29R94.唐钢高强高韧性管线钢X65的试制1－唐钢尹绍江

2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳168唐钢高强高韧性管线钢X65的试制尹绍江1，陈礼斌1，王云阁1，甄玉波2，刘太新2，李越林2（1.唐钢技术中心；2.唐钢一钢轧厂）摘要：本文介绍了唐钢1700生产线高强高韧性管线钢X65的试制情况，通过合理的成分设计，采用纯净钢冶炼和合理的连铸工艺以及热机械控制轧制和冷却工艺，成功的解决了连铸坯裂纹和产品混晶两大难题，生产了具有综合强韧性的管线钢X65，不仅满足标准的要求，而且满足用户的实际使用要求。关键词：管线钢；成分设计；热机械控制轧制；混晶；强韧性1前言管道输送是长距离输送石油、天然气昀经济、合理的运输方式。随着国内能源结构的调整和环境保护力度的加强，以石油天然气替代煤炭作为主要能源是21世纪发展的必然趋势。目前，随着“西气东输”、“中哈、中俄输油管线”以及“中俄输气管线”等几大工程的启动，国内将构筑连接全国乃至国外的油气大动脉，形成全国性的大管网和“亚洲石油大陆桥”，石油天然气长输管道建设将进入高峰期，这为我国冶金行业的发展提供了机遇和挑战[1,2]。唐钢股份公司目前有两条板带生产线，一条薄板坯连铸连轧生产线，一条1700中宽带生产线，形成了年产500万t的生产能力，但是板带产品的生产经验还少，品种相对单一。因此，随着RH、LF等炼钢装备水平的完善和提高，开发高技术含量、高附加值的管线钢具有重要的经济效益和社会效益。2X65管线钢的工艺流程和基本冶金原理由于石油、天然气资源通常位于边远和环境恶劣的地区，要求管线钢不仅具有较高的强度，而且要求良好的韧性、抗疲劳性能、耐腐蚀性能、焊接性能和加工性能。为达到管线钢的质量要求，结合唐钢一钢轧厂现有的工艺装备特点，确定如下工艺流程：铁水预脱硫→150t顶底复吹转炉冶炼→炉外精炼（LF或RH）→150/180mm厚板坯连铸→蓄热式加热炉板坯再加热→控制轧制控制冷却→卷取。2.1基本冶金原理（1）采用低的碳含量设计，提高管线钢的韧性和延性，并具有良好的焊接性；（2）细晶强化是目前唯一一种可同时提高材料强度和韧性的有效途径，为昀大限度地利用晶粒细化的强化作用，采用铌微合金化；（3）采用微钛处理技术，改善焊接热影响区的韧性；（4）采用纯净钢冶炼工艺，通过降低硫含量和改变夹杂物形态的钙处理工艺，提高管线钢板卷的横向冲击韧性；（5）采用合适的保护渣和拉速，通过合适的冷却制度，保证铸坯矫直温度在950℃以上，确保铸坯表面质量；（6）为充分发挥铌、钒微合金元素细化晶粒和沉淀强化的作用，提高管线钢的强度，采用控制轧制和控制冷却的热机械处理工艺；2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳1693X65管线钢的试制3.1技术条件API5L是国际上普遍采用的管线钢标准，结合API5L43版和用户的实际使用要求编制了技术条件，具体情况见表1～3。表1X65管线钢的化学成份要求CMnSPSiNbVTiAlsPcm≤0.12≤1.50≤0.010≤0.025≤0.40≤0.06≤0.06≤0.06≤0.06≤0.21表2X65管线钢的力学性能要求Rt0.5（Mpa）Rm（Mpa）A50.8mm（％）180º冷弯d＝2aRt0.5/Rm硬度(HV10)455～600535～755APISPEC5L合格≤0.90≤240表3X65管线钢的断裂韧性要求－0℃夏比冲击试验剪切面积SA（％）冲击功Akv（J）10×10×55mm－0℃DWTT试验剪切面积SA（％）单个值平均值单个值平均值单个值平均值≥75≥85≥65≥80≥75≥853.2生产过程质量控制首次X65管线钢生产采用单炉试制，铁水经铁水预处理炉脱硫到0.004％，150t顶底复吹转炉炼钢时采用精料方针，出钢时挡渣，严格控制下渣量，LF炉外精炼后，喂Si－Ca线进行夹杂物变性处理；连铸全程保护浇铸，使用管线钢专用保护渣，通过采取稳定拉速、严格控制钢水过热度、弱的二冷冷却制度等措施，保证了铸坯在矫直时的温度达980℃，因而提高了铸坯的质量。经检验的铸坯热装进入蓄热式步进梁加热炉，入炉温度表面为650～750℃。为了充分发挥Nb微合金元素的细晶作用和保证粗轧温度在完全再结晶温度1050℃以上，加热温度控制在1200℃左右。通过采取粗轧高温大压下量、精轧未再结晶两阶段控轧和轧后快速冷却等工艺措施，生产了具有优良综合性能的7.1×1270mm管线钢X65热轧板卷。3.3热轧板卷的组织和性能3.3.1金相组织表4夹杂物、晶粒度、带状组织检验结果非金属夹杂物ABCD细粗细粗细粗细粗晶粒度带状组织0.50.50.5000.500.512.50.520μ图1金相组织2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳170图1是管线钢X65的金相组织，由图可知，主要由铁素体和少量珠光体组成，铁素体晶粒度为ASTM11～13级，带状组织≤1.0级。表4是夹杂物、晶粒度、带状组织检验结果，表明唐钢产管线钢的纯净度比较好，带状组织较轻。