吾塔

（新疆八一鋼鐵股份有限公司制造管理部）

0 前言

隨著石油天然氣管道工業(yè)發(fā)展，呈現(xiàn)出大管徑、高輸送壓力、長(zhǎng)距離、跨越條件惡劣地帶的嚴(yán)苛條件，對(duì)X70管線鋼的性能提出了更高的要求。要求X70管線鋼具有優(yōu)良的抗氫致開裂(HIC)和硫化物應(yīng)力腐蝕性能。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于高韌性X70管線鋼普遍采用的成分設(shè)計(jì)模式是低碳、錳、鈮、釩、鈦復(fù)合強(qiáng)化模式，并添加一定量的鉬，由于鉬可擴(kuò)大γ相區(qū)，推遲先共析鐵素體和珠光體的轉(zhuǎn)變，形成針狀鐵素體和促進(jìn)貝氏體轉(zhuǎn)變，提高鋼材的強(qiáng)韌性。為了提高管線鋼的強(qiáng)韌性，國(guó)內(nèi)開發(fā)了針狀鐵素體管線鋼，其典型成分為C-Mn-Nb-Mo系管線鋼，并添加微量的V、Ti、Cu、Cr、Ni 等。

文章介紹了在八鋼熱軋產(chǎn)品產(chǎn)線進(jìn)行的試驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)了兩種微合金化方案并進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，以獲得一種既能保證高強(qiáng)度、高韌性，又能具備低成本生產(chǎn)的X70管線鋼，提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

1 試驗(yàn)工藝路線及成分設(shè)計(jì)

X70管線鋼體現(xiàn)在材料上，要求鋼材具備如下特性。

首先，要求鋼材具有高的純凈度，控制雜質(zhì)元素對(duì)鋼材的性能 的不利影響。硫、磷能顯著降低鋼的低溫沖擊韌性，提高脆性轉(zhuǎn)變溫度，氮元素可與鈮、鈦生成大顆粒氮化物夾雜，降低鋼的韌性，破壞鋼的焊接性能。因此，對(duì)鋼中總含氧量和S、P、N、H含量進(jìn)行控制。鋼材中的大顆粒非金屬夾雜降低了鋼的韌性與延展性，對(duì)于高強(qiáng)度高韌性管線鋼X70，必須系統(tǒng)地降低鋼中雜質(zhì)元素含量和非金屬夾雜物含量及級(jí)別。

其次，要求具有高的強(qiáng)度、低的屈強(qiáng)比。原油、天然氣管道單位時(shí)間輸送量與輸送壓力梯度的平方根相關(guān)，而作用在管壁上的應(yīng)力與鋼管管徑和內(nèi)壓成正比，要求X70級(jí)管線高強(qiáng)度的同時(shí)，具備較低的屈強(qiáng)比(屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之比)。

第三，要求管線鋼具有優(yōu)異的CVN和DWTT性能，夏比沖擊試驗(yàn)(C V N)及落錘撕裂試驗(yàn)(DWTT)是用于評(píng)定管道材料斷裂韌性的主要試驗(yàn)方法。要求材料具有高的沖擊功值和抗撕裂性能DWTT韌性斷面的剪接面比要求極高。

根據(jù)八鋼開發(fā)X60管線鋼的經(jīng)驗(yàn)，以及八鋼熱軋產(chǎn)線的工藝裝備狀況，制定了試制方案，分析X70管線鋼強(qiáng)韌性，獲得理想的組織形態(tài)和性能。

1.1 工藝路線

采用鐵水深脫硫預(yù)處理，頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐，以及LF、RH雙重精煉，提高鋼的純凈度，通過板坯連鑄低過熱度、低拉速，并保持板坯拉速恒定以及投入板坯輕壓下進(jìn)一步降低板坯中心偏析，通過控軋控冷工藝獲得理想的針狀鐵素體組織，開發(fā)出開發(fā)出高韌性X70管線鋼。

1.2 成分設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)A、B兩種不同的微合金化方案進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，成分設(shè)計(jì)見表1。方案A采用低碳、錳、鈮、鎳、鉬的成分設(shè)計(jì)方案；方案B在方案A的基礎(chǔ)上取消了鉬，降低了鎳，提高了碳含量。

