徐細華 趙安明

(1.西安建筑科技大學; 2.新余鋼鐵有限責任公司)

0 前言

隨著世界經(jīng)濟的飛速發(fā)展，對石油、天然氣的需求日益增加。預計在未來10～15年內(nèi)，石油天然氣的需求量將增加1倍。如何經(jīng)濟、安全有效的運輸石油天然氣一直是世界各國追求的目標，隨著輸氣管道輸送壓力的提高和降低成本的需要，對高性能管線鋼的需求越來越急迫，上世紀60年代一般采用X52鋼級，70年代普遍采用X60～X65鋼級，近年來以X70鋼級為主，X80管線鋼經(jīng)10年的發(fā)展，已經(jīng)得到長足發(fā)展技術(shù)也日益成熟。

1 主要技術(shù)條件

由于管道在高壓下運行于地理環(huán)境復雜、氣候低寒的地帶，長距離運輸?shù)氖浅煞謴碗s且具腐蝕性的石油或天然氣，故對管線鋼的強度和韌性特別是低溫韌性、抗腐蝕介質(zhì)氫致裂紋性、焊接性等提出了很高的要求。根據(jù)用戶需要，開發(fā)的X70卷板的化學成分、力學性能、工藝性能、沖擊韌性、表面質(zhì)量、外形尺寸及允許偏差達到技術(shù)協(xié)議要求，該要求遠遠高于美國石油協(xié)會API 5L-2007標準。具體要求如下：

1.1 化學成分

合理的化學成分設計對最終產(chǎn)品的性能起決定性作用。為了滿足X70管線鋼高強度、高韌性的需求，成分設計中。要求低C、S、P的潔凈鋼，加入Si、Mn、Cu、Ni和微合金化元素 Nb、V、Ti使因降低 C 含量而導致的強度損失得以補充和提高;加入Mo能抑制先共析鐵素體的形成，促進針狀鐵素體(AF)的形成。使得在相同的冷卻條件下更容易得到針狀鐵素體(AF)。X70卷板化學成分見表1。

表1 X70卷板化學成分(協(xié)議要求) wt.%

1.2 力學性能和工藝性能

1.2.1 拉伸性能

板卷拉伸試樣(取樣方向：橫向)結(jié)果應符合表2的要求。

表2 X70拉伸性能

1.2.2 彎曲試驗

1)板卷規(guī)定位置、方向(橫向)取樣做180°彎曲試驗，彎心直徑為2.0 t(t為公稱厚度)。

2)彎曲試樣的拉伸面上不得出現(xiàn)裂紋。

1.2.3 斷裂韌性

1)卷板規(guī)定位置、方向(橫向)取一組試樣(試樣尺寸：10 mm×10 mm×55 mm)，在-20℃下進行夏比V型缺口沖擊試驗。其夏比沖擊功與剪切面積百分數(shù)應符合夏比沖擊韌性要求，見表3。

2)卷板的夏比沖擊試驗斷口的剪切面積和吸收能量的韌脆轉(zhuǎn)變曲線。其韌脆轉(zhuǎn)變曲線至少應該包含下列試驗溫度：20℃、0℃、-20℃、-40℃、-60℃。

表3 在-20℃下夏比沖擊韌性要求

3)從板卷規(guī)定的位置、取樣的方向，進行落錘撕裂試驗(DWTT)，其試驗條件及其驗收要求標準見表4。

表4 DWTT(落錘撕裂試驗)剪切面積要求

1.2.4 金相檢驗

金相檢驗要達到以下三個標準：

1)晶粒度：細晶粒(依據(jù)ASTM E112)10級以上。

2)帶狀組織：熱軋板卷的帶狀組織評定結(jié)果應不大于GBT 13299-1991的2.0級。

3)夾雜物：鋼中A、B、C、D類非金屬夾雜物級別限制要求必須小于2.0方可 (按ASTM E45方法A檢驗)。

2 管線鋼X70卷板試制生產(chǎn)工藝

通過對管線鋼X70卷板的工藝技術(shù)分析，該鋼種冶煉工藝要求嚴格，生產(chǎn)難度大，工藝復雜。特別是鋼中S、P要求低，且需要加入較高的Nb、V、Ti等微合金元素，鑄坯易產(chǎn)生角部橫裂紋;另外由于卷板需要做DWTT(落錘撕裂試驗)，而且鋼中對夾雜物也有嚴格要求。因此為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，必須按高標準，嚴要求的原則來制定試生產(chǎn)工藝。

