高韧性厚规格X70管线钢的研制与应用

２０１０年第３期　新疆钢铁　总１１５期　高韧性厚规格Ｘ７０管线钢的研制与应用　邱双全，陈勇，张爱梅，吾塔，张建新　（宝钢集团八钢公司制造管理部）　摘　要：　文章介绍了八钢公司进行Ｘ７０管线研发的生产工艺路线，采用了三种成分设计（中Ｃ—Ｎｂ—Ｖ—Ｃｒ、低　Ｃ—Ｎｂ—Ｖ—Ｃｒ—Ｍｏ和低Ｃ—Ｎｂ—Ｎｉ—Ｃｕ—Ｃｒ），热轧采用低温轧制和低温卷曲并精确控制出钢温度、粗轧反馈温度和　中间坯厚度。三种成分的强度、韧性等指标有如下差异：无论何种成分设计均能得到合格的强度指标和ＣＶＮ指　标，明显差异在于中Ｃ—Ｎｂ—Ｖ—Ｃｒ成分ＤＷＴＩ＂指标在０℃条件下ＳＡ％比例不足５０％，低Ｃ—Ｎｂ—Ｖ—Ｃｒ－Ｍｏ和低　Ｃ—Ｎｂ—Ｎｉ—Ｃｕ—Ｃｒ在一３０＇Ｃ条件下ＳＡ％仍表现较好的指标，组织进行分析认为：中Ｃ—Ｎｂ—Ｖ—Ｃｒ－Ｍｏ成分设计中　出现严重的平行的偏析带和粗大的板条贝氏体是造成该方案韧性指标不合格的主要原因，低Ｃ成分设计可得　到针状铁素体＋少量贝氏体，Ｍ—Ａ组元呈弥散分布，并有效降低铸坯带状偏析，可使材料获得良好的强韧性。　关键词：　管线钢；设计；强度；韧性；组织　中图分类号：ＴＧ３３５．１１　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２—４２２４（２０１０）０３—ｏ００１—０４　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｎ　Ｈｉｇｈ　Ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ　ａｎｄ　Ｈｅａｖｙ　Ｇａｕｇｅ　Ｐｉｐｅｌｉｎｅ　Ｓｔｅｅｌ　Ｘ７０　ＱＩＵ　Ｓｈｕａｎｇ－ｑｕａｎ，ＣＨＥＮ　Ｙｏｎｇ，ＺＨＡＮＧ　Ａｉ—ｍｅｉ，ＷＵ　Ｔａ，ＺＨＡＮＧ　Ｊｉａｎｇ—ｘｉｎ　（Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｂａｙｉ　Ｉｒｏｎ＆Ｓｔｅｅｌ　Ｃｏ．，Ｂａｏｓｔｅｅｌ　Ｇｒｏｕｐ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　Ｘ７０　ｐｉｐｅｌｉｎｅ　ｓｔｅｅｌ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｒｅｅ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｄｅｓｉｇｎ　ｗｅｒｅ　ｕｓｅｄ　ｆｍｅｄｉｕｍＣ—Ｎｂ—Ｖ—Ｃｒ．１ｏｗＣ—Ｎｂ—Ｖ—Ｃ卜Ｍｏ　ｏｒ　ｌｏｗＣ—Ｎｂ—Ｎｉ—Ｃｕ—Ｃｒ）．Ｌｏｗ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｒｏｌｌｉｎｇ　ａｎｄ　ｃｏｉｌｉｎｇ　ａｒｅ　ａｄｏｐｔｅｄ　ｉｎ　ｈｏｔ　ｒｏｌｌｅｄ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ａｎｄ　ｔａｐｐｉｎｇ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｆｅｄ　ｂａｃｋ　ｆｒｏｍ　ｒｏｕｇｈ　ｒｏｌｌｉｎｇ　ａｎｄ　ＣＶＮ　ｉｎｄｅｘ　ａｒｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ．Ｄｉｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｆ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ａｎｄ　ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ　ａｍｏｎｇ　ｔｈｒｅｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ　ｅｘｉｓｔ　ａｓ　ｆｏｌｌｏｗｓ：ｎｏ　ｍａｔｔｅｒ　ｗｈａｔ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ　ｄｅｓｉｇｎ　ｃａｎ　ｏｂｔａｉｎ　ｅｌｉｇｉｂｌｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ａｎｄ　ＣＶＮ　ｉｎｄｅｘ．Ｄｉｓｔｉｎｇｕｉｓｈｅｄ　ｄｉｆｅｒｅｎｃｅ　ｌｉｅｓ　ｉｎ　ｔｈａｔ　ＳＡ％ｉＳ　ｌｅｓｓ　ｔｈａｎ　５Ｏ％ａｔ　ｚｅｒｏ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｆｏｒ　ＤＷＴＴ　ｉｎｄｅｘ　ｏｆ　ｍｅｄｉｕｍ　Ｃ—Ｎｂ—Ｖ—Ｃｒ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ．ａｎｄ　ＳＡ％ａｔ一３０　ｄｅｇｒｅｅｓ　ｆｏｒ　ｌｏｗＣ—Ｎｂ—Ｖ—Ｃｒ—Ｍｏ　ａｎｄ　ｌＯＷ　Ｃ—Ｎｂ—Ｎｉ—Ｃｕ—Ｃｒ　ｒｅｍａｉｎｓ　ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ　ｉｎｄｅｘ．Ｒｅｓｕｈｓ　ｏｆ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｓｅｒｉｏｕｓ　ｐａｒａｌｌｅｌ　ｓｅｇｒｅｇａｔｉｏｎ　ｂａｎｄ　ａｎｄ　ｔｈｉｃｋ　ｂａｔｔｅｎ—ｌｉｋｅ　Ｂａｉｎｉｔｅ　ａｒｅ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｒｅｓｕｌｔｅｄ　ｉｎ　ｄｉｓｑｕａｌｉｆｉｅｄ　ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ　ｏｆｒ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｐｒｏｊｅｃｔ．ｔｈｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｄｅｓｉｇｎ　ｗｉｔｈ　ｌｏｗ　ｃａｒｂｏｎ　ｇｅｔ　ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ａｎｄ　ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ　ｂｅｃａｕｓｅ　ｉｔ　ｃａｎ　ｏｂｔａｉｎ　ａｃｉｃｕｌａｒ　ｆｅｒｒｉｔｅ　ａｎｄ　ａ　ｌｉｔｔｌｅ　Ｂａｉｎｉｔｅ　ｗｉｔｈ　Ｍ—Ａ　ｉｓｌａｎｄｓ　ｂｅｉｎｇ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｗｉｔｈ　ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ．ａｎｄ　ｓｌｉｇｈｔ　ｓｅｇｒｅｇａｔｉｏｎ　ｂｅｃａｕｓｅ　ｏｆ　ｌｏｗ　ｃａｒｂｏｎ　ｃｏｎｔｅｎｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐｉｐｅｌｉｎｅ　ｓｔｅｅｌ；ｄｅｓｉｇｎ；ｓｔｒｅｎｇｔｈ；ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ；ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　１　前言　同类产品水平，满足管线工程用户的使用要求，同时　随着石油天然气工业的迅猛发展和钢铁冶金技　经过管线钢的研制使产线设计能力得到了测试和优　术的进步，２１世纪管线钢的开发呈现出蓬勃发展的　化，关键技术得以逐步突破，为更高钢级的管线开发　态势。