0.301.50-1.70≤0.015≤0.0030.02-0.060.05-0.080.02-0.060.010-0.020标准≤0.09≤0.35≤1.65≤0.020≤0.005≤0.06≤0.11≤0.08≤0.025项目CrNiCuMoNBCeqPcm控制0.20-0.30≤0.30≤0.300.18-0.30≤0.008≤0.0005≤0.42≤0.20标准≤0.35≤0.30≤0.30≤0.300.010≤0.0005-≤0.23注：V+Nb+Ti≤0.15%；不得有意加入B和稀土元素；C含量比规定最大含量每降低0.01%，Mn允许比规定最大含量提高0.05%，但不得超过1.85%。3.2加热工艺对常规的钢种来说，加热的主要目的就是将钢奥氏体化，提高钢的塑性，降低轧制时的变形抗力。但对X70管线钢来说，却还有更多的内容和要求。由于钢中合金元素含量相对较高，加热温度过低，铌将不能完全固溶，轧制过程中不能充分发挥铌在控制轧制中的作用；加热温度过高，又可能影响A晶粒尺寸的细化程度和均匀性，从而影响最终的组织和性能。因此，加热温度制定的依据是能溶解大量的合金元素而又不使A晶粒过于粗大。利用欧文公式：lg[Nb][C+12/14N]=2.26-6670/T计算，坯温控制在1100-1150℃，炉温控制在1200-1250℃当中，同时考虑铸坯的厚度,加热时间200分钟以上。3.3控轧工艺控制轧制是细化晶粒、保证管线钢性能，特别是DWTT性能的主要手段。降低精轧入口温度，可以增加在二阶段轧制过程中奥氏体晶粒内部形变带的密度，提高相变时的形核率，细化相变后铁素体晶粒，以达到改善低温韧性和DWTT性能的目的。随着终轧温度的降低，引起晶粒细化，明显提高屈服强度和屈强比，并降低韧脆转变温度。但终轧温度设定不可过低，以免控制不好出现严重混晶，综合性能下降，因此终轧温度最终确定在820℃。在设计管线钢控轧工艺时，选择合适的再结晶区、未结晶区总变形量，是根据对钢的性能要求和其化学成分而定的。在控轧阶段施加较大的变形，可以形成利于形核大量形成的变形带[1]，且随形核点的增多，晶粒在随后的长大过程中相互挤压，晶粒长大受到限制，从而细化晶粒。对15.9mm的X70管线钢，粗轧阶段在1000℃以上完成，采用高温再结晶区大变形量，将铸坯由230mm压缩至58mm，总压下量达到172mm，总压下率达到74.78%，单道次最大压下率达22%以上，充分细化了奥氏体晶粒。精轧阶段控制在未再结晶区轧制和两相区轧制，将轧件由58mm轧至15.9mm，本阶段总压下量42.1mm，总压下率72.58%，单机架最大压下率达24%，可将奥氏体晶粒“压扁”，并增加晶粒内变形带数量，为形成更加细小均匀的铁素体晶粒提供条件。3.4控冷工艺控制冷却工艺中的开冷温度、终冷温度和冷却速度对管线钢的最终组织和性能有直接的关系。文献[2]指出低碳微合金管线钢以获得针状铁素体组织为主，终轧后冷却速度控制在15～30℃／s，终冷温度控制在400℃一550℃之间。为此确定控制冷却参数为：冷却速度15～20℃／s，终冷温度设定400℃～550℃之间，最终获得细化的针状铁素体。4冶金质量检验4.1机械性能图1是按照上面的生产工艺生产厚度为15.9mm的X70管线钢卷板的性能分布图，试样取样方向与轧制方向成30°方向。从图中可以看出，屈服强度波动范围在495－605MPa当中，主要分布在520－570MPa，平均强度544MPa。抗拉强度波动范围在595－705MPa当中，主要分布在625－675MPa，平均强度648MPa，屈强比主要分布在0.74－0.92，平均0.84。-10℃夏比V型冲击功最低200J，最高415J，平均290J。-15℃落锤撕裂试验全部合格。综合来说，对比表2、表3、表4技术条件要求，强度、屈强比全部符合要求，且控制范围较好，延伸、冲击功和DWTT富余量较大，整体性能合格率100%。4.2组织检验中亚管线工程要求X70管线钢的组织状态为针状铁素体，这种组织对材料的强韧性是有利的。针状铁素体或针状铁素体+多边形铁素体组织相比传统微合金钢钢的铁素体+珠光体（P+F）组织具有更好的性能[3]。图2给出了试验初期不同工艺条件下的组织照片，从图中可以看出，当采用工艺(a)时，组织为F+少量P，层流只起细化晶粒和钢板降温的作用，未发生中温转变。当采用工艺(b)]时，铁素体边界开始锯齿化，出现了针状铁素体组织特征，晶粒更加细小，性能检验时对应强度明显提高，屈强比升高。当采用工艺(c)时，组织为针状铁素体+少量粒贝，抗拉强度大幅度提高，对应的屈强比降低，落锤撕裂面积也稳定在90%以上，韧脆转变温度较低。可见，只有采用工艺(c)时，才能获得典型的针状铁素体组织，综合性能性能最好。5结论5.1合理的控轧控冷工艺细化了轧材组织，降低了韧脆转变温度。5.2当获得针状铁素体组织时，管线钢具有最佳的综合性能。5.3按此工艺生产的X70管线钢卷板各项性能指标良好，符合标准要求，完全满足了工业化大生产的要求。参考文献[1]张红梅，忘宏斌，刘振宇.X70微合金管线钢组织中针状铁素体细化机制研究.材料热处理学报，2006，27（6）：99-104.[2]翁宇庆主编．超细晶粒钢——钢的组织与细化理论与控制技术．北京：冶金T业出版社，2003：341—348，372．[3]杨景红，刘清友，孙冬柏，李向阳．冷速及变形对X70级管线钢相变及组织的影响．材料热处理学报，2008,29（4）：60.