低硬度X70M管線鋼卷材的開發

孔祥磊 黃國建 吳成舉 徐 烽 栗 銳

(1.海洋裝備用金屬材料及其應用國家重點實驗室，遼寧 鞍山 114009； 2.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009;3.鞍鋼股份有限公司，遼寧 鞍山 114021)

X70M管線鋼已成為國內外重大管道工程建設的主流用鋼[1- 2]，技術指標一般根據管線鋼規范(API SPECIFICATION 5L)[3]確定，并視工程的具體要求適當調整。硬度是主要的性能指標之一，API SPECIFICATION 5L規定鋼管硬度≤345 HV10，國標(GB/T 14164—2013)[4]規定卷材硬度≤260 HV10，中石油通用技術標準[5- 6]規定卷材硬度≤255 HV10、鋼管硬度≤275 HV10，中石化通用技術標準[7- 8]規定卷材硬度≤250 HV10、鋼管硬度≤265 HV10。

鞍鋼承接的出口印度的某管道工程用X70M管線鋼熱軋卷材，技術協議中提出了苛刻的≤230 HV10的硬度要求，并要求確保鋼管硬度≤248 HV10。為此，需要設計更為經濟合理的化學成分和生產工藝。本文簡要介紹了鞍鋼成功研制的低硬度X70M管線鋼卷材的成分、性能特點和應用。

1 技術要求

該工程用X70M管線鋼卷材規格為15.9 mm×1 450 mm，成分要求見表1。化學成分的顯著特點為大幅度降低了錳的上限值，而在通用技術標準中，X70M鋼中錳含量的上限為2.00%(質量分數，下同)。常規生產螺旋埋弧焊鋼管用卷材時，一般添加1.70%左右的錳。

表1 X70M管線鋼卷材的化學成分要求 (質量分數)Table 1 Chemical composition requirements for the X70M pipeline steel coil (mass fraction) %

力學性能要求見表2。卷材拉伸試樣取樣方向與軋制方向成30°夾角。有關研究[9- 11]指出，采用熱機械軋制(TMCP)生產的管線鋼卷材，由于顯微組織沿軋制方向拉長和相變過程中產生熱軋織構，導致與軋制方向呈30°夾角的方向的強度值幾乎最低，因此設計X70M鋼卷材時，高強度是必要條件。但強度和硬度存在正比關系，而本項目X70M鋼硬度的上限值被嚴格限制，如何保證同時滿足強度和硬度要求是本文研究的重點和難點。

表2 X70M管線鋼卷材的力學性能要求Table 2 Mechanical property requirements for the X70M pipeline steel coil

2 產品設計

2.1 成分設計

采用C- Mn- Cr- Nb系成分，并充分利用合金元素控制組織和細化晶粒的作用，主要成分的目標值見表3。

(1)碳：強化效果明顯且最為經濟。但為了保證鋼的低溫韌性、可焊接性等，碳的添加量不宜超過0.08%，否則易因碳偏析而產生帶狀組織，造成該部位硬度高于技術要求。

(2)錳：主要起固溶強化作用，又能擴大γ相區， 由于降低γ→α轉變溫度而細化相變組織。但錳也易偏析，導致產生偏析帶而影響產品硬度和斷裂韌度。

(3)鈮：主要是通過應變誘導析出NbC阻礙形變奧氏體的回復、再結晶，降低相變溫度[12]，使未再結晶區的形變奧氏體轉變為細小的針狀鐵素體，以提高強度和韌性。同時與碳、氮結合，形成細小彌散的第二相，起析出強化作用。

(4)鉻、鉬：主要是使鋼在γ→α轉變過程中獲得針狀鐵素體，并改善低溫韌性和耐蝕性。鉬的作用更明顯，但價格偏貴。鉻會明顯提高鋼的抗拉強度導致硬度超標，為此將二者共同加入鋼中。

表3 X70M管線鋼卷板化學成分的目標值(質量分數)Table 3 Target values of chemical composition for the X70M pipeline steel coil (mass fraction) %

2.2 生產工藝

本文研制的低硬度X70M管線鋼卷材采用純凈鋼冶煉工藝連鑄和TMCP軋制技術，主要生產流程為鐵水預處理→轉爐冶煉→爐外精煉(RH+LF+鈣處理)→連鑄→加熱→軋制→層流冷卻→卷取。

2.2.1 冶煉連鑄

采用純凈鋼冶煉工藝，經轉爐冶煉和爐外精煉，達到硫、磷、氧、氫、氮等雜質元素的含量最低和夾雜物球化、細小彌散的效果。保護澆注鑄坯，鑄坯厚度170 mm，凝固過程的冷卻速率大，二次枝晶間距小，有利于組織細化。

2.2.2 軋制冷卻

將鑄坯充分加熱至其完全奧氏體化，但加熱時間不宜過長，否則易造成晶粒粗大。隨后兩階段控制軋制，粗軋使奧氏體晶粒細化，精軋采用低溫、大壓下量，使得奧氏體晶粒充分扁平化并積累充足的相變能量，合理控制冷速和終冷溫度以獲得細小均勻的針狀鐵素體組織。冷速低、終冷溫度高易生成更多的多邊形鐵素體，造成強度不足；冷速高、終冷溫度低易生成板條貝氏體或馬氏體，導致硬度偏高。

3 產品質量及應用

2017年，鞍鋼研制成功低硬度X70M管線鋼熱軋卷材，并在鞍鋼股份2150ASP機組批量生產了5.47萬t，在國內某鋼管廠制成φ762 mm螺旋埋弧焊管，全部出口印度用于管道工程建設。

