管線鋼板X65M的工藝和組織分析

李柏君

【摘 要】采用C-Mn-Nb-Mo復合成分設計和控制軋制工藝研制厚規格X65M管線鋼，通過分析鋼板的組織和性能，符合現行技術標準要求。規模化軋制X65M厚規格管線鋼可以采用控制軋制和加速冷卻工藝，獲得低碳針狀鐵素體組織，保證管線鋼板強韌性綜合性能。該工藝有效降低生產成本，有助于提升管線鋼產品的市場競爭力。

【關鍵詞】管線鋼；X65M；厚規格；控制軋制

0 前言

因為經濟發展需要，采用高壓力、大管徑鋼管長距離輸送油氣資源成為必然趨勢。隨著輸油氣管道直徑增大、工作壓力增高、服役條件愈加苛刻，加快高等級厚規格管線鋼研制，搶占油氣管道市場對各大鋼廠具有重要意義。某鋼廠通過加快高等級厚規格管線鋼的試制開發，推動了產品結構調整和技術進步。本文主要介紹壁厚大于25 mm的X65M管線鋼板的開發試制和鋼板組織與性能的關系。

1 設備保障

厚規格管線鋼嚴格的性能要求使得其對設備的依賴性很高，冶煉方面擁有KR鐵水預脫硫處理站、120噸頂底復吹轉爐、135噸LF+VD爐外精煉處理站和配套的270mm斷面板坯連鑄機，能減少鋼中夾雜物、凈化鋼質，改善鋼板的各向異性，提高沖擊韌性。軋鋼方面配有在線加速冷卻裝置和低溫強力矯直機，具備管線鋼軋后冷卻及板形矯直能力。

2 成分設計

厚規格管線鋼應用環境嚴苛，技術含量要求高，對鋼板成分、性能、低溫韌性、焊接性能等指標要求較嚴格，生產難度較大。現場施工易出現焊接裂紋和強度損失，對鋼板強度和心部韌性要求也更加嚴格。為保證鋼板的高強度、高韌性、較高的焊接性能和現場適應性，管線鋼中的碳、錳元素要求分別控制0.12%以下、1.1%～2.0%[1]。

在冶煉過程中添加適量鈮釩鈦強氮化物形成元素，使管線鋼微合金化，再配合控軋控冷工藝，可以實現晶粒細化和延遲奧氏體的再結晶。利用在鋼板軋制過程中鈮的碳氮化合物的晶粒細化和沉淀強化作用，鋼板可以獲得高強度、高韌性，合理的含[Nb]量應為 0.03%～0.05%。適當加入鈦、釩元素，通過和鐵素體中碳氮形成化合物析出，可以產生沉淀強化效果和一定程度的細化晶粒作用。適當添加鉬元素有利于提升抗拉強度。鉻可以增加貝氏體的淬透性，促進以針狀為主的貝氏體轉變，能夠改善鋼的屈服強度、抗拉強度和屈強比。鉻和鉬能顯著提高鋼的淬透性。

3 工藝路線設計

煉鋼：高爐鐵水→KR預脫硫→轉爐冶煉→鋼包合金化→LF精煉→VD真空精煉→全程保護澆鑄→板坯精整→檢驗

軋鋼：加熱→開坯粗軋→適宜控溫精軋→控制冷卻→矯直→上表面檢驗→剪切取樣→下表面檢驗→噴號標記→入庫

4 冶煉工藝設計

4.1 鐵水預處理和轉爐煉鋼

采用鐵水預處理降低磷硫含量，提高管線鋼低溫韌性和耐腐蝕性能。通過頂底復吹少渣冶煉，充分吹氬攪拌促進鋼中的夾雜物上浮。提高轉爐煉鋼碳含量終點命中率，盡量減少點吹次數，爭取一次拉碳成功。

4.2 精煉

采用低硫精煉工藝，為促進橫向韌性提升，可以采用加鈣促進夾雜物變形處理。

4.3 連鑄

采用低過熱度、控制澆注速度，配合低頻電磁攪拌和智能輕壓下技術，可以進行低成本高質量高效率的連鑄生產。為防止出現鑄坯表面裂紋、降低合金元素偏析、減少連鑄過程中的氧化，需要注意控制水冷速度，減少液相穴內溶質富集，全程無氧化保護澆注。在管線鋼連鑄生產中，采用氬氣保護、中間包凈化技術，防止產生大顆粒夾雜物、成分偏析、表面和內部裂紋，同時避免鋼水從鋼包到中間包以及中間包到結晶器時發生二次氧化。

5 軋制工藝設計

利用在線冷卻技術，不僅可以大幅度降低管線鋼板的成本，還能提高鋼的韌性、塑性。軋制制度按照常規產品軋制，提高生產節奏，經濟效益明顯。

5.1 加熱工藝

管線鋼中鈮碳氮化合物的溶解度從1150℃開始逐漸增高，對奧氏體晶粒尺寸產生較大程度的影響，進一步會影響到管線鋼性能，因此要提升管線鋼性能必須重視加熱工藝。在適量鈦元素的作用下可以控制晶粒粗化溫度到1240～1260℃之間，避免奧氏體晶粒尺寸增長過快。