表1 A、B兩種方案的成分設(shè)計(jì) %

1.3 性能要求

X70管線鋼對(duì)拉伸性能提出了高要求，屈服強(qiáng)度不小于520MPa，抗拉強(qiáng)度不小于570MPa，鋼材必須具有一定的拉伸性能余量，韌性指標(biāo)沖擊功值和DWTT的要求極高，性能要求具體值見表2。

表2 拉伸強(qiáng)度及韌性要求

2 試制過程控制

2.1 鋼水純凈度和板坯質(zhì)量的控制措施

根據(jù)工藝路線確定冶煉全流程各工序的關(guān)鍵控制要點(diǎn)：

(1)采用鐵水脫硫預(yù)處理保證入爐鐵水硫含量不大于0.003%，頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐冶煉、擋渣出鋼過程中對(duì)鋼包頂渣改制變性處理，保證鋼中的碳、磷含量滿足下工序的要求；

(2)LF和RH雙聯(lián)精煉處理，在LF深脫硫去夾雜的同時(shí)，通過在LF成分調(diào)整，熔煉成分完全滿足X70管線鋼成品要求，喂Ca 線對(duì)夾雜物變性處理，通過鋼包底吹氬攪拌，促使夾雜物上浮去除和變性處理；

(3)鋼水經(jīng)RH真空處理，進(jìn)一步脫氫、脫氮去除夾雜，提高鋼水的純凈度，鋼水溫度滿足連鑄要求；

(4)連鑄時(shí)中間包采用大包長(zhǎng)水口、浸入式水口，全程氬封保護(hù)澆鑄，防止鋼水二次氧化；根據(jù)每爐鋼的連鑄時(shí)間，連鑄過程中包鋼水溫降，確定RH終點(diǎn)鋼水溫度，達(dá)到精確控制中包鋼水過熱度的目的，確保能夠恒拉速連鑄，控制連鑄板坯的中心偏析。

2.2 熔煉成品成分

兩種方案各冶煉兩爐鋼，試驗(yàn)鋼熔煉成分見表3。方案A碳含量低于方案B，硫含量小于0.003%，氮含量控制在0.0040%～0.0050%，與LF處理時(shí)間長(zhǎng)密切相關(guān)。

方案B兩爐鋼的碳含量控制在0.046%～0.053%，氮含量最大值0.0034%，氮的控制取得了良好的效果。試驗(yàn)鋼熔煉成品成分見表3。

表3 熔煉成品成分 %

2.3 鋼水純凈度的控制

(1)生產(chǎn)過程鋼中硫、磷元素的控制。

圖1為兩種試驗(yàn)方案鐵水到成品的煉鋼生產(chǎn)過程鋼中硫含量的變化。通常高爐鐵水硫含量為0.035%～0.065%，鐵水經(jīng)KR法深脫硫、扒渣預(yù)處理后，鐵水硫含量不大于0.0025%，經(jīng)頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐冶煉、出鋼擋渣，出鋼后鋼包鋼水硫含量控制在0.010%以下。經(jīng)過LF還原精煉處理，鋼包底吹強(qiáng)攪拌深脫硫，從LF到RH處理終點(diǎn)、連鑄的成品硫含量基本保持不變。

圖1 煉鋼生產(chǎn)過程中鋼水中硫含量的變化

圖2 煉鋼生產(chǎn)過程中鋼水中磷含量的變化

圖2是煉鋼生產(chǎn)過程磷含量的變化，由于鐵水磷含量大于0.15%，轉(zhuǎn)爐單渣冶煉，保證出鋼磷小于0.013%，出鋼合金帶入、LF精煉至連鑄成品，這個(gè)過程鋼水磷含量會(huì)增加0.0013%～0.0015%。因此，在批量生產(chǎn)時(shí)應(yīng)將轉(zhuǎn)爐出鋼擋渣做為控制重點(diǎn)，正常情況下轉(zhuǎn)爐出鋼至連鑄成品鋼水回磷量0.0015%，對(duì)轉(zhuǎn)爐出鋼磷含量控制也必須考慮。為了快速化渣脫磷，在轉(zhuǎn)爐內(nèi)加入含有FeO的氧化球團(tuán)，為調(diào)節(jié)爐渣粘度，加入菱鎂礦1kg/t。

(2)精煉過程控制。

通過提高Al2O3的含量保證鋼渣的粘度，使LF渣具備最佳吸附夾雜能力。保持鋼包微正壓操作，LF埋弧精煉，縮短通電時(shí)間，快速化渣脫硫，LF精煉終渣成分，CaO含量52%～65%，SiO2含量10%～15%，F(xiàn)eO+MnO含量≤1.0 %，Al2O3含量25%～32%，MgO含量≤8.0%，CaF2≤5.0%。

