L290M/X42M管線鋼化學成分優化設計

曹 妍，王建鋼，閆 波，趙 進

(內蒙古包鋼稀土鋼板材有限責任公司，內蒙古 包頭014010)

L290M/X42M管線鋼化學成分優化設計

曹 妍，王建鋼，閆 波，趙 進

(內蒙古包鋼稀土鋼板材有限責任公司，內蒙古 包頭014010)

為了優化低鋼級管線鋼的成分設計，降低制造成本，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，以及Mn+Nb/Ti微合金的成分設計對不同厚度L290M/X42M管線鋼的化學成分進行了優化，并對試制的管線鋼進行了力學性能和顯微組織分析。試驗結果表明，不同化學成分設計的管線鋼都具有較高的強度和良好的塑性，性能指標不僅能滿足GB/T 14164標準要求，而且已達到了API SPEC 5L標準規定的L320M/X46M級別管線鋼的強度與塑性。

管線鋼；L290M/X42M；熱軋鋼帶；化學成分；優化

1 L290M/X42M管線鋼化學成分設計

C在鋼中的作用是提高強度，但碳含量過高會降低鋼的塑性和沖擊韌性，還會降低鋼的耐大氣腐蝕能力，重要的是C對鋼的焊接性有著負面影響，所以大多數鋼產品規范中對碳含量都制定了上限要求。對于管線鋼來說，碳當量Ce和裂紋敏感系數Pcm是鋼管焊接性和焊縫撕裂的重要控制指標，而碳含量的高低會直接影響到該指標[1]。因此，在管線鋼的成分設計中有必要采用低碳設計。

Mn作為脫氧除S元素，能夠提高Si和Al的脫氧效果，其與S結合生成MnS，從而在相當大的程度上能夠消除S的有害物質。Mn在管線鋼中作為有益元素，起著重要的作用，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和C的比值還可以影響鋼的韌脆轉變溫度[2-3]。此外，Mn對鋼的抗HIC性能也有影響[4-5]，根據管線鋼厚度和強度的不同要求，鋼中Mn的質量分數一般控制在1.1％～2.0％。

Si在鋼中作為還原劑和脫氧劑，脫氧后以硅酸鹽作為爐渣除去，但是殘留硅能溶于鐵素體中使鐵素體強化，從而提高鋼的強度和硬度，所以鎮靜鋼中Si的質量分數一般為0.15％～0.30％。

S和P在管線鋼中為有害元素，它們來自于礦石和生鐵等煉鋼原料，煉鋼時難以完全清除。S容易產生熱脆，可以通過Mn與S的比值來控制，在鋼中優先形成MnS以避免FeS的生成，從而產生嚴重偏析。S對管線鋼焊接性能有不良影響，容易導致焊縫熱裂，在焊接過程中，S易于氧化生成SO2，使焊縫中產生氣孔和疏松。P容易使鋼產生冷脆，增大了鋼的強度和硬度，但會使鋼韌性降低，低溫時脆性現象更為嚴重。

管線鋼中除添加5大元素外，Al和Ca也是成分設計上必不可少的。Al作為強脫氧劑部分與氧形成Al2O3或含有Al2O3的夾雜物，部分溶于固態鐵中隨加熱和冷卻的不同，形成AlN，可阻止奧氏體晶粒的長大，同時減弱或消除鋼的時效現象[6-7]。Ca在鋼中主要起凈化作用，減少鋼中高熔點夾雜物的生成，通過鈣處理對夾雜物形態進行控制[8-9]，減少或防止水口結瘤。

依據相關標準和用戶技術條件，針對不同的產品厚度進行管線鋼成分設計，進而優化成本。厚度＜15mm的熱軋鋼帶化學成分見表1，厚度≥15mm的熱軋鋼帶化學成分見表2。

表1 厚度＜15mm的L290M/X42M管線鋼的化學成分％

表2 厚度≥15mm的L290M/X42M管線鋼的化學成分 ％

2 生產工藝流程

L290M/X42M管線鋼生產工藝流程如圖1所示。在L290M/X42M生產過程中，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。用較低的開軋和終軋溫度，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，改善表面質量。

圖1 L290M/X42M管線鋼生產工藝流程

3 試驗結果與分析

3.1 夾雜物評級

生產的L290M/X42M管線鋼中非金屬夾雜物評級的檢驗結果見表3。

表3 L290M/X42M管線鋼非金屬夾雜物評級結果

3.2 拉伸性能

由于焊接鋼管和熱軋鋼帶之間存在包辛格效應[10]，結合產品標準和客戶需求，L290M/X42M管線鋼驗收標準為：屈服強度330～495MPa，抗拉強度 415～760MPa，伸長率 A≥25％或 A50≥30％。在L290M/X42M板卷1/4處取矩形試樣，以厚度為6.4mm和15.75mm熱軋鋼帶為例，厚度為6.4mm鋼帶分別以橫向和沿軋制方向45°取樣；厚度為15.75mm鋼帶分別以橫向和沿軋制方向30°取樣。按照ASTM 370進行各方向拉伸試驗，拉伸性能結果如圖2所示。從圖2可以看出，試驗鋼帶拉伸性能合格并存在各向異性，橫向取樣時拉伸性能最高，延伸率無明顯變化。試驗結果說明，包鋼稀土鋼板材有限責任公司生產的L290M/X42M管線鋼熱軋鋼帶拉伸性能明顯高于標準值，滿足直縫焊管和螺旋焊管用鋼的強度需求。

