控轧控冷在管线钢生产中的应用

控轧控冷在管线钢生产中的应用摘要本文简述了控轧控冷工艺在管线钢生产中的应用，具体论述了控轧控冷过程中控轧控冷工艺参数对管线钢微观组织和力学性能的影响。结果表明，在适当范围内降低终轧温度和终冷温度，适当提高轧后冷却速度可有效改善管线钢的综合性能。关键词管线钢控轧控冷微观组织力学性能1前言管道输送是将石油、天然气从遥远的开采地向最终用户端长距离输送的重要方式。随着国民经济对石油、天然气资源的需求量日益增加和管线钢服役环境日益恶化,长输管线用钢材向高强度、高的低温止裂韧性、耐腐蚀性和优良焊接性能方向发展,即在成分和组织上尽量要求高纯净度、高均匀度和细晶粒组织。在现代管线钢研制中,设计合理的化学成分和采用控轧控冷工艺是获得管线钢优良综合性能的必要条件。控轧控冷工艺在管线钢生产中的应用开始于七十年代，在随后的几十年中得到了迅速发展。我国管线钢的发展始于九十年代，而采用控轧控冷工艺生产较高钢级管线钢板材却是近两年的事。2控轧控冷工艺及其对管线钢组织和性能的影响控轧控冷工艺符合21世纪钢铁材料的发展趋势，在控制形变组织的基础上，又控制轧后的冷却速度，从而获得理想的相变组织，即利用形变强化和相变强化的综合控制作用，通过工艺手段以提高钢材的综合性能为目标。2．1控制轧制和控制冷却2．1．1控制轧制的概念及分类控制轧制是在有目的地控制工艺参数的条件下，在奥氏体相区或在奥氏体与铁素体两相区进行轧制，然后空冷或控制冷却速度以得到理想组织的轧制工艺，即对从轧前的加热到最终轧制道次结束为止的整个轧制过程实行最佳控制，以使钢材获得预期良好性能的轧制方法。通过充分细化晶粒和获得均匀分布的第二相组织来控制轧制以提高钢的综合性能。根据热轧过程中变形奥氏体的再结晶状态和相变机制不同，可将控制轧制分为再结晶区控轧、未再结晶区控轧、两相区控轧。如图1所示，为X70管线钢的再结晶区域图。图1X70管线钢的再结晶区域图2.1.2控制冷却控制冷却是控制轧后钢材的冷却速度达到改善钢材组织和性能的目的。由于热轧变形的作用，促使变形奥氏体向铁素体转变温度的提高，相变后的铁素体晶粒容易长大，造成力学性能降低。为了细化铁素体晶粒，减小珠光体片层间距，阻止碳化物在高温下析出，以提高析出强化效果而采用控制冷却工艺。2．2控轧控冷工艺对管线钢组织和性能的影响对管线钢采用控制轧制工艺，分别在奥氏体再结晶区和未再结晶区轧制，奥氏体再结晶百分数随着变形量的增大及变形温度的升高而增加。当变形量一定时，随着变形温度的升高，奥氏体再结晶百分数显著增加。当变形温度一定时，随着变形量的增大，奥氏体再结晶百分数增加趋势较平缓。在奥氏体再结晶区轧制时，奥氏体经过多次静态再结晶而细化。但是,由于轧制温度较高，随着道次间隔时间的延长,再结晶奥氏体晶粒会长大，因此,第Ⅰ阶段轧制开轧温度不能过高。在奥氏体再结晶区轧制细化晶粒的作用是有限的,为了得到更细的晶粒,还要在奥氏体未再结晶区轧制以及轧后加速冷却。在部分再结晶区轧制时,再结晶的奥氏体晶粒细小,在其晶界上析出的铁素体往往也比较细小,而未再结晶的晶粒受到变形被拉长,晶粒没有细化,因此铁素体形核位置少,容易形成粗大的铁素体晶粒和针状组织。所以从部分再结晶奥氏体晶粒生成的铁素体是不均匀的,这种不均匀性对强度影响不太大,但对材料的韧性有较大的影响。奥氏体再结晶百分数随变形温度的升高而增加显著,随变形量的增大而增加平缓，所以在生产中应尽量控制好第Ⅱ阶段开轧温度,适当增大道次变形量,一来可以减少部分再结晶晶粒数量,另外由于温度的降低,再结晶晶粒的平均尺寸也可以减小,同时在未再结晶区的累积变形量增加,未再结晶晶粒受到了较大的变形,晶粒不仅被拉长,晶内还可能出现比较多的变形带,因此转变后也能得到细小的铁素体晶粒,使得整个组织的均匀性得到改善。以针状铁素体为主的混合型组织具有优良的综合力学性能，得到针状铁素体组织，冷却速度必须不小于15。