LF精煉→RH處理→連鑄成品，鋼水硫含量變化不大，對(duì)于通過LF深脫硫處理的鋼水，RH的主要功能是脫氫、脫氮，脫氮率最大可以達(dá)到50%，鋼中氫含量小于0.0002%， RH渣洗去夾雜。鋼水硫含量在冶煉、精煉、連鑄各工序變化見圖1。經(jīng)LF精煉處理后，鋼水成品硫含量控制在0.0018%～0.0026%，符合高韌性X70管線鋼成分要求。

2.4 板坯中心偏析的控制

由于高韌性X70對(duì)鋼板的低溫沖擊韌性和抗硫化氫腐蝕性能有很高的要求，提高鋼材的韌性和抗硫化氫腐蝕性能。當(dāng)成分確定以后，板坯偏析的控制主要在連鑄過程通過拉速、過熱度、板坯輕壓下來實(shí)現(xiàn)。采用扇形段在凝固起始位置實(shí)施壓下，強(qiáng)行終止凝固進(jìn)程。在確定采用恒拉速的前提下，由于鋼水溫度的變化，其主要難點(diǎn)是凝固前沿壓下位置的確定，壓下位置靠前導(dǎo)致中間裂紋頻發(fā)，理想狀態(tài)是形成中心白亮帶，鋼水過熱度控制在10～30℃，板坯恒定拉速控制在0.85m/min，采用靜態(tài)壓下，計(jì)算的壓下位置為6段開始?jí)合隆?/p>

板坯的中心偏析和純凈度采取的主要措施：(1)根據(jù)中間包鋼水溫度和板坯拉速，精確確定壓下位置，壓下量為約5mm；(2)通過降低鋼中的碳、硫、磷元素的含量有效控制板坯中心偏析；(3)設(shè)置的連鑄板坯寬度1575mm，厚度220mm，考慮板坯輕壓下的壓下量，實(shí)際厚度約為215mm，連鑄中包鋼水過熱度控制在10～30℃；(4)連鑄拉坯拉速0.8～0.90m/min，除了開澆起步和停澆尾爐板坯拉速設(shè)定有變化外，正常連鑄的連澆爐以0.85m/min的恒速度連鑄；(5)板坯抽檢，中心偏析控制在1.9級(jí)～2.3級(jí)（曼內(nèi)斯曼標(biāo)準(zhǔn)），為減輕鋼材的帶狀組織創(chuàng)造了有利條件。

2.5 軋制過程的控制

控軋、控冷工藝決定著X70的組織形態(tài)和力學(xué)性能，對(duì)于軋制能力偏小的1750mm軋機(jī)，獲得良好的強(qiáng)韌性最有效的方法是通過降低卷取溫度以達(dá)到細(xì)化晶粒的目的，晶粒的細(xì)化帶來晶界強(qiáng)化效果，達(dá)到強(qiáng)度韌性雙提高。軋制控制參數(shù)見表4。

表4 1750mm熱軋控軋控冷參數(shù)

板坯厚度215mm,板坯冷裝入爐，在爐時(shí)間控制在240～255min，板坯出爐溫度控制在1180～1220℃，粗軋返回溫度控制在970～990℃，中間坯厚度控制在47.15～47.20mm，終軋溫度控制在850～860℃，采用前段冷卻，卷取溫度控制在550±10℃。

3 鋼材性能對(duì)比分析

A、B兩種方案的軋制工藝相同，在1750mm軋機(jī)初次試軋獲得成功。表5顯示，A、B兩種方案的力學(xué)性能全部合格，抗拉強(qiáng)度值最小余量57MPa、屈服強(qiáng)度值最小余量29MPa，兩種方案的斷后延伸率差別不大。

鋼材的韌性指標(biāo)，A、B兩種方案都獲得了理想的韌性。-15℃沖擊功單值大于240J，均值大于290J；不含鉬的方案B（3號(hào)、4號(hào)試樣）DWTT值(撕裂韌性斷面比)與方案A相當(dāng)；與方案A相比，-20℃沖擊功值方案B低于方案A，兩種方案都可滿足設(shè)計(jì)要求，并且余量充裕。

