王 浩，侯明山，段云祥，趙建勇，高小堯，黃泉開(kāi)，劉 洋，王浩川，廉躍軍

（唐山鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司，河北 唐山 063016）

0 引言

管線鋼是指用于輸送石油、天然氣等管道所用的一類具有特殊要求的鋼種，廣泛應(yīng)用于西氣東輸?shù)葒?guó)家重點(diǎn)能源工程項(xiàng)目。隨著新建天然氣管道輸送量、輸送壓力的不斷提高，對(duì)于管線鋼壁厚要求也相應(yīng)提高[1]。因成本優(yōu)勢(shì)，通常20 mm 以內(nèi)規(guī)格管線鋼采用熱軋卷板，但由于熱軋卷板的軋制規(guī)格受限和工藝控制難度較大，目前24 mm 以上厚規(guī)格管線鋼一般采用中厚板生產(chǎn)。隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)愈加激烈，各大管廠均希望鋼廠能開(kāi)發(fā)出厚規(guī)格的管線鋼帶以替代中厚板，壓縮成本，提高效益。唐山鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司（全文簡(jiǎn)稱“唐鋼”）2050 產(chǎn)線于2020 年投產(chǎn)，引進(jìn)德國(guó)SMSD 公司技術(shù)和日本TMEIC 公司高精度自動(dòng)化控制技術(shù)，并配備超快冷系統(tǒng)，具備生產(chǎn)12～25.4 mm全系列鋼帶的能力，為適應(yīng)市場(chǎng)需求，唐鋼進(jìn)行了厚規(guī)格X60 級(jí)別管線鋼帶的開(kāi)發(fā)，并對(duì)其進(jìn)行了低溫韌性的研究。

1 成分設(shè)計(jì)

C：C 是很強(qiáng)的間隙固溶強(qiáng)化元素，能顯著提高鋼的強(qiáng)度。但是，C 含量的增加會(huì)加大鋼中C 的偏析，同時(shí)也不利于鋼韌性及塑性的提高，還會(huì)惡化鋼的焊接性能。因此，同時(shí)考慮這兩方面作用后，一般設(shè)計(jì)w（C）≤0.12%。

Mn：Mn 可以顯著提高鋼帶的強(qiáng)度，但過(guò)高的Mn含量在鋼中容易產(chǎn)生偏析，在軋制過(guò)程中產(chǎn)生硬化組織，降低鋼的韌性和塑性，一般X60M 級(jí)別管線鋼w（Mn）在1.40%以上。唐鋼2050 產(chǎn)線依托裝備優(yōu)勢(shì)可將w（Mn）控制在1.30%以下。

Nb、Ti：奧氏體的回復(fù)和再結(jié)晶主要依賴于高溫奧氏體中固溶的微合金原子和軋制過(guò)程中經(jīng)過(guò)應(yīng)變誘導(dǎo)析出的Nb（C、N）等沉淀粒子。Nb 是低合金高強(qiáng)鋼中最主要的微合金元素，Nb 能夠顯著提高管線鋼的再結(jié)晶溫度。Ti 在高溫下形成穩(wěn)定的TiN 質(zhì)點(diǎn)，抑制高溫奧氏體晶粒長(zhǎng)大，也有利于焊接熱影響區(qū)的晶?？刂?，改善焊接性能[2]。

P、S：P 是易偏析元素，也是影響管線鋼抗韌性性能的主要元素。S 易與Mn 生成MnS 夾雜物，管線鋼中S 含量較高、MnS 夾雜物較多時(shí)，可顯著降低鋼的韌性。磷會(huì)造成鋼帶的冷脆現(xiàn)象，顯著惡化鋼帶韌性。

綜合考慮管線鋼的強(qiáng)度、塑性、韌性和止裂能力，厚規(guī)格X60 管線鋼的化學(xué)成分設(shè)計(jì)如表1 所示。

表1 搪瓷鋼的化學(xué)成分控制范圍

2 加熱及軋制工藝的制定

2.1 加熱溫度

對(duì)于含Nb 的低合金鋼，加熱過(guò)程中需保證Nb的固溶，據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算Nb 的固溶溫度TNb=6670/{2.26-lg[w（Nb）·（w（C）+12w（N）/14）]}-273=1 112 ℃[3]，根據(jù)產(chǎn)線加熱爐經(jīng)驗(yàn)，鑄坯芯部溫度與表面溫度差不超過(guò)60 ℃，因此加熱溫度在1 180 ℃以上即可保證Nb 的固溶。