C/s，一般在15。C/s到35。C/s之间，冷却速度过低将得到以块状铁素体为主的组织，强度偏低；冷却速度过大，将得到全针状铁素体或贝氏体组织，韧性较差。开冷温度和终冷温度对组织和性能也有较大影响，开冷温度过低，在快速冷却之前有较多先析铁素体形成，强度较低；终冷温度在600℃以下，随着温度的降低，强度和韧性都会提高，这是因为加速冷却可阻止Nb，V和Ti的碳氮化合物在奥氏体中析出，使其在较低温度下析出，可有效地起到强化作用。吕建华等人对控轧控冷工艺在X60钢板试制中应用的研究表明[3]：采用控轧控冷工艺终轧温度为820℃左右,开冷温度750℃以上,终冷温度600℃左右,冷速10℃/s以上，所获组织应为“铁素体+珠光体+贝氏体”，与普通控轧工艺相比,其ReL平均值增加54～66MPa,Rm平均值增加30～40MPa,其它性能变化不大。总体分析,控轧控冷试制X60钢板的各项性能均符合技术要求,强度余度较大，综合性能良好。赵明纯等人对控轧控冷工艺在X60管线钢组织及力学性能的影响研究中证明[4]：采用开轧温度约为1100℃,终轧温度约为900℃,终冷温度约为523℃和冷却速度约为26℃/s的控轧控冷工艺,显微组织为“多边形铁素体+少量退化珠光体+针状铁素体”，此工艺条件下，X60管线钢综合性能得到大幅度提高，强度已超过X70管线钢，部分已达到X80管线钢要求，而且韧性也得到极大改善。刘守显等人对控轧控冷工艺在X100管线钢组织及力学性能的影响研究中证明[5]：终轧温度在850-900℃变化,随着终轧温度的提高,试样的强度逐渐降低,而其冲击功随着终轧温度的提高而增大。最佳终轧温度为850℃；终冷温度100-400℃变化,随着终冷温度的提高,相对应试样的强度呈逐渐降低的趋势。同时试样的冲击功随着终冷温度的提高呈上升趋势。最佳终冷温度为200℃，显微组织为“针状铁素体+粒状贝氏体”。周民等人对采用控轧控冷工艺试制X100管线钢的研究证明[6]：终轧温度为806℃,终冷温度为415℃,冷却速度为18.6℃/s时,较终冷温度为491℃时的实验材料屈服强度提高64MPa,其显微组织以贝氏体为主,随冲击温度降低(高于-60℃),AK1基本保持不变,AK23/AK1呈水平分布,低温冲击韧性良好。3结语(1)在管线钢的控轧控冷过程中，根据具体情况适当地降低加热温度、精轧开始温度、终轧温度和终冷温度，以及适当地提高冷却速度均可有效地细化晶粒和减少珠光体带状组织，获得以针状铁素体为主的混合型组织，从而改善钢的综合性能。因此在现代管线钢研制生产中,合理的控轧控冷工艺发挥了不可替代的作用。(2)恶劣的环境和逐渐增加的管道输送压力对管线材料均提出了巨大的挑战。以应力设计和应变设计为基础的现代管线都需要管材具有较高的强度和低温止裂韧性，良好的焊接性能、成形性能和抗氢致裂纹能力，并且要保持较低的成本；另外，如何提高钢管焊接热影响区(HAZ)的低温韧性和高变形的均匀性也是当前钢铁企业和制管企业所面临的一个重要问题。参考文献[1]王春明，吴杏芳，等.X70针状铁素体管线钢析出相[J].北京科技大学学报，2006，28(3)：253[2]王有铭，李曼云，韦光.钢材的控制轧制和控制冷却[M].北京：冶金工业出版杜，1995[3]吕建华，关小军，徐洪庆．控轧控冷工艺在X60钢板试制中的应用[J]．中国冶金，2006，16（12）：16-19[4]赵明纯，单以银，等.控轧控冷工艺对X60管线钢组织及力学性能的影响[J].金属学报，2001，37(2)：179-183[5]刘守显，罗海文，等.控轧控冷工艺对X100管线钢组织和性能的影响[J].特殊钢，2007，28（5）：25-27[6]周民，李德成，等．采用控轧控冷工艺试制X100管线钢的研究[J]．中国冶金，2009，19（6）：1-4