低屈強(qiáng)比薄規(guī)格管線鋼X70 M/A島的工藝控制

供稿|許學(xué)利，文小明 / XU Xue-li, WEN Xiao-ming

為了經(jīng)濟(jì)地將石油和天然氣從遙遠(yuǎn)的港口或油氣田輸送到使用地區(qū)，雖然提高輸送管道的壁厚可以提高輸送能力，但也會大幅提高輸送管道制作的成本，采用強(qiáng)度較高的薄規(guī)格低屈強(qiáng)比管線鋼X70輸送管道既經(jīng)濟(jì)適用又能提高輸送效率，同時低屈強(qiáng)比管線鋼更能適應(yīng)管線惡劣的外部環(huán)境，因而加速了薄規(guī)格低屈強(qiáng)比管線鋼X70的研制開發(fā)。

管線鋼微觀結(jié)構(gòu)針狀鐵素體中析出的M/A島的含量、形狀、尺寸及分布等不僅影響對鋼材力學(xué)性能及DWTT值有著重要影響，同時影響管線鋼的屈強(qiáng)比，適當(dāng)提高針狀鐵素體中M/A島的體積分?jǐn)?shù)可以提高鋼材的強(qiáng)度。當(dāng)其體積分?jǐn)?shù)一定時，M/A島尺寸越大，鋼材強(qiáng)度越低。M/A島的體積分?jǐn)?shù)和大小一定時，有尖角的M/A島則易產(chǎn)生應(yīng)力集中而誘發(fā)裂紋，降低材料的強(qiáng)度和DWTT值。細(xì)小彌散分布的M/A島狀組織能阻礙位錯運(yùn)動和疲勞裂紋擴(kuò)展，不易因應(yīng)力集中而誘發(fā)裂紋，并使其長度小于裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的臨界尺寸，可提高鋼材的強(qiáng)度和DWTT值，同時顯著降低屈強(qiáng)比[1-3]。

基于上述理論，均勻細(xì)小的M/A島在不損害薄規(guī)格X70韌性指標(biāo)的同時，顯著提高抗拉強(qiáng)度，降低屈強(qiáng)比。熱軋機(jī)組的變形量及冷卻速度是影響M/A島關(guān)鍵性工藝。本溪鋼鐵集團(tuán)公司(簡稱本鋼)根據(jù)2300 mm熱軋機(jī)組自身的特點(diǎn)確定了合理的變形量和冷卻速度，把厚度9.75 mm的薄規(guī)格管線鋼M/A島的數(shù)量、形狀、尺寸和分布控制在合理的范圍內(nèi)，可以顯著降低薄規(guī)格管線鋼X70的屈強(qiáng)比(屈強(qiáng)比≤0.89)。

材料成分及工藝路徑

合金化路線

厚度9.75 mm的薄規(guī)格管線鋼X70成分設(shè)計中不再采用傳統(tǒng)X70(w(C)＜0.060%)管線鋼低碳設(shè)計，采用碳(w(C)＜0.010%)、中錳含量、低硫(w(S)＜0.0050%)、Nb-V-Ti合金化和鉬微合金化路線，其設(shè)計成分和實(shí)際成分如表1所示。

表1 低屈強(qiáng)比X70管線鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

工藝路徑

生產(chǎn)厚度規(guī)格為9.75 mm的低屈強(qiáng)比(≤0.89)薄規(guī)格管線鋼X70的主要工藝路徑：

鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐冶煉→精煉(RH、LF、Ca處理)→連鑄→板坯加熱爐→荒軋機(jī)組→精軋機(jī)組→層流冷卻系統(tǒng)→卷取機(jī)組。

生產(chǎn)工藝對M/A島的影響及分析

變形量對M/A島的影響及分析

在2300 mm熱軋機(jī)組生產(chǎn)試驗中，2架粗軋機(jī)組和7架精軋機(jī)組變形量分配設(shè)計3種工藝，變形量分配、性能指標(biāo)及組織中M/A島情況見表2。由試驗結(jié)果可以看出，合理的粗軋機(jī)組、精軋機(jī)組道次及變形量分配，晶粒度尺寸不易過細(xì)過粗、組織均勻；適當(dāng)增加粗軋壓下量同時適當(dāng)減小精軋機(jī)組壓下量分配，有利于析出和均勻化M/ A島組織。

從生產(chǎn)試驗結(jié)果可以看出，第1種工藝方案粗軋壓下量分配過大，精軋機(jī)組壓下量較小。從圖1可以看出，第1種方案相變析出的針狀鐵素體中M/A組元不均勻，M/A島長度超過7 μm，且呈長條行狀，粗大不均勻。晶粒度尺寸過粗。體現(xiàn)在性能指標(biāo)上強(qiáng)度和韌性指標(biāo)較低。強(qiáng)度和韌性匹配不好。第2種工藝方案變形量分配得到的性能比較理想。強(qiáng)度和韌性匹配性良好，組織以針狀鐵素體+均勻細(xì)小M/A符合組織，晶粒度尺寸適當(dāng)，屈強(qiáng)比≤0.89，屈強(qiáng)比符合設(shè)計要求。但是第1方案試驗荒軋變形量分配過大，導(dǎo)致荒軋機(jī)組軋制負(fù)荷過重，不適合工業(yè)化批量生產(chǎn)。第3種工藝方案粗軋機(jī)組的變形量較小，精軋機(jī)組的變形量較大，組織主要是針狀鐵素體，幾乎沒有M/A組元，晶粒度尺寸過細(xì)，強(qiáng)度和韌性指標(biāo)較好，但屈強(qiáng)比較高，超出要求。同時精軋機(jī)組超負(fù)荷能力軋制，這種楔形工藝對精軋機(jī)組破壞力較大，不適合工業(yè)化生產(chǎn)。

