胡洵璞，蘇振江

（湖南工業(yè)大學(xué) 冶金工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

0 引言

管線鋼主要用于石油、天然氣輸送管道的制造，管線鋼管在全球有較大的市場(chǎng)需求，而高級(jí)別的管線鋼管市場(chǎng)需求更好。能否生產(chǎn)高級(jí)別管線鋼已成為衡量鋼鐵冶金企業(yè)技術(shù)水平的一個(gè)重要標(biāo)志。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，石油、天然氣用量增長(zhǎng)迅速，國(guó)內(nèi)對(duì)管線鋼需求迅猛。如今，寶山鋼鐵集團(tuán)公司、武漢鋼鐵集團(tuán)公司、鞍山鋼鐵集團(tuán)公司等大型企業(yè)能完全成熟地生產(chǎn)X70和X80級(jí)別的管線鋼，并已經(jīng)成功應(yīng)用在“陜京二線”和“西氣東輸二線”等國(guó)家重點(diǎn)工程上，目前，更高級(jí)別的管線鋼X100與X120也已開發(fā)成功[1]，這標(biāo)志著我國(guó)高端鋼材的研發(fā)已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。未來(lái)10年將是我國(guó)油、氣輸送管線建設(shè)的高潮期，設(shè)計(jì)并生產(chǎn)高潔凈、高強(qiáng)度、高韌性、耐腐蝕、好焊接的高級(jí)別管線鋼，對(duì)滿足工程需要有非常重要的意義。

為降低輸送成本，采用高壓、大管徑鋼管輸送是長(zhǎng)距離輸送石油、天然氣的必然趨勢(shì)，因此，相關(guān)行業(yè)對(duì)于壁厚大于15mm高等級(jí)管線鋼管需求非常旺盛。華菱湘潭鋼鐵集團(tuán)公司（簡(jiǎn)稱湘鋼）通過(guò)技術(shù)攻關(guān)研制生產(chǎn)出19.1mm厚X70級(jí)高等級(jí)管線鋼熱軋卷板，產(chǎn)品組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能完全滿足用戶要求。本文就湘鋼特厚規(guī)格高等級(jí)管線鋼X70熱軋鋼板生產(chǎn)實(shí)踐進(jìn)行了分析和總結(jié)，為厚規(guī)格高級(jí)別管線鋼熱軋鋼板生產(chǎn)提供經(jīng)驗(yàn)和指導(dǎo)。

1 X70成分、組織設(shè)計(jì)及強(qiáng)韌化機(jī)理

生產(chǎn)厚壁規(guī)格的X70管線鋼熱軋卷板的技術(shù)關(guān)鍵是，同時(shí)保證鋼材高強(qiáng)度和良好的低溫?cái)嗔秧g性。為此，須保證管線鋼合適的合金成分及微合金化方式[2]，使用微合金化元素的原則是有效且經(jīng)濟(jì)。根據(jù)各合金元素對(duì)鋼種組織和性能影響的規(guī)律，考慮微合金化效果、生產(chǎn)成本和X70鋼的性能要求，華菱湘鋼X70鋼的設(shè)計(jì)方案為：以低C-Mn-Mo-Nb系為基礎(chǔ)，添加適量的V，Ti，Ni，Cu和Cr等微合金元素，充分應(yīng)用潔凈鋼冶煉技術(shù)，以保證鋼質(zhì)的高純凈度，并在連鑄過(guò)程中采用電磁攪拌、輕壓下等技術(shù)，保證鋼的成分和組織的均勻性[3-4]。在鋼坯再加熱、軋制和軋后冷卻過(guò)程中，通過(guò)控軋、控冷和加速冷卻，獲得具有高密度位錯(cuò)的針狀鐵素體組織[4]。其合金設(shè)計(jì)特點(diǎn)是采用低碳、高錳，通過(guò)鉬低合金化控制相變組織以及鈮微合金化細(xì)化晶粒和組織，獲得細(xì)小均勻的超低碳針狀鐵素體組織[5]。X70管線鋼成分設(shè)計(jì)見表1。

表1 X70管線鋼主要成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table1 Quality fraction of main chemical components of X70 grade pipeline steel%

1）研究表明[5]：當(dāng)鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)高時(shí)，鋼材抗HIC能力明顯降低。按照API標(biāo)準(zhǔn)，管線鋼中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)通常為0.18%～0.28%，但實(shí)際生產(chǎn)的管線鋼碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)卻在逐漸降低，特別是高等級(jí)管線鋼。爐外精煉是控制鋼中碳含量的有效手段，特別是RH精煉在碳含量精確控制上更具有優(yōu)越性。X70管線鋼設(shè)計(jì)為w(C)不大于0.09%，以保證其有良好低溫韌性、焊接性能和抗HIC性能。

