曹 妍，閆 波，宿 成，董 磊

（內(nèi)蒙古包鋼稀土鋼板材廠 研發(fā)銷售部，內(nèi)蒙古 包頭014010）

據(jù)中國產(chǎn)業(yè)調(diào)研網(wǎng)發(fā)布的《中國焊接鋼管市場現(xiàn)狀調(diào)研與發(fā)展前景分析報(bào)告（2015—2020年）》顯示，2014—2015年，我國鋼管產(chǎn)量以高于鋼材總產(chǎn)量的速度增長，其中無縫鋼管產(chǎn)量同比下降，而焊接鋼管產(chǎn)量逆勢大幅增長[1]。雖然當(dāng)前國內(nèi)鋼鐵產(chǎn)能過剩，鋼材價(jià)格低迷，但是低級(jí)別民用管線鋼的未來市場需求仍有較大提升空間。在這種嚴(yán)峻形勢下，為保證市場競爭力，企業(yè)需要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行更加合理的資源分配和設(shè)計(jì)優(yōu)化，提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)管理，滿足客戶產(chǎn)品多樣化需求。

1 設(shè)計(jì)依據(jù)

合理設(shè)計(jì)化學(xué)成分不僅要考慮產(chǎn)品的性能是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，更應(yīng)該結(jié)合產(chǎn)品的規(guī)格和應(yīng)用環(huán)境以及客戶不同需求對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行多樣化設(shè)計(jì)。L290M/X42M管線鋼化學(xué)成分采用添加Mn、Nb/Ti微合金，依據(jù)不同的產(chǎn)品厚度和質(zhì)量需求設(shè)計(jì)化學(xué)成分及含量。鋼中除C、Si、Mn、P、S五大常規(guī)元素外，還應(yīng)添加Al、Ca元素和Nb或Ti微合金。對(duì)于管線鋼來說，碳當(dāng)量[2]是鋼管焊接性和焊縫性能的重要控制指標(biāo)，采用低碳的化學(xué)成分設(shè)計(jì)是所有鋼級(jí)管線鋼的基本設(shè)計(jì)依據(jù)。除此之外，管線鋼對(duì)組織晶粒度和非金屬夾雜要求十分嚴(yán)格。Al作為強(qiáng)脫氧劑，不僅可以阻止奧氏體晶粒的長大，同時(shí)可減弱或消除鋼的時(shí)效現(xiàn)象[3]；而Ca可以有效凈化鋼中高熔點(diǎn)夾雜物，起到控制夾雜物形態(tài)[4]的作用。成分設(shè)計(jì)中主要內(nèi)容是確定Mn和微合金種類及含量，因?yàn)檫@些元素是提高鋼的強(qiáng)度和塑韌性、細(xì)化組織晶粒度、決定產(chǎn)品性能的重要元素。

適合的化學(xué)成分設(shè)計(jì)配合合理的熱軋工藝，可以使鋼的綜合力學(xué)性能及組織晶粒度達(dá)到最佳狀態(tài)。采用低軋制溫度、大壓下量和軋后快速冷卻的TMCP熱機(jī)械軋制工藝是管線鋼的重要軋制依據(jù)。L290M/X42M管線鋼生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。轉(zhuǎn)爐煉鋼采用頂?shù)讖?fù)吹工藝，底吹脫磷，配合KR法脫硫。鋼水全部經(jīng)過LF鋼包精煉，喂Si－Ca絲進(jìn)行夾雜物變性處理，以確保鋼質(zhì)的純凈度。用較低的始軋溫度和終軋溫度、軋后快速冷卻，以使鋼的顯微組織得到細(xì)化。軋前配有高壓水除磷，預(yù)防氧化鐵皮壓入，以改善表面質(zhì)量。

圖1 L290M/X42M管線鋼生產(chǎn)工藝流程

2 多樣化設(shè)計(jì)

2.1 案例一

河北省某螺旋埋弧焊管制造公司技術(shù)要求高于GB/T 14164有關(guān)規(guī)定，他們增加了落錘撕裂性能（DWTT）試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為－15℃，取樣方向應(yīng)與鋼帶軋制方向成45°角，剪切面積驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)要求單值≥70 J，平均值≥85 J。對(duì)焊縫兩側(cè)（鋼帶邊部）質(zhì)量要求高，要求嚴(yán)格控制夾雜和裂紋。

其難點(diǎn)為低溫落錘技術(shù)指標(biāo)。落錘撕裂試驗(yàn)（DWTT）是通過觀察試樣斷口形貌和最小剪切面積來評(píng)定管線鋼的抗低溫脆性開裂的韌性指標(biāo)。受鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響，溫度越低，鋼的韌性越差，越容易發(fā)生脆斷。鑒于以上原因，提出采用低C+Mn+Ti系成分設(shè)計(jì)，并且在常規(guī)生產(chǎn)工藝基礎(chǔ)上增加對(duì)連鑄坯角部火焰清理，避免鑄坯角裂產(chǎn)生鋼帶邊部裂紋。