3.3.2力学性能从距离带钢边部1/4位置分别切取横向、纵向、45°方向试样，进行力学性能检验，其结果见图2；从热轧板卷头部、中间、尾部的1/4位置切取横向拉力试样，其结果见图3；从距离带钢边部1/4、1/2位置分别切取横向、纵向、45°方向试样，进行力学性能检验，其结果见图4；由图可知，带钢的各向拉伸性能相差很小，抗拉强度仅有5Mpa，屈服强度昀大20Mpa，这种差异主要是由于板带产品变形特点产生的；带钢的通条性比较均匀，抗拉强度昀大相差10Mpa，屈服强度昀大相差30Mpa；带钢宽度方向的拉伸性能差异也很小；总之，带钢的拉伸性能完全满足技术要求。3.4管体的性能热轧板卷在辽阳钢管厂经螺旋焊制成D559mm×7.1mm的钢管，生产过程中唐钢产X65管线钢表现出良好的焊接性能和成型性。从中间5＃管体上切取检验试样进行检测，检验结果如下：3.4.1拉伸性能试验结果见表5，试验结果表明：母材横向和焊缝横向拉伸试验结果均符合标准和技术要求。另外，管体母材横向与板卷中间钢板的横向拉伸性能相比，抗拉强度变化不大，屈服强度下降20Mpa，对于由于包辛格效应所引起的强度下降值，还有待于进一步摸索。表5拉伸性能试验结果管号部位试样规格Rm(MPa)Rt0.5(MPa)A50(%)Rt0.5/Rm母材横向（1）38.1X50.8575475420.835焊缝横向（1）38.1X50.8605——————图2X65热轧板卷各方向拉伸性能585580580520500510450500550600横向纵向45°Rt0.5（Rm）Mpa抗拉强度屈服强度图3X65热轧卷板通条拉伸性能585575575520495490400450500550600头部中间尾部Rt0.5（Rm）Mpa抗拉强度屈服强度图4X65相同方向不同位置的拉伸性能585580580580570565520500510520495490450500550600横向纵向45°Rt0.5（Rm）Mpa1/4位置抗拉强度1/2位置抗拉强度1/4位置屈服强度1/2位置屈服强度2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳1713.4.2夏比冲击试验在5#钢管的母材、焊缝和热影响区取样，制成“Ｖ”型缺口，尺寸为5X10X55mm，进行夏比冲击试验。其中焊缝和热影响区试验温度为－20℃，试验结果见表6。同时对管体母材横向进行系列温度的夏比冲击试验，试验温度分别为－60℃、－40℃、－20℃、0℃、20℃，管体母材横向韧脆转变温度曲线见图5。由检验结果可知，唐钢产X65管线钢具有优良的冲击韧性。表60℃夏比冲击试验结果（5X10X55mm）冲击功（J）剪切面积（SA%）管号取样位置单个值平均值单个值平均值母材105110135117100100100100焊缝68768877————5热影响区92939593————3.4.3管体的落锤撕裂试验在5#钢管上取管体母材横向试样，每组三个试样，进行系列温度的落锤撕裂试验，试验温度分别为－60℃、－40℃、－20℃、0℃、20℃，试样采用“V型”缺口，在恒温箱中冷却，保温30分钟，试验温度(T)和剪切面积(SA%)转变曲线见图6。3.4.4维氏硬度试验在5#钢管沿焊缝位置取样，用HV-10A型硬度计，对内、外焊缝和母材进行硬度测定，测试点位置如图7所示（从上行左端开始依次排序号1～23）；硬度值测试结果如表7所示。其结果符合技术要求中“焊缝、热影响区及管体上任一点的硬度均不超过248HV10”的规定。图65#落锤试验T-SA%曲线020406080100120-60-40-20020温度(℃)SA(%)横向图55#管体母材横向夏比冲击曲线0306090120150-60-40-20020温度（℃）冲击功（J）；SA（%）冲击功剪切面图7硬度测试点位置2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳172表7维氏硬度（HV10）测试结果位置硬度值位置硬度值位置硬度值位置硬度值12047202131871919821968196141962019032069207152072118742071020916199221905196112041719923193619912209181964唐钢产X65管线钢实物水平与其它厂家的对比表8为唐钢产X65管线钢实物水平与其它厂家的对比【3】，结果表明：唐钢产品的抗拉强度和屈服强度是其它厂家的中下限，还有待于提高，冲击韧性比较不错。由于是单炉试验结果，所以还有待于批量生产的统计结果。表8唐钢产X65管线钢实物水平与其它厂家的对比Rt0.5（MPa）Rm（MPa）A50(%)Akv（J）10×10×55mm唐钢490～520565～58540～43200～240（0℃）宝钢495～545565～62940～46135～182（-10℃）武钢505～535585～61538～41191～216（-10℃）日本钢管500594383（-20℃）5结论唐钢初次试生产高强高韧性管线钢X65的试验比较成功，尽管在某些方面还存在差距，从热轧板卷和钢管的检验结果表明，具有较好的综合性能，不仅满足标准的要求，而且还能满足用户的实际需要。参考文献[1]郑瑞，李铁军。我国管线钢的生产与发展。重型机械科技，2003，(4).[2]高惠临，董玉华，周好斌。管线钢的发展趋势与展望。焊管，1999，22(3).[3]张彩军，蔡开科。管线钢的性能要求与炼钢生产特点。炼钢，2002，18(5).