2）錳具有固溶強(qiáng)化作用，還可降低γ-α相變溫度，細(xì)化鐵素體晶粒并促進(jìn)針狀鐵素體形核。高w(Mn)/w(C)可促進(jìn)沉淀強(qiáng)化效果，進(jìn)而提高材料的強(qiáng)度。由于X70管線鋼設(shè)計(jì)碳含量低，需提高錳含量來(lái)保證其強(qiáng)度。因此w(Mn)設(shè)計(jì)為不超過(guò)1.65%，熔煉目標(biāo)控制為1.55%。

3）鉬可降低γ-α相變溫度，抑制多邊形鐵素體的形成，促進(jìn)針狀鐵素體的轉(zhuǎn)變，且提高Nb(C,N)的沉淀強(qiáng)化效果，提高鋼材的強(qiáng)度和斷裂韌性。同時(shí)考慮加入鉬的成本因素，設(shè)計(jì)w(Mo)不超過(guò)0.3%。

4）鉻能起固溶強(qiáng)化和晶粒細(xì)化的強(qiáng)化效果，晶粒細(xì)化由γ-α相變轉(zhuǎn)變溫度降低引起，而該溫度降低又會(huì)提高鈮、釩在鐵素體中的沉淀強(qiáng)化效果。因此，設(shè)計(jì)w(Cr)不超過(guò)0.35%。

5）鈮可延遲奧氏體再結(jié)晶，降低相變溫度，促進(jìn)針狀鐵素體組織和M/A島的形成。通過(guò)固溶強(qiáng)化、相變強(qiáng)化、析出強(qiáng)化等機(jī)制使材料獲得高強(qiáng)度、高韌性性能[6]。設(shè)計(jì)時(shí)w(Nb)不高于0.11%。

6）鎳、釩、鈦和銅等對(duì)材料性能的影響類似錳和鉬，具有一定的固溶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化作用，促進(jìn)鐵素體的形成，有利于提高材料的強(qiáng)度和韌性。另外，銅還能促進(jìn)鈍化膜的形成，阻止氫致裂紋的形成。為保證鋼材的經(jīng)濟(jì)性和綜合性能，在管線鋼中應(yīng)適量加入這些成分。

7）X70管線鋼成分設(shè)計(jì)的其它要求：

碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)每降低0.01%，錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大可提高0.05%，但錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大不超過(guò)1.65% ；

不得隨意加入B和稀土元素。

2 生產(chǎn)工藝

湘鋼開發(fā)的X70特厚規(guī)格鋼板的生產(chǎn)流程為：鐵水預(yù)處理→120 t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐冶煉→LF精煉→RH精煉→板坯連鑄→軋制→檢驗(yàn)→入庫(kù)。

2.1 鐵水預(yù)處理脫硫

由于X70鋼對(duì)硫的要求較嚴(yán)，有必要對(duì)鐵水預(yù)處理脫硫。湘鋼采用鈍化顆粒鎂作脫硫劑，采用噴吹法對(duì)高爐鐵水進(jìn)行深脫硫處理[6]。鐵水處理前要求w(S)≤0.035%，溫度不低于1 280 ℃，處理后要求w(S)為0.005%左右。

2.2 轉(zhuǎn)爐冶煉

轉(zhuǎn)爐為120t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐。冶煉目標(biāo)是脫碳、提溫并脫磷。終點(diǎn)要求為w(C)≤0.02%，w(P)≤0.01%，w(S)≤0.01%，終點(diǎn)溫度要求控制在1 650～1 680 ℃之間。

轉(zhuǎn)爐頂吹采用4孔拉瓦爾氧槍，點(diǎn)火時(shí)槍位控制在2 500 mm左右，開吹正常槍位，2 min后過(guò)程槍位為2 000 mm，終點(diǎn)壓槍保證60 s ；開吹氧壓控制在0.2～0.4 MPa之間，然后逐漸提升。過(guò)程氧壓控制在0.8～0.9 MPa，冶煉過(guò)程全程吹A(chǔ)r，底吹吹煉前期、中期和后期供Ar強(qiáng)度分別為0.048, 0.080,0.097 m3/(t·min)，在出鋼整個(gè)過(guò)程中底吹A(chǔ)r，供Ar強(qiáng)度為 0.036 m3/(t·min)。