圖1 3種變形量分配軋制試樣金相組織和SEM組織

根據(jù)本鋼2300 mm熱軋機(jī)組實(shí)際情況，鑄坯厚度和成品鋼卷的厚度固定，總壓下量不變，分析再結(jié)晶區(qū)和未再結(jié)晶區(qū)的壓下量大小對M/A島組織的影響?；能垖儆谠俳Y(jié)晶軋制區(qū)域，精軋機(jī)組屬于未再結(jié)晶軋制區(qū)域，未再結(jié)晶軋制區(qū)域形成M/A島形核區(qū)域。在保證荒軋機(jī)組和精軋機(jī)組的軋機(jī)不能超過負(fù)荷能力的同時，又能保證再結(jié)晶軋制區(qū)域的變形達(dá)到對晶粒有效細(xì)化和均勻化。適當(dāng)降低未再結(jié)晶軋制區(qū)域(7機(jī)架精軋)道次變形量，使晶粒度不易過細(xì)或過粗，進(jìn)而保證在精軋出口鋼板針狀鐵素體組織中出現(xiàn)分布均勻和細(xì)小彌散M/A島組元。從機(jī)能數(shù)據(jù)和試驗過程分析，第2種工藝方案變形量分配比較理想。

冷卻速度對M/A島的影響及分析

通過試驗軋制結(jié)果分析確定合理的熱軋機(jī)組荒軋和精軋最佳的壓下量分配。終軋溫度設(shè)定為810 ℃，設(shè)定3組不同的卷取溫度進(jìn)行軋制，不同的卷取溫度達(dá)到不同冷卻速度見表3。軋制后通卷取樣進(jìn)行機(jī)能檢驗和顯微組織分析。各點(diǎn)試樣用掃描電鏡分析M/A島尺寸、質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

由圖2和圖3可知，對比三組試樣A、B、C的M/A島組織分布、組織均勻性和M/A島尺寸。試樣A冷卻速度小，M/A島組織分布不均勻，組織均勻性差，M/A島相對較多、大小不均；試樣B冷卻速度提高，M/A島組織分布均勻，組織均勻，M/A島尺寸大小均勻；試樣C冷卻速度最大，組織主要是針狀鐵素體+少量粒狀貝氏體量，檢驗沒有發(fā)現(xiàn)M/A島組織。因此適當(dāng)?shù)木砣囟?、適當(dāng)?shù)睦渌偎俣?，有利于提高組織中M/A島組織均勻分布，形成小尺寸M/A島組織，并且促使組織均勻。

冷卻速度過大也有不利的一面，研究認(rèn)為針狀鐵素體中富含碳，冷卻速度越大，溫度降低越快。而溫度越低，碳擴(kuò)散越困難，不利于形成一定量的共析鐵素體，影響管線鋼的韌性指標(biāo)。

表3 溫度點(diǎn)及冷卻速度設(shè)定

圖2 不同冷卻速度下不同試樣M/A島掃描電鏡照片

圖3 不同冷卻速度下不同試樣M/A島金相組織

結(jié)束語

厚度規(guī)格為9.75 mm的X70是高強(qiáng)度和高韌性匹配良好的管線鋼，組織中以針狀鐵素體+均勻細(xì)小的M/A組元復(fù)合組織，均勻細(xì)小的M/A組元的有效控制能使X70管線鋼DWTT和屈服強(qiáng)度顯著提高同時可以顯著降低屈強(qiáng)比。通過合理控制粗軋機(jī)組和精軋機(jī)組變形量以及適當(dāng)?shù)睦鋮s速度有利于控制M/A的分布、尺寸和組織均勻性，降低屈強(qiáng)比。根據(jù)生產(chǎn)試驗對變形量和冷卻速度進(jìn)行控制：

(1)粗軋機(jī)組前三道次變形量控制在35%～45%之間，適當(dāng)減小中間坯厚度，根據(jù)2300 mm熱軋機(jī)組軋制能力，控制中間坯厚度55 mm。適當(dāng)減小精軋機(jī)組的變形量，使組織中的晶粒度不易過細(xì)。組織主要為針狀鐵素體和均勻細(xì)小的M/A島，促使厚度9.75 mm的薄規(guī)格X70管線鋼同時具有良好的強(qiáng)韌性匹配。屈強(qiáng)比≤0.89，與傳統(tǒng)管線鋼軋制工藝相比屈服強(qiáng)度略微下降10～20 MPa，抗拉強(qiáng)度提高18～30 MPa，屈強(qiáng)比降低明顯。

(2)根據(jù)生產(chǎn)試驗得出，薄規(guī)格X70管線鋼的冷卻速度適當(dāng)降低到16～22 ℃/s范圍內(nèi)比較合理，組織中析出M/A島形狀近橢球形且尺寸較小。實(shí)際生產(chǎn)卷取溫度控制在530 ℃左右，大幅度降低了對設(shè)備的沖擊，解決了夏季高溫季節(jié)對生產(chǎn)環(huán)節(jié)的限制，大幅降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。

(3)薄規(guī)格低屈強(qiáng)比高級別管線鋼X70較傳統(tǒng)管線鋼更能適應(yīng)工作環(huán)境的復(fù)雜性，制成管后管體變形裕度更強(qiáng)、均勻變形量、臨界裂紋系數(shù)和承載外界破壞能力更大。同時增強(qiáng)了極端條件下管道工程抵抗自然災(zāi)害的能力，提高管道工程使用的安全性，帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)與社會效益。