加熱工藝的重點是為鋼坯加熱溫度控制一個合理區間，使鈮和其他合金元素的碳氮化合物溶解度控制在合理范圍，這樣可以避免晶粒過于粗大而降低韌性。嚴格執行加熱工藝，保證各鋼坯加熱時間大于3.5小時，使得鋼坯加熱更為均勻，促進鈮鈦元素的固溶。厚規格管線鋼根據鈮鈦元素含量不同采用不同的加熱溫度，基本控制在1100～1250℃[2]。

5.2 軋制工藝

控軋工藝可以充分發揮鈮、釩、鈦等微量元素的作用，實現組織晶粒細化，提高鋼板強度和低溫韌性。根據實行控制軋制時奧氏體是否發生再結晶可以將控軋過程劃分為I、II兩階段。對于C-Mn-Nb-Mo管線鋼來說，奧氏體再結晶比例與變形量、變形溫度均為正相關。當前者為固定值時，奧氏體再結晶比例與變形溫度曲線較陡峭，當后者為固定值時，奧氏體再結晶比例與變形量曲線較平緩[3]。

在生產實踐中采取兩階段控軋控冷工藝，根據不同的訂單厚度，通過控制冷卻速度及終冷溫度來設計不同的冷卻工藝，第I階段控制中間坯的厚度為訂單規格的2.5～4倍，利用道次間冷卻和待溫進行第II階段軋制，最終得到訂單要求的尺寸，終軋溫度一般為750～800℃[4]。

5.3 冷卻工藝

加速冷卻可以通過控制溫降速度，利用余熱使鋼板組織發生預定相變，達到熱處理的部分效果，實現縮減工序，壓縮生產周期。

6 生產試制

6.1 X65M管線鋼板力學性能

試制的X65M管線鋼化學成分控制精準，鑄坯質量良好，X65M管線鋼板屈服強度均在470MPa以上，抗拉強度均在570MPa以上，冷彎性能、落錘性能合格，試制鋼板符合標準要求。觀察沖擊斷口和落錘斷口可以發現，其形貌中韌窩比例很高，屬于韌性斷裂，有很好的抗撕裂能力。

6.2 組織分析

通過觀察試制的X65M管線鋼板微觀組織照片，主要是針狀鐵素體+塊狀鐵素體+少量的珠光體的復合組織。這種針狀鐵素體鋼板具有較高的屈服強度以及良好的沖擊韌性。通過光學顯微鏡觀察，針狀鐵素體體塊沒有特定的幾何形狀，塊間晶界不顯著，針狀鐵素體內部存在突起和紋理顯示存在大量的位錯，晶粒內部和晶粒之間分布著細小的M/A島。

6.3 系列溫度沖擊試驗

為了研究鋼板的韌脆轉變溫度，對厚度規格50.8mm的X65M管線鋼板進行了0～-100℃系列溫度沖擊韌性檢驗，分別選擇從管線鋼板厚度二分之一處和厚度四分之一處取樣。通過對比檢驗，驗證了在0～-60℃溫度范圍內厚度二分之一處及四分之一處沖擊功都比較均勻，波動較小，說明鋼板韌脆轉變溫度低于-60℃，具有優良的低溫韌性。

7 結論

1）采用鈮鈦復合微合金化技術、潔凈鋼生產技術、控制軋制工藝和加速冷卻技術，試驗軋制的X65M厚規格管線鋼板，鋼板組織均勻、晶粒適中，具有較好的低溫韌性。

2）添加少量微合金化元素Nb、Ti，成分發揮細晶強化、固溶強化和沉淀強化作用。在線加速冷卻技術可以細化鋼板組織，獲得細小均勻的超低碳針狀鐵素體組織，提高鋼板的綜合性能。

3）在生產管理、冶煉工藝、連鑄工藝和軋制工藝等多方面精心組織、嚴格控制和精細操作，X65M管線鋼板可以實現量產，具有明顯的經濟效益。

【參考文獻】

[1]孟憲明.管線鋼的化學成分和性能分析[J].山西冶金，2010（3）：23-24.

[2]丁文華，姜中行，白學軍，等.厚壁海底管線用X70鋼板的研制與開發[J].軋鋼，2012，29（1）：16-18.

[3]沈丙振，方能煒，沈厚發，等.低碳鋼奧氏體再結晶模型的建立[J].材料科學與工藝，2005，13（5）：517-520.

[4]王士林，張厚軍，陸春潔.控軋控冷工藝參數對X80管線鋼組織和性能的影響[J].上海金屬，2014，36（4）：27-42.

[責任編輯：楊玉潔]