在冶煉過(guò)程中，將鎳銅或鎳鐵、鉬鐵、銅粒加入轉(zhuǎn)爐，并根據(jù)實(shí)際情況向轉(zhuǎn)爐中加入適量的礦石、石灰、螢石、污泥球等造渣料。吹煉開始初期加入首批石灰造渣，待渣料成渣后，再分2批加入余下的石灰料，通過(guò)對(duì)槍位的控制，盡快化渣脫磷，要求脫磷渣二元堿度控制在3.0～3.5。在成渣過(guò)程中，盡量避免噴濺發(fā)生。出鋼時(shí)隨鋼流加入低碳錳鐵、低碳鉻鐵、釩鐵、鈮鐵等進(jìn)行合金的微合金化；按每噸鋼加入脫硫劑10 kg脫硫；按每噸鋼加入3.5 kg鋁錳鈦脫氧；在出鋼3/5～4/5時(shí)加入擋渣球。終渣堿度控制在4.0～5.0范圍。出鋼后在鋼包渣面均勻加入鋁質(zhì)脫氧劑脫氧。

2.3 LF精煉

LF精煉準(zhǔn)備時(shí)間約10 min，采用鋁粒、碳化硅、碳化鈣進(jìn)行調(diào)渣，采用中碳錳鐵、硅鐵合金進(jìn)行合金化，喂鈦線增鈦，若需調(diào)整鋁含量，采用喂鋁線調(diào)整成分，整個(gè)精煉過(guò)程中不得裸露鋼水，防止鋼水二次氧化。精煉時(shí)間約60 min，精煉周期為80 min。進(jìn)站溫度為1 620 ℃；如果是開澆爐，出站溫度要求不高于1 580 ℃，如果是連澆爐則不高于1 570 ℃。LF精煉完成后，精煉渣堿度控制在8～9，w(TFe+MnO)≤1.0%，確保高堿度和還原條件，鋼中w(S)最低可控制為0.000 5%，w(P)約為0.008%。在LF精煉出站時(shí)，喂CaSi線或CaFe線300～700 m進(jìn)行鈣處理，并根據(jù)總鋁含量適量調(diào)整喂線量。

2.4 RH精煉

從LF精煉出站至RH精煉進(jìn)站時(shí)間為10 min，RH精煉目的是脫除氣體，降低夾雜物含量，降低w(H)，確保出站w(H)≤1.5×10-6，處理時(shí)避免化學(xué)升溫，確保純脫氣時(shí)間大于5 min。RH具有頂吹升溫功能，采取頂吹氧加鋁升溫。RH需要化學(xué)升溫時(shí)，進(jìn)站環(huán)流3 min后吹氧升溫，由吹氧量確定加鋁量，采用鈦鐵作微調(diào)，喂入CaFe線同時(shí)軟吹10 min，有利于Al2O3雜物球化12CaO·7Al2O3和3CaO·Al2O3，防止?jié)沧⑦^(guò)程中出現(xiàn)水口堵塞現(xiàn)象。RH冶煉周期控制在30～40 min。

2.5 連鑄技術(shù)

連鑄在一機(jī)一流板坯連鑄機(jī)上進(jìn)行，鑄坯厚度為180～300 mm，寬度為2 300 mm。計(jì)算X70的液相線溫度為1 520 ℃，目標(biāo)鋼水過(guò)熱度為20 ℃，因此，中間包典型溫度控制應(yīng)為1 535～1 545 ℃。生產(chǎn)中過(guò)熱度及拉速控制要求見表2。

連鑄過(guò)程鋼包注流采用全程氬封保護(hù)澆注，塞棒吹氬，適當(dāng)控制氬氣量，中間包采用壩堰、湍流抑制器等控流裝置控流并加高堿度覆蓋劑，避免鋼水二次氧化和促進(jìn)夾雜物上浮吸收。采用結(jié)晶器電磁攪拌技術(shù)，并采用X70專用保護(hù)渣。保護(hù)渣液渣層厚度為12 mm，渣耗0.81 kg/t。

2.6 軋制工藝

獲得針狀鐵素體組織是生產(chǎn)特厚規(guī)格、高強(qiáng)度、高韌性X70鋼板的關(guān)鍵。針狀鐵素體對(duì)鋼材韌性的作用是因?yàn)槠涠辔幌辔龀觯瑥亩@得的鐵素體參差不齊、彼此交叉，有效阻止裂紋擴(kuò)展，細(xì)小的鐵素體晶粒對(duì)高強(qiáng)度的獲得起著重要作用[7]。采用TMCP工藝以保證針狀鐵素體的形成，軋制時(shí)采用兩階段控制軋制工藝，即在奧氏體再結(jié)晶區(qū)和未再結(jié)晶區(qū)軋制[8]。連鑄坯采用合理加熱方法，保證連鑄坯均勻加熱，充分固溶微合金元素并控制合理的原始奧氏體晶粒度大小，對(duì)加熱溫度和加熱時(shí)間進(jìn)行精確控制，加熱溫度不高于1 250 ℃，時(shí)間不少于2h。粗軋?jiān)趭W氏體再結(jié)晶區(qū)進(jìn)行，軋制溫度控制在1 080～1120 ℃，終冷溫度1 100 ℃。精軋?jiān)趭W氏體未再結(jié)晶區(qū)軋制，開軋溫度為900～930 ℃，終軋溫度為Ar3+(20～40 ℃)。軋后快冷，終冷溫度控制在(610±20) ℃，冷速控制為15 ℃/s。