2.1 工藝路線

鐵水脫硫→轉(zhuǎn)爐→吹氬→LF爐精煉→RH→連鑄→精整→冷送→原料驗收→加熱爐加熱→軋制→控制冷卻→卷取→入庫

2.2 煉鋼工藝

2.2.1 轉(zhuǎn)爐冶煉工藝要點

轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)過程中要嚴格控制以下幾點要求：

1)原料。由于X70管線鋼中［S］含量要求小于0.003%，所以鐵水必須進行爐外脫硫處理，入轉(zhuǎn)爐鐵水［S］≤0.002%，而且扒渣干凈，溫度 T≥1280℃，為了滿足碳操作要求，避免鋼水過氧化，鐵水按每爐215 t～220 t裝入，廢鋼采用自產(chǎn)低硫廢鋼。

2)終點控制。X70鋼轉(zhuǎn)爐冶煉的關鍵是保證鋼水脫磷良好，由于新鋼鐵水［P］%較高，為了保證終點［P］%，采用"雙渣法、高拉補吹"工藝操作，補吹不得大于2次，嚴防鋼水過氧化，確保C-T協(xié)調(diào)出鋼，終點控制如下：［C］%：0.03 ～0.04，［P］% ≤0.008，［S］%≤0.010，T：1650 ℃ ～1670 ℃。

3)擋渣出鋼、渣層厚度≤50 mm，防止鋼水精煉回磷。

4)脫氧合金化。為了滿足鋼中成品低磷、低碳要求，采用低碳硅鐵合金和金屬錳進行合金化，同時采用硅鋁鋇和鋁塊進行復合脫氧，保證一次脫氧完全。為了防止因轉(zhuǎn)爐終點磷沒有命中，貴重合金鈮鐵、釩鐵、鈦鐵在LF爐精煉工序加入。

2.2.2 LF 爐精煉工藝要點

LF爐可以進一步脫［S］，脫［O］、去夾雜，調(diào)整鋼水成份和溫度，獲得良好的精煉效果。精煉采用石灰，預熔型合成渣，埋弧渣，造還原渣，總渣用量為12 kg/t～15 kg/t。嚴格控制終渣成分，渣子要造成高堿度，低氧化鐵，低熔點，處于鋁酸鈣區(qū)域，具有很強的脫硫及吸附夾雜的能力?？刂凭珶捲鼔A度，以控制鋼中的氧含量和夾雜物形態(tài)是精煉管線鋼的關鍵環(huán)節(jié)。精煉前期采用高電壓、短弧操作，使造渣材料盡快熔化，形成泡沫狀。精煉渣堿度應控制在3.5～3.8范圍內(nèi)，渣子化好后，應采用低電壓、大電流埋弧操作，升溫速度在2℃/min～5℃/min的范圍內(nèi)并且保證白渣時間大于20 min，充分去除夾雜和降低鋼中的T［O］量。

2.2.3 RH真空精煉工藝要點

RH真空處理對鋼水具有良好的脫氣、去夾雜精煉效果。抽真空開始1.5 min內(nèi)將提升氣體降低至規(guī)程最低流量，1.5 min后提升氣體流量增加至正常流量范圍。RH真空處理時間≥25 min，對鋼水進行脫［H］、［N］處理，真空處理結(jié)束時，保證鋼水［H］含量小于1.5 ×10-6，真空處理中過程中進行測溫、取樣和微調(diào)成分。真空處理結(jié)束后向鋼中喂鈣線，對夾雜物進行變性處理，喂入量3 m/t。喂線結(jié)束后進行軟吹氬處理，采用單路吹氬攪拌工藝，軟攪拌處理時間＞10 min。保證大型夾雜物充分上浮、去除。