圖2 不同壁厚L290M/X42M管線鋼熱軋鋼帶拉伸性能對比

3.3 沖擊韌性

在L290M/X42M鋼帶1/4處取夏比沖擊試樣，按照GB/T 229進行夏比沖擊試驗，其橫向和沿軋制方向30°取樣時系列溫度的夏比沖擊試驗結果如圖3所示。從圖3可以看出，試樣沖擊性能存在各向異性，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的趨勢。試驗結果說明，包鋼稀土鋼板材有限責任公司生產的L290M/X42M管線鋼熱軋鋼帶，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技術條件。

圖3 L290M/X42M管線鋼熱軋鋼帶不同溫度沖擊試驗結果

3.4 顯微組織

試驗取樣方向與軋制方向垂直，材料金相組織為均勻分布的鐵素體+少量珠光體，鐵素體晶粒度分布在8.5～9.5級之間，帶狀組織評級為1.5～2.0級。以厚度為15.75mm的鋼帶為例，距鋼帶表面1/4處以及鋼帶心部的金相組織如圖4所示。圖4中晶粒度為9級，無異常組織存在。

圖4 15.75mm厚L290M/X42M熱軋鋼帶顯微組織

4 結 論

(1)試驗結果表明，包鋼稀土鋼板材有限責任公司研制的L290M/X42M管線鋼的強度不僅滿足 GB/T 14164—2013、美國API APEC 5L標準，而且已達到了API SPEC 5L標準規定的L320M/X46M級別管線鋼的強度與塑性，體現了采用C-Mn-Ti/Nb系鐵素體+少量珠光體鋼設計和采用熱機械軋制工藝(TMCP)的最佳匹配。

(2)LF爐精煉處理能顯著降低鋼中的夾雜物，低溫大壓下量軋制和軋后快速冷卻顯著細化了鋼的晶粒度，保證了鋼的強度和塑性。

(3)鋼中添加了Nb和Ti微合金，起到抑制晶粒長大以及沉淀強化的作用，使鋼的強度和韌性大大提高。從試驗結果中也可以看出，加Nb對鋼的性能強化作用大。

[1]API SPEC 5L，管線鋼管規范[S].

[2]郝瑞輝，高惠臨，叢暉，等.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.

[3]齊俊杰，黃運華，張躍.微合金化鋼[M].北京：冶金工業出版社，2006.

[4]戰東平，姜周華，王文忠，等.高潔凈度管線鋼中元素的作用與控制[J].鋼鐵，2001，36(6)：67-70，78.

[5]王雷川.高級別管線鋼精煉潔凈度控制[J].商情，2013(51)：396.

[6]李玲.低碳鋼時效現象剖析[J].軋鋼，1996(3)：31-32.

[7]O祝桂合，小野寺龍太.低碳鋼的屈服與時效現象的新探索[C]//中國金屬學會2003中國鋼鐵年會.北京：中國金屬學會，2003：826-831.

[8]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.

[9]馬文，孫彥輝.鈣處理對鋼中非金屬夾雜物行為的影響[J].鋼鐵研究，2013，41(02)：13-15.

[10]李延豐.管線鋼管的包辛格效應與質量[J].焊管，2000，23(1)：1-3.

L290M/X42M Pipeline Steel Chemical Composition Optimization Design

CAO Yan,WANG Jiangang,YAN Bo,ZHAO Jin
(Inner Mongolia Rare Earth Steel Plate Co.,Ltd.of Baotou Steel(Group)Corp.,Baotou 014010，Inner Mongolia，China)

In order to optimize composition design of low steel grade pipeline steel,reduce manufacturing cost，it optimized chemical composition of different thickness L290M/X42M pipeline steel,by adopting low rolling temperature，large rolling reduction，fast cooling after rolling TMCP thermal mechanical rolling technology and Mn+Nb/Ti microalloy chemical composition design，furthermore，it carried out mechanical properties and microstructure analysis on the manufactured pipeline steel.Test results indicated that the pipeline steel with different chemical composition design all possess high strength and good plasticity，the performance index can not only meet the requirements of GB/T 14164 standard，but also reach the strength and toughness of L320M/X46M level specified in API SPEC 5L.

pipeline steel;L290M/X42M;hot rolled steel strip;chemical composition;optimization

TG113

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.09.014

曹 妍(1984—)，女，工學學士，軋鋼工程師，主要從事軋鋼技術的研發工作。

2016-05-20

李 超