3 X70熱軋卷板組織與性能分析

華菱湘鋼采用低碳鈮鉬合金針狀鐵素體組織設(shè)計(jì)，研制生產(chǎn)的厚規(guī)格X70高等級(jí)管線鋼熱軋鋼板，取得了良好的應(yīng)用效果和經(jīng)濟(jì)效益。

3.1 化學(xué)成分

對(duì)華菱湘鋼生產(chǎn)的X70熱軋卷板進(jìn)行成分檢測(cè)，結(jié)果如表3。

表2 連鑄技術(shù)參數(shù)控制Table2 Parameter controlling of CC technique

從成分分析結(jié)果看，華菱湘鋼生產(chǎn)的X70管線鋼成分控制合理，達(dá)到了成分設(shè)計(jì)要求。合金成分低限控制，有利于節(jié)省合金用量，降低成本，特別是由于嚴(yán)格的管理和較高的技術(shù)水平，鋼中P,S含量極低，保證了對(duì)高級(jí)別管線鋼的質(zhì)量要求。

3.2 組織分析

采用MEF4M金相顯微鏡及圖像分析系統(tǒng)，觀察X70級(jí)管線鋼板不同部位的金相組織，鋼板金相組織如圖1～2?？梢钥闯觯琗70鋼板顯微組織主要由針狀鐵素體（AF）、等軸多邊形鐵素體（PF）、粒狀貝氏體（B粒）、珠光體（P）組成，同時(shí)分布著大量細(xì)小的M/A島組織。組織觀察可以看出，越靠近鋼板中心，針狀鐵素體越發(fā)達(dá)，晶粒細(xì)小均勻，方向不一，晶界交錯(cuò)。粒貝組織中細(xì)小的M/A島分布在鐵素體晶界上或晶粒內(nèi)部。但夾雜物球化狀況不太理想。

3.3 力學(xué)性能

取樣做拉伸性能、沖擊性能檢測(cè)試驗(yàn)，結(jié)果見表4～5。表中結(jié)果表明X70鋼板完全滿足性能要求。

在-15 ℃試驗(yàn)條件下，對(duì)X70鋼板隨機(jī)取橫向樣品進(jìn)行落錘撕裂檢測(cè)（DWTT），結(jié)果為：?jiǎn)蝹€(gè)試樣最小值為85%，平均值為105%，分別達(dá)到API5L大于70%和大于85%的標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖1 X70鋼板組織Fig.1Microscopic structure of X70 steel plate

圖2 X70鋼板B類厚系列夾雜物形貌Fig.2The inclusion appearance ofB-type thick X70 steel plate

表5 X70鋼板夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果Table 5The result of charpy impact test for X70 steel plate

表4 X70鋼板橫向拉伸檢測(cè)結(jié)果Table 4The result of transverse tensile test for X70steel plate

表3 X70熱卷軋板化學(xué)成分Table 3Chemical composition of X70 pipeline steel hot rolled plate%

另外進(jìn)行彎曲試驗(yàn)時(shí)，取橫向樣，要求在彎曲180°、彎曲直徑為2a（a為名義壁厚），在彎曲試樣拉伸面上不能出現(xiàn)裂紋；作硬度測(cè)試時(shí)，要求鋼板橫向面上最大允許硬度值為240 HV10。試驗(yàn)結(jié)果表明：所有抽檢試樣無(wú)裂紋現(xiàn)象，硬度檢測(cè)值平均為227 HV10，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)論

1）特厚規(guī)格管線鋼X70熱軋鋼板采用低C-Mn-Mo-Nb系為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，添加適量的V, T, Ni, Cu和Cr等微合金元素，以獲得細(xì)小均勻的超低碳針狀鐵素體組織。

2）X70生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)是采用潔凈鋼生產(chǎn)技術(shù)、先進(jìn)的連鑄技術(shù)和TMCP技術(shù)，確保鋼材獲得潔凈、均勻的低碳高密度位錯(cuò)的鐵素體組織。

3）高等級(jí)管線鋼的冶煉要求極高，各個(gè)環(huán)節(jié)如生產(chǎn)管理、冶煉工藝、連鑄工藝和軋制工藝等方面須精心準(zhǔn)備和嚴(yán)格控制，使材料的組織和性能滿足要求。

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