管线用钢是钢铁企业水平的一个标志性产品，　奠定基础，２００９年底管线钢开发团队项目经过半年　是纯净钢冶炼技术、多种合金复合强化和控轧控冷　的努力成功开发Ｘ７０钢级管线，文章主要介绍八钢　技术的结合的产物。八钢公司自２００８年开始进行ｘ　开发高强度高韧性Ｘ７０管线钢热轧卷板的研制和　系列管线的开发、试制生产、工程应用和产品工艺优　应用情况。　化，已逐渐形成Ｘ４２一Ｘ６５系列管线钢产品，积累了　２　Ｘ７０管线钢热轧卷板的研制与生产　１Ｏ万余吨的管线钢生产经验，其实物质量达到国内　２．１　Ｘ７０管线钢热轧卷板的技术条件　联系人：陈勇，男，４０岁，本科，轧钢高级工程师，乌鲁木齐（８３００２２）宝钢集团八钢公司制造管理部　Ｅ－ｍａｉｈ　ｃｈｅｎｙｏｎｇ＠ｂｙｇｔ．ｔｏｍ．ｃｎ　２０１０年第３期　新疆钢铁　总１１５期　试制过程中遵循先易后难的原则，结合　１７５０ｍｍ轧机的设备能力，规格上经过了１　１．９ｍｍ厚　西气东输二线管道工程用Ｘ７０热轧板卷技术　条件要求：具有良好的强韧性搭配、良好的焊接性能　及较高的低温韧止裂性能。针对该要求，结合八钢　１７５０ｍｍ生产线工装特点，八钢Ｘ７０以低碳高锰、超　度试制成熟后逐步拓展到１５．９ｍｍ，试制初期以《西　气东输二线管道工程用Ｘ７０热轧板卷技术条件》　Ｑ／ｓＹ　ＧＪＸ　０１２８—２００７要求为合格与否的衡量标　杆，其技术条件成分指标见表１，强韧性指标见　表２。　低磷硫含量为基础思想，并以三种不同的微合金化　配比方案进行比对论证（见表３），采用一种以　期获得较理想组织形态和性能的控轧控冷轧制　工艺。　２。２　Ｘ７０管线钢的试制过程　表１　熔炼成分要求　（Ｉ）ｔ，％　加热温度，℃　精轧入口温度，℃　终轧温度，℃　１ｌ６０～１２４０　９５０～１０００　８２０￣８６０　冷却模式　常规前冷　卷取温度，℃　中间坯，ｍｍ　试验规格，ｈｉｍ　５２０４５６０　９５０　１５．９　２．２．１工艺路线　轧控冷工艺将直接决定着Ｘ７０的组织形态和力学　生产工艺路线为：铁水脱硫处理一１２０ｔ转炉一　ＬＦ—ＲＨ炉精炼一板坯连铸一板坯清理一加热一　性能，获得良好的强韧性搭配最有效的方法就是细　化晶粒，晶粒的细化可以明显带来晶界强化效果，对　１７５０ｍｍ轧制一层流冷却一收集。　２．２．２　冶炼连铸工艺特点　采用铁水预处理，转炉冶炼，挡渣出钢，炉外精　强度尤其对韧性可显著提高。　加热温度对Ｎｂ合金在奥氏体中的固溶量有很　大的影响，在Ｎｂ合金能够完全固溶的范围内尽量　采用低温加热，通过钢坯低温加热，既保证了第二相　粒子的充分溶解，又避免了原始奥氏体晶粒异常长　大，从而改善低温韧性。　炼，喂Ｓｉ２Ｃａ丝进行夹杂物变性处理，连铸时中间罐　采用浸入式水口，全程氩气保护浇注，严格控制钢水　过热度，连铸二冷制度等先进的工艺措施，提高钢质　纯净度，严格控制钢水化学成分波动和连铸坯质量。　在合适的低温变形量条件下，轧制温度过高有　２．２．３控轧控冷工艺特点及参数　高等级管线钢通常采用控制轧制与控制冷却技　术来细化晶粒，既提高钢材强度又提高钢材韧性。控　２　可能使第二阶段的轧制发生奥氏体部分再结晶，使　得钢板的最终组织粗大不均匀，降低第二阶段轧制　温度有利于细化相变组织，同时增加第二阶段变形　２０１０年第３期　新疆钢铁　总１１５期　量，使奥氏体晶粒充分扁平化并最终获得细小的铁　力机上作力学性能，同时加工金相样在ＯＬＹＭＰＵＳ　素体晶粒。　