天鐵X70管線鋼的研制開發

羅繼鋒

（天津天鐵冶金集團熱軋板有限公司，河北涉縣 056404）

天鐵X70管線鋼的研制開發

羅繼鋒

（天津天鐵冶金集團熱軋板有限公司，河北涉縣 056404）

介紹了天鐵熱軋板公司X70管線鋼的研制開發過程，闡述了微合金化的成分設計、控軋控冷工藝對鋼的微觀組織及力學性能的影響。實驗表明天鐵熱軋生產的X70管線鋼具有優良的微觀組織、穩定的力學性能，良好的低溫沖擊韌性及優異的焊接性能，滿足了西氣東輸二線輸氣管道工程用X70熱軋板卷技術要求。

管線鋼；微合金化；針狀鐵素體；控軋控冷

1 引言

天鐵熱軋板公司為了適應市場發展，利用1 750mm熱軋機組成功研制開發了X70級管線用鋼。該產品采用低C-Mn-Mo-Nb系的成分設計，通過控軋控冷的工藝手段，得到針狀鐵素體組織。經檢驗，天鐵熱軋生產的X70管線鋼具備高的強度和較低的屈強比，高的韌性，低的脆性轉變溫度，高的動態撕裂剪切面積，高的抗H2S腐蝕性能，低的“分離”斷口傾向，具有良好的焊接性能。

2 工藝流程及成分設計

2.1 工藝流程

鐵水預處理→180t頂底復吹轉爐冶煉→LF精煉→連鑄→板坯加熱→粗軋→精軋→層流冷卻→卷取→板卷檢驗→打包出廠。

2.2 成分設計

天鐵X70管線鋼以西氣東輸二線輸氣管道工程用X70熱軋板卷技術條件要求為依據，鋼種選用針狀鐵素體組織型管線鋼，化學成分以低碳、低硫磷和Nb、V、Ti、Mo等微合金化的成分設計。為了得到針狀鐵素體型組織，根據設備能力，應保證Mn、Mo等合金元素的最小添加量。其關鍵成分控制如下：

2.2.1 碳

研究表明，當w（C）≥0.06%時，鋼板在軋后冷卻過程中直接由γ轉變為各種形態的F，而不發生γ向F+Fe3C的兩相轉變。當w（C）≤0.06%時，更易得到AF，而AF具有極佳的韌性和極佳的可焊性[1]。因此，將天鐵X70碳含量設計為w（C）≤0.06%。

2.2.2 錳

錳是低合金高強度鋼的基礎元素，可起到固溶強化的作用。高Mn促進針狀鐵素體形核，高Mn/C比可提高屈服強度和沖擊韌性，因此降低析出碳化物尺寸，促進沉淀強化效應。

2.2.3 鉬

鉬使鐵素體和珠光體區域右移，降低奧氏體向鐵素體轉變溫度，抑制多邊形鐵素體和珠光體形核，促進高密度位借亞結構的針狀鐵素體的形成；在軋后冷卻過程中可避免形成馬氏體，而形成微細結構的貝氏體和針狀鐵素體，從而導致良好的延性；抵消包辛格效應，提高管材屈服強度。

2.2.4 鈮

起到晶粒細化和沉淀強化作用，從而獲得高強度與高韌性的力學性能合理匹配，提高再結晶溫度，實現高溫軋制。

2.2.5 銅和鎳

在合金元素中，唯有Cu對氫致裂紋的作用最明顯。將w（Cu）≤0.40%加入管線鋼中，能明顯提高鋼的抗HIC（氫致裂紋）能力[2]。Ni可顯著提高管線鋼的低溫韌性，同時與Cu配合使用，當Cu/Ni≤1時，可防止Cu脆的發生。