表5 A、B兩種方案的軋制鋼材力學(xué)性能

兩種方案的金相組織見圖3。采用鉬、鎳強(qiáng)化的方案A的鋼材金相組織鐵素體+針狀鐵素體+少量貝氏體，晶粒度12級(jí)（照片1），帶狀組織2.5級(jí)（照片2）；采用鎳強(qiáng)化的方案B軋材組織為鐵素體+針狀鐵素體+少量貝氏體（照片3），晶粒度11.5級(jí)，帶狀組織1.5級(jí)（見照片4）。

圖3 A、B兩種方案生產(chǎn)的鋼材的金相組織對(duì)比

兩種成分方案軋制的X70管線鋼產(chǎn)品性能均達(dá)到要求，組織均為鐵素體+針狀鐵素體+貝氏體，但方案B制造成本更具有優(yōu)勢(shì)。

兩種方案的兩種材料的非金屬夾雜對(duì)比兩種方案的非金屬夾雜檢驗(yàn)見圖4，方案A(照片5)夾雜B粗和B細(xì)均為0.5級(jí)、方案B(照片6)夾雜為為D類1級(jí)、DS 1.5級(jí)別。

圖4 A、B兩種方案的兩種材料的非金屬夾雜對(duì)比

4 批量生產(chǎn)分析

經(jīng)過A、B兩種方案的成分對(duì)比試驗(yàn)，確定采用含鎳的方案B組織批量生產(chǎn)。對(duì) 223爐鋼的C、P、S、Ni、Nb、N的成分進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析：碳含量控制在0.040%～0.065%，磷含量≤0.018%，硫含量≤0.0030%，鎳含量控制在0.073%～0.101%，鈮含量控制在0.085%～0.090%，氮含量≤0.0070%。熔煉成品成分控制精度高，為軋制性能穩(wěn)定性奠定了好的基礎(chǔ)。

熔煉成品雜質(zhì)元素P、S、N都得到了控制要求，C、Nb以及提高韌性的Ni元素含量符合設(shè)計(jì)要求。

軋制的12mm厚的X70管線鋼鋼卷，批量生產(chǎn)440批，軋制鋼材的力學(xué)性能見圖5，鋼材力學(xué)性能全部合格。

圖5 12mm厚X70管線鋼材力學(xué)性能

-15℃沖擊功216～398J，平均值為312J，-15℃的DWTT值（韌性斷面剪切面比/%）98%～100%，平均值為99.99%，顯示鋼材具有良好的低溫沖擊韌性。

5 結(jié)論

低成本高韌性X70管線鋼的研制過程表明：

(1)通過分別添加Mo、Ni的兩種成分組合的工業(yè)對(duì)比試驗(yàn)，軋后鋼材組織均為鐵素體+針狀鐵素體+少量貝氏體，鋼材拉伸性能、低溫韌性指標(biāo)完全滿足高韌性X70管線鋼的要求，含鎳的B方案性價(jià)比更高。八鋼公司1750產(chǎn)線完全具備批量穩(wěn)定生產(chǎn)低成本高韌性X70管線鋼的能力。

(2)通過工業(yè)化對(duì)比試驗(yàn)，獲得了一套高純鋼高韌性低成本X70的生產(chǎn)技術(shù)，包括轉(zhuǎn)爐快速脫磷、脫碳，LF快速深脫硫技術(shù)，煉鋼生產(chǎn)全流程的控氮，連鑄的保護(hù)澆鑄技術(shù)，將鋼中的有害元素磷、硫、氮控制在極低的水平。

(3)LF的快速深脫硫和去除夾雜技術(shù)，LF精煉終渣成分范圍，CaO含量52%～65%，SiO2含量10%～15%，Al2O3含量25%～32%，MgO含量≤8.0%，CaF2≤5.0%， FeO+MnO含量≤1.0 %。該渣系具有快速脫硫、控氮、吸附夾雜能力。批量生產(chǎn)的X70管線鋼非金屬夾雜，A類不大于2.0級(jí)。

(4)采用鋼水低過熱度、低拉速恒定（設(shè)定拉速不變）連鑄，有效控制連鑄板坯的中心偏析，實(shí)施輕壓下迫使板坯高溫心部變形，降低偏析、疏松，改善板坯心部質(zhì)量。板坯中心偏析控制在曼標(biāo)2.5級(jí)以下，為軋制鋼材的組織均勻性創(chuàng)造了良好的條件。