3.1 微觀組織

采用萊卡DMI5000M型光學顯微鏡觀察卷材的顯微組織，見圖1，為針狀鐵素體+M- A組元，晶粒細小(ASTM 13級)，帶狀組織輕微(0.5級)，夾雜物完全球化(D類，0.5級)。這種細小均勻的針狀鐵素體組織特征確保了X70管線鋼具有高的強度和良好的韌性。

圖1 15.9 mm厚X70M管線鋼卷材的(a)顯微組織、(b)晶粒大小、(c)帶狀組織和(d)夾雜物Fig.1 (a) Microstructure, (b) grain size, (c) banded structure and (d) inclusion in the 15.9 mm- thick X70M pipeline steel coil

在用薄膜法制樣后，采用Tecnai G220型透射電鏡觀察顯微組織和位錯，見圖2，可見針狀鐵素體中有大量高密度位錯。用復型法制樣后，利用透射電鏡觀察析出相形貌并檢測其成分，見圖3。試樣中第二相粒徑基本小于150 nm，其中大部分粒徑為40～100 nm，均勻分布在基體中。能譜分析表明，析出相為(Nb,Ti)(C, N)。在鋼卷溫度下降的過程中，首先析出方形Ti(C, N)粒子，一般大于40 nm。隨著溫度進一步下降，在Ti(C, N)粒子附著析出Nb(C, N)，粒徑進一步增大。隨著冷速提高，會析出部分粒徑小于30 nm的Nb(C, N)粒子。這些微小的析出相起到了阻止奧氏體晶粒長大和抑制奧氏體再結晶的作用，使變形奧氏體中存在高密度的位錯和變形帶，從而有效細化晶粒，提高管線鋼的強度和韌性。

3.2 力學性能

低硬度X70M管線鋼卷材批量生產的工藝和過程控制良好，產品性能合格率達100%，原品種成材率為95.3%，各項力學性能指標的過程控制能力指數(Cpk)均大于1.33。

圖2 15.9 mm厚X70M管線鋼卷材中的針狀鐵素體和位錯Fig.2 Acicular ferrite and dislocations in the 15.9 mm- thick X70M pipeline steel coil

3.2.1 卷板的主要力學性能

統計表明(見表4)，鞍鋼生產的15.9 mm 厚X70M熱軋卷材的各項性能指標完全符合工程項目技術規格書、數據單文件和制管廠技術協議。

表4 X70M 管線鋼卷材的力學性能Table 4 Mechanical properties of the X70M pipeline steel coil

3.2.2 卷材不同方向的力學性能

按ASTM A370標準，分別在與軋制方向平行、與軋制方向成30°和90°夾角的方向對卷材取樣并進行拉伸試驗，結果列于表5。應力- 應變曲線均為Round- House型，為典型的針狀鐵素體組織特征。表5數據表明，卷材各向異性較為明顯，橫向強度值明顯高于其他方向，與軋制方向成30°夾角的方向的強度最低，因此在產品設計時必須考慮到測定力學性能試樣的取樣方向。

3.2.3 沖擊和落錘試驗

按ASTM A370和API RP 5L3標準分別對X70M卷材進行沖擊和落錘檢驗(按協議規定取樣方向均為與軋制方向成30°夾角)，結果見表6。落錘試樣斷口形貌見圖4(a)，從左至右檢驗溫度依次為-60～20 ℃，圖4(b)為-20 ℃試驗試樣的斷口微觀形貌，為典型的韌性斷裂。

表5 X70M管線鋼卷材不同方向的力學性能Table 5 Mechanical properties of the X70M pipeline steel coil in different directions

表6表明，-30 ℃落錘性能仍符合標準要求，-60 ℃的沖擊吸收能量大于200 J，韌脆轉變溫度低于-60 ℃，產品的低溫斷裂韌性良好。

3.3 鋼管性能

鞍鋼X70M管線鋼卷材發往國內某鋼管廠，采用螺旋埋弧焊制成了φ762 mm鋼管，性能全部合格，見表7。鋼管拉伸性能與卷材相比，屈服強度平均降低18 MPa，抗拉強度和斷后伸長率基本一致，屈強比略有降低。

4 結論

表6 X70M管線鋼卷材的沖擊和落錘性能Table 6 Impact property and DWTT property of the X70M pipeline steel coil

圖4 X70M管線鋼卷材落錘試樣的斷口形貌Fig.4 Fractographs of DWTT sample of the X70M pipeline steel coil

表7 X70M 管線鋼鋼管的力學性能Table 7 Mechanical properties of pipes made from the X70M pipeline steel coil

鞍鋼采用純凈鋼冶煉工藝、TMCP軋制工藝研制的C- Mn- Cr- Nb系X70M管線鋼卷材具有低硬度、高韌性、易焊接等特點，顯微組織為針狀鐵素體，晶粒細小均勻，位錯密度高，并有大量(Nb,Ti)(C, N)粒子彌散析出，強化機制為細晶強化、位錯強化和析出強化，產品各項性能指標完全滿足API SPECIFICATION 5L標準和有關工程技術協議的要求。采用螺旋埋弧焊接工藝制成的φ762 mm×15.9 mm鋼管，其技術指標全部合格。

低硬度X70M管線鋼熱軋卷材的成功開發和批量生產，滿足了當前國內外管道建設的需求，提高了鞍鋼高級別管線鋼的市場競爭力，具有極大的經濟效益和社會效益。