2.2.4 連鑄工藝要點

在連鑄工藝流程中，嚴格執(zhí)行以下幾點：①澆鑄斷面：230 mm×900 mm;②采用Mg-C質(zhì)鋼包，新鋼包前三次不得使用，鋼包內(nèi)的殘渣要清理干凈;③采用鎂質(zhì)中間包，鋁碳質(zhì)整體塞棒和水口，中包覆蓋劑采用堿性低碳保溫劑;④必須使用大包到中包及Ar封全程保護澆鑄才可;⑤結(jié)晶器采用液面自動控制，保護渣使用低碳含鈮鋼專用保護渣;⑥采用動態(tài)配水，二冷比水量0.5 kg/L，防止鑄坯產(chǎn)生角部橫裂;⑦嚴格控制中包鋼水溫度，鋼水過熱度≤25℃，保證溫度與拉速相匹配;⑧采用全動態(tài)輕壓下控制，可以減少鑄坯中心偏析。

2.2.5 軋制工藝

X70卷板的性能要求較高，訂制工藝時，必須考慮通過控軋控冷工藝來得到均勻細小的針狀鐵素體組織。具體軋制工藝規(guī)程如下：

1)加熱制度：預熱段：700℃ ～900℃，一加段：1180℃ ～1220℃，二加段：1220℃ ～1260℃，均熱段：1200℃ ～1240℃。

2)加熱時間：230 mm連鑄冷裝坯180 min～240 min。

3)除鱗：高壓水水壓必須保持在20 MPa以上，清除坯料表面氧化鐵皮。

4)粗軋開軋溫度1100℃ ～1140℃，粗軋終軋溫度≥1020℃。

5)精軋終軋溫度≤850℃，精軋過程機架間適當除鱗。

6)軋后進行快速冷卻，卷取溫度控制在560℃～580℃。

3 性能檢測

3.1 鑄坯低倍檢驗

選擇冶煉爐號為J21-00694A，J21-00801A鑄坯作低倍檢驗，其檢驗結(jié)果：中心偏析在0.5級，一般疏松0.5級，中心偏析(C類)在0.5級 ～1級。板坯內(nèi)在質(zhì)量如圖1所示。由鑄坯低培照片可以看出，鑄坯內(nèi)在質(zhì)量良好。

圖1 鑄坯低倍照片

3.2 力學性能

經(jīng)檢驗軋制的X70卷板所有批次的力學性能都符合協(xié)議要求，選取100批次性能統(tǒng)計見表5，沖擊波隨溫度變化曲線如圖2所示。

表5 X70卷板力學性能

圖2 沖擊功隨溫度變化曲線

3.3 金相組織

對X70卷鋼取樣作金相組織檢驗及夾雜物評級，結(jié)果見表6，典型組織如圖3所示。

表6 X70卷板的金相檢驗結(jié)果

4 結(jié)論

圖3 金相組織照片

按照制定的生產(chǎn)工藝要求，成功的組織試生產(chǎn)了3爐X70卷板，經(jīng)檢測冶煉成品成分全部符合內(nèi)控標準要求，共生產(chǎn)合格鑄坯662 t，鑄坯表面質(zhì)量良好，未發(fā)現(xiàn)裂紋，合格率100%。軋制后取樣檢驗，X70性能全部符合技術(shù)協(xié)議要求，試制的結(jié)果表明制定的生產(chǎn)工藝合理可行，隨后進行大生產(chǎn)。

［1］ 蔡開科，程士富.連續(xù)鑄鋼原理與工藝［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1994：23.

［2］ 王有銘，李曼云，韋光.鋼材的控制軋制和控制冷卻［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1995：121.