超厚X60M 管線鋼帶的設計及生產實踐

王 浩，侯明山，段云祥，趙建勇，高小堯，黃泉開，劉 洋，王浩川，廉躍軍

（唐山鋼鐵集團有限責任公司，河北 唐山 063016）

0 引言

管線鋼是指用于輸送石油、天然氣等管道所用的一類具有特殊要求的鋼種，廣泛應用于西氣東輸等國家重點能源工程項目。隨著新建天然氣管道輸送量、輸送壓力的不斷提高，對于管線鋼壁厚要求也相應提高[1]。因成本優勢，通常20 mm 以內規格管線鋼采用熱軋卷板，但由于熱軋卷板的軋制規格受限和工藝控制難度較大，目前24 mm 以上厚規格管線鋼一般采用中厚板生產。隨著市場競爭愈加激烈，各大管廠均希望鋼廠能開發出厚規格的管線鋼帶以替代中厚板，壓縮成本，提高效益。唐山鋼鐵集團有限責任公司（全文簡稱“唐鋼”）2050 產線于2020 年投產，引進德國SMSD 公司技術和日本TMEIC 公司高精度自動化控制技術，并配備超快冷系統，具備生產12～25.4 mm全系列鋼帶的能力，為適應市場需求，唐鋼進行了厚規格X60 級別管線鋼帶的開發，并對其進行了低溫韌性的研究。

1 成分設計

C：C 是很強的間隙固溶強化元素，能顯著提高鋼的強度。但是，C 含量的增加會加大鋼中C 的偏析，同時也不利于鋼韌性及塑性的提高，還會惡化鋼的焊接性能。因此，同時考慮這兩方面作用后，一般設計w（C）≤0.12%。

Mn：Mn 可以顯著提高鋼帶的強度，但過高的Mn含量在鋼中容易產生偏析，在軋制過程中產生硬化組織，降低鋼的韌性和塑性，一般X60M 級別管線鋼w（Mn）在1.40%以上。唐鋼2050 產線依托裝備優勢可將w（Mn）控制在1.30%以下。

Nb、Ti：奧氏體的回復和再結晶主要依賴于高溫奧氏體中固溶的微合金原子和軋制過程中經過應變誘導析出的Nb（C、N）等沉淀粒子。Nb 是低合金高強鋼中最主要的微合金元素，Nb 能夠顯著提高管線鋼的再結晶溫度。Ti 在高溫下形成穩定的TiN 質點，抑制高溫奧氏體晶粒長大，也有利于焊接熱影響區的晶粒控制，改善焊接性能[2]。

P、S：P 是易偏析元素，也是影響管線鋼抗韌性性能的主要元素。S 易與Mn 生成MnS 夾雜物，管線鋼中S 含量較高、MnS 夾雜物較多時，可顯著降低鋼的韌性。磷會造成鋼帶的冷脆現象，顯著惡化鋼帶韌性。

綜合考慮管線鋼的強度、塑性、韌性和止裂能力，厚規格X60 管線鋼的化學成分設計如表1 所示。

表1 搪瓷鋼的化學成分控制范圍

2 加熱及軋制工藝的制定

2.1 加熱溫度

對于含Nb 的低合金鋼，加熱過程中需保證Nb的固溶，據經驗公式計算Nb 的固溶溫度TNb=6670/{2.26-lg[w（Nb）·（w（C）+12w（N）/14）]}-273=1 112 ℃[3]，根據產線加熱爐經驗，鑄坯芯部溫度與表面溫度差不超過60 ℃，因此加熱溫度在1 180 ℃以上即可保證Nb 的固溶。

2.2 溫度控制

通過JMatPro 軟件在設計的成分體系下進行CCT曲線的理論計算，結果如圖1 所示。

圖1 設計成分體系下的CCT 曲線

珠光體為鐵素體與滲碳體的機械混合物，平均w（C）約為0.77%，對于管線鋼而言珠光體是一種脆性組織，從CCT 曲線上看，為盡量減少珠光體的析出，冷速必須大于10 ℃/s，同時卷曲溫度應保證在600 ℃以下。針狀鐵素體被認為是管線鋼的優異組織，在針狀鐵素體的內部，大量的位錯和亞晶能夠起到位錯強化和晶界強化的目的，而較高的位錯密度，也能促進析出物的形核，產生析出強化，因此針狀鐵素體組織因其具有良好的強韌性，可在提高強度的同時提高低溫韌性[3]。因此工藝上應采用低溫軋制的方案，具體工藝方案設計如表2 所示。

表2 溫度控制方案 單位：℃

2.3 軋制控制

精軋壓下率的增大可以有效細化晶粒，提高強度與韌性。經模型計算F7 壓下率大于10%時會超過F7的軋制負荷，因此為保證末道次壓下率對F7 進行空過，增加F6（末道次）壓下率，具體方案如表3 所示。

表3 軋制控制方案

3 性能與組織

3.1 機械性能

2050 熱軋產線首次生產、試制24.2 mm 厚的X60M管線鋼，生產過程、設備狀態穩定，過程工藝命中情況良好，試制產出的管線鋼熱卷機械性能如表4所示，可見隨卷曲溫度下降，屈服強度和抗拉強度均呈下降趨勢。考慮到制管后的包辛格效應，應保證屈服強度在450 MPa 以上較為安全。

表4 機械性能

3.2 韌性

落錘性能檢測結果如圖2 所示，350 ℃、450 ℃卷曲落錘性能結果合格，全部為100%。而500 ℃、600 ℃卷曲落錘性能不合格，500 ℃時的結果為100%、0%，600 ℃時的結果為0%、0%。

圖2 落錘性能檢測結果

沖擊試樣規格為10 mm×10 mm×55 mm，沖擊性能（-10 ℃條件下）檢測結果如表5 所示，沖擊功遠滿足≥80 J 的要求，500 ℃、600 ℃的沖擊結果相較于350 ℃和450 ℃稍有下降。

表5 沖擊性能 單位：J

3.3 組織

對四個方案的鋼帶進行組織檢測，結果如圖3 所示，組織均存在一定的帶狀，600 ℃時的帶狀組織最為嚴重。350 ℃和450 ℃卷曲時，針狀鐵素體組織較多，珠光體含量極少，晶粒細小，組織均勻性好；500 ℃卷曲時等軸鐵素體明顯增多，不利于強度提升和韌性增強；600 ℃卷曲時等軸等軸鐵素體更加明顯，且部分位置出現晶粒不均問題。隨著卷曲溫度升高，冷速變弱，組織發生相應的改變符合CCT 曲線的趨勢。從組織分析上看符合隨著卷曲溫度升高，機械強度下降，韌性下降的規律。

圖3 組織檢測結果

4 結論

1）根據成分強化理論和對組織的影響分析，設計了超厚規格X60M管線鋼的成分體系。

2）通過計算Nb 固溶溫度，據CCT 曲線評估設備狀態，對超厚規格的X60M設計了4 種不同的溫度控制工藝，同時執行空過F2 和F7，F6 壓下率大于10%。

3）根據設計的工藝進行了生產，并對試驗鋼進行了沖擊試驗，結果表明：350 ℃和450 ℃卷曲條件下能夠滿足機械性能和韌性的要求；500 ℃和600 ℃卷曲條件下不能滿足韌性要求；觀察組織發現350 ℃和450 ℃卷曲條件下針狀鐵素體組織較多，珠光體含量極少，晶粒細小，組織均勻性好；500 ℃和600 ℃卷曲等軸鐵素體含量較多，晶粒較為粗大，組織均勻性較差。