低C+Mn+Ti系鋼的化學(xué)成分見表1。Ti在鋼中起強(qiáng)脫氧去氣、脫硫固氮的作用，對(duì)夾雜物變性處理[5]，提高韌性和焊接性[6]。利用Ti、Al微合金化可以細(xì)化晶粒，改善脆韌轉(zhuǎn)變，w（Ti）≈0.02%時(shí)，具有最佳抑制奧氏體晶粒粗化的效果[7]；Mn不僅能夠彌補(bǔ)因碳含量降低而損失的強(qiáng)度，而且能夠提高鋼的韌性，降低奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變溫度，使鐵素體晶粒細(xì)化；Mn/C還可以影響鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度[8]。

表1 低C+Mn+Ti系鋼的化學(xué)成分 %

分別在－10℃、－15℃試驗(yàn)溫度下對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行落錘撕裂試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，本次設(shè)計(jì)產(chǎn)品其落錘性能值明顯高于標(biāo)準(zhǔn)要求，說明添加Ti元素使晶粒細(xì)化，改善沖擊韌性的作用明顯。非金屬夾雜物評(píng)級(jí)檢驗(yàn)結(jié)果見表2。

圖2 落錘撕裂試驗(yàn)結(jié)果

表2 非金屬夾雜物細(xì)系評(píng)級(jí)結(jié)果

2.2 案例二

陜西省某螺旋埋弧焊管制造公司要求對(duì)厚規(guī)格（15 mm以上）產(chǎn)品進(jìn)行拉伸性能試驗(yàn)和耐極寒夏比沖擊試驗(yàn)，且拉伸性能和沖擊性能取樣方向應(yīng)與鋼帶軋制方向成30°角，驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)高于GB/T 14164要求（見表3），晶粒度要求9級(jí)或更細(xì)。

其難點(diǎn)為強(qiáng)度技術(shù)指標(biāo)和耐極寒沖擊韌性指標(biāo)。受鋼帶厚度的影響，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨厚度的增加而遞減。C+Mn+Ti系成分設(shè)計(jì)已不足以生產(chǎn)15 mm以上厚度的熱軋鋼帶，鑒于以上原因，此次方案采用低C+Mn+Nb系成分設(shè)計(jì)，其化學(xué)成分見表4。

表3 拉伸性能和沖擊性能指標(biāo)

Nb對(duì)再結(jié)晶形核有強(qiáng)烈的抑制作用，大大提高了再結(jié)晶的時(shí)間和溫度，細(xì)化晶粒強(qiáng)化作用明顯， 而且這種作用高于Ti[9]。 w（Nb）＜0.03%，并且鋼在較高的均熱溫度時(shí)可以得到極好的綜合性能，屈服強(qiáng)度增長較快，與Nb濃度成正比[10]。

在L290M/X42M鋼帶1/2處沿軋制方向30°取拉伸試樣，圖3為14組21.5 mm厚熱軋鋼帶的拉伸性能結(jié)果。從圖3可以看出，試樣屈服強(qiáng)度均在350 MPa以上，抗拉強(qiáng)度均在460 MPa以上，充分證明了Nb合金對(duì)鋼的細(xì)晶強(qiáng)化作用。

圖3 14組21.5 mm厚熱軋鋼帶的拉伸性能結(jié)果

在L290M/X42M鋼帶1/4處橫向和沿軋制方向30°取夏比沖擊試樣，系列溫度夏比沖擊性能結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，在相同試驗(yàn)溫度下，沿軋制方向30°取樣時(shí)的沖擊值明顯高于橫向取樣沖擊值。隨著溫度的降低，沖擊平均吸收能呈現(xiàn)減小趨勢。試驗(yàn)結(jié)果說明該設(shè)計(jì)產(chǎn)品在－20℃試驗(yàn)溫度下沖擊功明顯高于標(biāo)準(zhǔn)值，即使在低溫極寒地區(qū)－40℃下，橫向和沿軋制方向30°取樣的沖擊韌性也可以滿足客戶要求。

圖4 系列溫度沖擊性能結(jié)果

3 結(jié) 論

（1）通過以上兩組案例說明，近兩年低級(jí)別管線用鋼技術(shù)要求已趨向多元化，高要求和超標(biāo)準(zhǔn)的多樣化產(chǎn)品設(shè)計(jì)是企業(yè)能夠優(yōu)先占有市場、提升品種鋼質(zhì)量服務(wù)的重要途徑之一。

（2）試驗(yàn)結(jié)果表明，包鋼稀土鋼板材廠L290M/X42M級(jí)別管線用鋼理化性能不僅明顯高于GB/T 14164和API 5CT標(biāo)準(zhǔn)要求，而且具備滿足客戶多樣化產(chǎn)品需求的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)能力。

[1]中研智業(yè)研究院.中國焊接鋼管市場現(xiàn)狀調(diào)研與發(fā)展前景分析報(bào)告（2015—2020年）[R/OL].北京：中研智業(yè)研 究 院 .2016-05-12.Http：//www.zyzyyjy.com/baogao/152291.html.

[2]API SPEC 5L，管線鋼管規(guī)范[S].

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