2.2 溫度控制

通過(guò)JMatPro 軟件在設(shè)計(jì)的成分體系下進(jìn)行CCT曲線的理論計(jì)算，結(jié)果如圖1 所示。

圖1 設(shè)計(jì)成分體系下的CCT 曲線

珠光體為鐵素體與滲碳體的機(jī)械混合物，平均w（C）約為0.77%，對(duì)于管線鋼而言珠光體是一種脆性組織，從CCT 曲線上看，為盡量減少珠光體的析出，冷速必須大于10 ℃/s，同時(shí)卷曲溫度應(yīng)保證在600 ℃以下。針狀鐵素體被認(rèn)為是管線鋼的優(yōu)異組織，在針狀鐵素體的內(nèi)部，大量的位錯(cuò)和亞晶能夠起到位錯(cuò)強(qiáng)化和晶界強(qiáng)化的目的，而較高的位錯(cuò)密度，也能促進(jìn)析出物的形核，產(chǎn)生析出強(qiáng)化，因此針狀鐵素體組織因其具有良好的強(qiáng)韌性，可在提高強(qiáng)度的同時(shí)提高低溫韌性[3]。因此工藝上應(yīng)采用低溫軋制的方案，具體工藝方案設(shè)計(jì)如表2 所示。

表2 溫度控制方案 單位：℃

2.3 軋制控制

精軋壓下率的增大可以有效細(xì)化晶粒，提高強(qiáng)度與韌性。經(jīng)模型計(jì)算F7 壓下率大于10%時(shí)會(huì)超過(guò)F7的軋制負(fù)荷，因此為保證末道次壓下率對(duì)F7 進(jìn)行空過(guò)，增加F6（末道次）壓下率，具體方案如表3 所示。

表3 軋制控制方案

3 性能與組織

3.1 機(jī)械性能

2050 熱軋產(chǎn)線首次生產(chǎn)、試制24.2 mm 厚的X60M管線鋼，生產(chǎn)過(guò)程、設(shè)備狀態(tài)穩(wěn)定，過(guò)程工藝命中情況良好，試制產(chǎn)出的管線鋼熱卷機(jī)械性能如表4所示，可見(jiàn)隨卷曲溫度下降，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均呈下降趨勢(shì)?？紤]到制管后的包辛格效應(yīng)，應(yīng)保證屈服強(qiáng)度在450 MPa 以上較為安全。

表4 機(jī)械性能

3.2 韌性

落錘性能檢測(cè)結(jié)果如圖2 所示，350 ℃、450 ℃卷曲落錘性能結(jié)果合格，全部為100%。而500 ℃、600 ℃卷曲落錘性能不合格，500 ℃時(shí)的結(jié)果為100%、0%，600 ℃時(shí)的結(jié)果為0%、0%。

圖2 落錘性能檢測(cè)結(jié)果

沖擊試樣規(guī)格為10 mm×10 mm×55 mm，沖擊性能（-10 ℃條件下）檢測(cè)結(jié)果如表5 所示，沖擊功遠(yuǎn)滿足≥80 J 的要求，500 ℃、600 ℃的沖擊結(jié)果相較于350 ℃和450 ℃稍有下降。

表5 沖擊性能 單位：J

3.3 組織

對(duì)四個(gè)方案的鋼帶進(jìn)行組織檢測(cè)，結(jié)果如圖3 所示，組織均存在一定的帶狀，600 ℃時(shí)的帶狀組織最為嚴(yán)重。350 ℃和450 ℃卷曲時(shí)，針狀鐵素體組織較多，珠光體含量極少，晶粒細(xì)小，組織均勻性好；500 ℃卷曲時(shí)等軸鐵素體明顯增多，不利于強(qiáng)度提升和韌性增強(qiáng)；600 ℃卷曲時(shí)等軸等軸鐵素體更加明顯，且部分位置出現(xiàn)晶粒不均問(wèn)題。隨著卷曲溫度升高，冷速變?nèi)?，組織發(fā)生相應(yīng)的改變符合CCT 曲線的趨勢(shì)。從組織分析上看符合隨著卷曲溫度升高，機(jī)械強(qiáng)度下降，韌性下降的規(guī)律。

圖3 組織檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié)論

1）根據(jù)成分強(qiáng)化理論和對(duì)組織的影響分析，設(shè)計(jì)了超厚規(guī)格X60M管線鋼的成分體系。

2）通過(guò)計(jì)算Nb 固溶溫度，據(jù)CCT 曲線評(píng)估設(shè)備狀態(tài)，對(duì)超厚規(guī)格的X60M設(shè)計(jì)了4 種不同的溫度控制工藝，同時(shí)執(zhí)行空過(guò)F2 和F7，F(xiàn)6 壓下率大于10%。

3）根據(jù)設(shè)計(jì)的工藝進(jìn)行了生產(chǎn)，并對(duì)試驗(yàn)鋼進(jìn)行了沖擊試驗(yàn)，結(jié)果表明：350 ℃和450 ℃卷曲條件下能夠滿足機(jī)械性能和韌性的要求；500 ℃和600 ℃卷曲條件下不能滿足韌性要求；觀察組織發(fā)現(xiàn)350 ℃和450 ℃卷曲條件下針狀鐵素體組織較多，珠光體含量極少，晶粒細(xì)小，組織均勻性好；500 ℃和600 ℃卷曲等軸鐵素體含量較多，晶粒較為粗大，組織均勻性較差。