2 250 mm生產線L290M/X42M管線鋼多樣化設計

曹 妍，閆 波，宿 成，董 磊

（內蒙古包鋼稀土鋼板材廠 研發銷售部，內蒙古 包頭014010）

據中國產業調研網發布的《中國焊接鋼管市場現狀調研與發展前景分析報告（2015—2020年）》顯示，2014—2015年，我國鋼管產量以高于鋼材總產量的速度增長，其中無縫鋼管產量同比下降，而焊接鋼管產量逆勢大幅增長[1]。雖然當前國內鋼鐵產能過剩，鋼材價格低迷，但是低級別民用管線鋼的未來市場需求仍有較大提升空間。在這種嚴峻形勢下，為保證市場競爭力，企業需要對產品進行更加合理的資源分配和設計優化，提供優質的服務管理，滿足客戶產品多樣化需求。

1 設計依據

合理設計化學成分不僅要考慮產品的性能是否滿足標準要求，更應該結合產品的規格和應用環境以及客戶不同需求對產品進行多樣化設計。L290M/X42M管線鋼化學成分采用添加Mn、Nb/Ti微合金，依據不同的產品厚度和質量需求設計化學成分及含量。鋼中除C、Si、Mn、P、S五大常規元素外，還應添加Al、Ca元素和Nb或Ti微合金。對于管線鋼來說，碳當量[2]是鋼管焊接性和焊縫性能的重要控制指標，采用低碳的化學成分設計是所有鋼級管線鋼的基本設計依據。除此之外，管線鋼對組織晶粒度和非金屬夾雜要求十分嚴格。Al作為強脫氧劑，不僅可以阻止奧氏體晶粒的長大，同時可減弱或消除鋼的時效現象[3]；而Ca可以有效凈化鋼中高熔點夾雜物，起到控制夾雜物形態[4]的作用。成分設計中主要內容是確定Mn和微合金種類及含量，因為這些元素是提高鋼的強度和塑韌性、細化組織晶粒度、決定產品性能的重要元素。

適合的化學成分設計配合合理的熱軋工藝，可以使鋼的綜合力學性能及組織晶粒度達到最佳狀態。采用低軋制溫度、大壓下量和軋后快速冷卻的TMCP熱機械軋制工藝是管線鋼的重要軋制依據。L290M/X42M管線鋼生產工藝流程如圖1所示。轉爐煉鋼采用頂底復吹工藝，底吹脫磷，配合KR法脫硫。鋼水全部經過LF鋼包精煉，喂Si－Ca絲進行夾雜物變性處理，以確保鋼質的純凈度。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化。軋前配有高壓水除磷，預防氧化鐵皮壓入，以改善表面質量。

圖1 L290M/X42M管線鋼生產工藝流程

2 多樣化設計

2.1 案例一

河北省某螺旋埋弧焊管制造公司技術要求高于GB/T 14164有關規定，他們增加了落錘撕裂性能（DWTT）試驗，試驗溫度為－15℃，取樣方向應與鋼帶軋制方向成45°角，剪切面積驗收標準要求單值≥70 J，平均值≥85 J。對焊縫兩側（鋼帶邊部）質量要求高，要求嚴格控制夾雜和裂紋。

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

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

表1 低C+Mn+Ti系鋼的化學成分 %

分別在－10℃、－15℃試驗溫度下對產品進行落錘撕裂試驗，試驗結果如圖2所示。從圖2可以看出，本次設計產品其落錘性能值明顯高于標準要求，說明添加Ti元素使晶粒細化，改善沖擊韌性的作用明顯。非金屬夾雜物評級檢驗結果見表2。

圖2 落錘撕裂試驗結果

表2 非金屬夾雜物細系評級結果

2.2 案例二

陜西省某螺旋埋弧焊管制造公司要求對厚規格（15 mm以上）產品進行拉伸性能試驗和耐極寒夏比沖擊試驗，且拉伸性能和沖擊性能取樣方向應與鋼帶軋制方向成30°角，驗收標準高于GB/T 14164要求（見表3），晶粒度要求9級或更細。

其難點為強度技術指標和耐極寒沖擊韌性指標。受鋼帶厚度的影響，屈服強度和抗拉強度隨厚度的增加而遞減。C+Mn+Ti系成分設計已不足以生產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系成分設計，其化學成分見表4。

表3 拉伸性能和沖擊性能指標

Nb對再結晶形核有強烈的抑制作用，大大提高了再結晶的時間和溫度，細化晶粒強化作用明顯， 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可以得到極好的綜合性能，屈服強度增長較快，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果。從圖3可以看出，試樣屈服強度均在350 MPa以上，抗拉強度均在460 MPa以上，充分證明了Nb合金對鋼的細晶強化作用。

圖3 14組21.5 mm厚熱軋鋼帶的拉伸性能結果

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果如圖4所示。從圖4可以看出，在相同試驗溫度下，沿軋制方向30°取樣時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減小趨勢。試驗結果說明該設計產品在－20℃試驗溫度下沖擊功明顯高于標準值，即使在低溫極寒地區－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果

3 結 論

（1）通過以上兩組案例說明，近兩年低級別管線用鋼技術要求已趨向多元化，高要求和超標準的多樣化產品設計是企業能夠優先占有市場、提升品種鋼質量服務的重要途徑之一。

（2）試驗結果表明，包鋼稀土鋼板材廠L290M/X42M級別管線用鋼理化性能不僅明顯高于GB/T 14164和API 5CT標準要求，而且具備滿足客戶多樣化產品需求的設計和生產能力。

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

[2]API SPEC 5L，管線鋼管規范[S].

[3]李玲.低碳鋼時效現象剖析[J].軋鋼，1996（3）：31-32.

[4]夏春祥.鈣處理鋼中夾雜物行為的研究[J].武鋼技術，2012，50（3）：8-12.

[5]吳振華.含鈦鋼中夾雜物析出行為及其對鋼組織的影響研究[D].武漢：武漢科技大學，2005.

[6]汪美薔.微鈦控軋鋼焊接熱影響區的組織和性能研究[J].鋼鐵研究情報，1983（3）：37-48.

[7]胡春林.Ti-Mn復合脫氧對低碳鋼中夾雜物及組織的影響[J].材料熱處理學報，2013，34（5）：37-41.

[8]郝瑞輝.合金元素在管線鋼中的作用與控制[J].上海金屬，2006，28（6）：58-62.

[9]張月新.鈮在鋼中作用[J].鋼鐵研究，1988（4）：12-15.

[10]韓孝永.鈮、釩、鈦在微合金鋼中的作用[J].寬厚板，2006，12（1）：39-41.