ＰＭＧ３光学显微镜上作组织检测，制取１０ｍｍ×　轧后快速进入水冷区，通过控制冷却强度来得　１０ｍｍ×５５　ｍｍ的标准冲击试样，夏比冲击采用Ｖ型　到所需要的组织形态。较高的冷速和较低的卷取温　缺口，在５００Ｊ新三思ＺＢＣ一５００型数显半自动冲击　度可抑制条状珠光体的形成，得到细小的均匀的组　试验机上进行冲击试验，为模拟测试材料的抗撕裂　织形态。根据控轧控冷工艺要点，对三套成分方案制　能力（ＤＷＴＦ），在４００００Ｊ新三思ＺＣＪ２４０４型号落锤　定统一的控轧参数设计如表４所示。　试验机，采用单面压制缺口试样，试样尺寸（ｍｍ）　２。３　试验检测与分析讨论　３００　Ｘ　７５×Ｈ，压制Ｖ型缺口，缺口深度５ｍｍ。试验　２＿３．１性能指标　数据见表５（延伸率标距为短比例，试样宽度　在各炉距尾部６ｍ处取样，取样方向均为与轧　３８ｍｍ），Ａ、Ｂ方案一２Ｏ℃ＤＷｒＩＴｒ的断口宏观形貌照　制成４５。方向，在６００ｋＮ英斯特朗５５８９型液压拉　片见图１。　表５控轧控冷参数设计　图１　Ａ方案和Ｂ方案的ＤＷＴＴ断口形貌　２３．２　金相分析与讨论　对三种方案夏比冲击试验进行从０℃—一５０℃　热轧状态下光学显微镜观察的显微组织如图　的系列冲击和０℃—一３０ｏＣ的系列ＤＷＴＴ，根据试验　２，方案Ａ组织为铁素体＋少量珠光体＋少量贝氏　值（如３图）显示：方案Ｂ和Ｃ明显优越于方案　体，组织不均匀，有粗大的板条贝氏体生成且带状组　Ａ。　织严重；方案ｃ组织为针状铁素体＋少量铁素体＋　分析认为：方案Ａ中组织中存在多条严重的平　少量贝氏体，组织中出现一些弥散较均匀分布Ｍ—Ａ　行的偏析带和粗大的板条贝氏体是造成该方案韧性　组元，带状组织级别明显降低。　指标不合格的主要原因。　图２三种试验方案的显微组织　３　２０１０年第３期　新疆钢铁　总１１５期　图３三种方案的系列温度下的ＣＶＮ和Ｄ、／＼厂ｒ－ｒ　针状铁素体组织管线钢板卷具有高的强度、高　条件，方案Ｂ和方案Ｃ在ＣＶＮ和ＤＷＴＩ＇两项指标　的冲击韧性、低的韧脆转变温度和高的抗动态撕裂　对比，方案Ｂ的指标更加优越（见图３）说明低碳　能力。１９６５年美国石油协会采用Ｄｗ１Ｔｒ作为管线钢　ｃｒ＋Ｎｉ＋Ｃｕ的成分体系设计对韧性的贡献更加明　的官方测试标准，因ＤＷＴｒ能反映管线钢的真实断　显。　裂情况，且方法简单经济，ＤＷＴＩ＂得到８５％剪切面　积就可有效阻止脆性裂纹的扩展，目前国内“西一　３　批量生产及用户使用效果　线”和“西二线”提出了ＤＷＴＦ较严格的指标　经中石油某制管企业使用规格为１１．９ｍｍ×　（一１５℃，韧性面积均值≥８５％），方案Ｂ和Ｃ的　１５００ｍｍ八钢公司生产的Ｘ７０两千余吨，管厂检测　ＤＷＴＦ和ＣＶＮ结果均能满足其技术条件，Ａ方案较　表面、规格质量良好。制管规格：　８１３×１１．９ｍｍ，钢　Ｂ、Ｃ方案ＤＷＴＩ＂和ＣＶＮ指标的明显差别在于材料　卷取样方向与轧制成４５。角，钢管取样方向为管体　内部组织的差异，得到针状铁素体组织的前提条件　横向，夏比冲击试样为标准试样，钢卷及钢管取样检　是碳必须保证在较低的水平且轧后一定的冷却强　测各项指标见表６，数据显示满足ＡＰＩ　ＳＰＥＣ　５Ｌ的　度，碳和锰较低的设计为控制铸坯带状级别创造了　相关规定制管后的技术要求。　表６　Ｘ７０管线钢制成钢卷及管体取样主要指标的检测结果　４　结论　弥散较均匀分布Ｍ—Ａ组元并控制较低的带状级别　（１通过采用低碳一锰一铌合金系针状铁素体　是获得良好低温韧性的前提，正确的成分设计和轧　钢成分设计，热轧工艺上采用控轧控冷工艺轧制，在　后快冷是得到针状铁素体组织的必要条件。　（３）低碳的Ｎｉ＋Ｃｕ＋Ｃｒ系的成分设计和Ｍｏ＋Ｃｒ成　八钢１７５０ｍｍ热轧机组生产线试轧Ｘ７０钢线钢获　得成功，经制管后各项指标检测合格。　分设计均具有较好的低温韧性，二者相比较前者更　（２）针状铁素体＋少量贝氏体组织中出现一些　具有优势。　４