根據上述元素的作用并結合X70管線鋼的性能組織要求，設計了X70管線鋼的化學成分，見表1。

表1 天鐵X70管線鋼化學成分 /%

3 生產工藝及控制

3.1 冶煉與連鑄工藝

鐵水脫硫預處理環節使 [S]≤0.005%～0.010%，扒凈脫硫渣。鐵水帶渣＜0.5%，要求廢鋼為優質廢鋼，[S]≤0.050%；轉爐冶煉過程采用單渣操作，要求早化渣，化好渣，避免中后期返干嚴重。初期造渣劑加入量為總渣量1/2，初期渣R=1.6～1.8，禁止前期“冷行”操作，二批料少量多批加入。保證前期早化渣，中期渣不返干，末期（底吹）強攪拌，造好高堿度、高FeO爐渣充分去P；保證下限溫度出鋼，出鋼時做好擋渣出鋼，防止下渣回P。轉爐要求一次倒爐，避免補吹和過氧化。控制出鋼時間不大于5 min。LF爐造好高堿度還原性白渣，并保持足夠時間。精煉結束后，必須保證Als≥0.03%；LF結束喂入Si-Ca線2.5～3 m/t鋼，喂線結束后“軟吹”時間≥15 min。

連鑄澆鋼過程中,穩定拉速是關鍵。為了避免結晶器液面波動過大導致的卷渣，采用結晶器液面自動控制技術，使液面波動在±5 mm范圍內；同時，為了控制鋼液中的氣體含量，澆鑄全程采用保護澆鑄技術，并利用動態輕壓下技術，改善板坯中心偏析。此外，還采用中間包冶金措施，深熔池、雙擋墻加湍流控制器，并加堿性中間包覆蓋劑。嚴格禁止中間包低溶劑液面操作。結晶器采用弱冷卻：結晶器進水溫度≥25℃；進出水溫差為8～10℃；結晶器采用包晶鋼或低碳鋼專用保護渣；優化結晶器流場，結晶器液面采用自動控制，防止結晶器卷渣；結晶器振動頻率采用高頻小振幅；采用低過熱度澆注，其過熱度值為15～25℃。

對管線鋼中有害夾雜物的控制，主要是通過控制鋼中硫及全氧含量來實現的，并通過喂鈣線進行夾雜物改質。同時對爐襯、鋼包、中間包等耐材進行監控，避免外來的大塊夾雜物進入鋼水。還要注意控制鋼液中的氣體含量，避免鋼水二次氧化。總之，在板坯生產過程中重點控制有害的非金屬元素及氣體元素，保證鋼液潔凈。

3.2 控制軋制與控制冷卻工藝

3.2.1 加熱工藝

X70管線鋼的加熱過程是鋼坯奧氏體化的過程，也是合金元素固溶的過程。加熱時不但要保證合金元素的充分固溶，同時要控制鋼坯中奧氏體晶粒的大小。按固溶度積式：

當 Nb%=0.049，C%=0.04，N%=0.006 2，計算Nb全溶解所需的加熱溫度為1 150℃以上。有關資料表明[3]，在此成分區間，當加熱溫度在1 100℃以下時，鋼坯中奧氏體晶粒細小，奧氏體晶粒尺寸隨加熱溫度升高而增長較慢。當加熱溫度繼續升高時，鋼坯中奧氏體晶粒尺寸逐漸長大，鋼坯溫度在1 200℃以下時，晶粒尺寸相對均勻，而鋼坯溫度超過1 200℃后，奧氏體晶粒中出現較為粗大的晶粒。因此，天鐵X70管線鋼的出爐溫度定為1 160～1 200℃。同時要求一定的均熱時間，使得合金元素充分固溶。

3.2.2 控軋控冷工藝

天鐵X70管線鋼軋制試驗時，采用五道次粗軋，七道次精軋連軋工藝。為了有效控制X70管線鋼的組織性能，粗軋開軋溫度為1 150℃，此時鋼坯處于奧氏體再結晶區。經過五道次粗軋以后，板坯由230mm軋制成49 mm的中間坯。粗軋過程中通過對粗化的高溫奧氏體進行連續形變，利用奧氏體再結晶區形變對細化晶粒的作用，使粗軋后的高溫奧氏體晶粒更加均勻細小，為奧氏體向鐵素體轉變時得到細小均勻的鐵素體創造條件。

當中間坯進入精軋區域時，控制其開軋溫度在980℃以下，并通過負荷分配調整，有意識地加大后五架軋機的負荷，確保精軋總壓下率的70%在后五架軋機上完成。這樣精軋階段的大部分形變就處于奧氏體未再結晶區。從而保證精軋階段奧氏體變形過程中不發生動態再結晶，得到扁平狀且有高位錯密度的變形奧氏體。這種高位錯密度的變形奧氏體使相變后的鐵素體晶粒更加細小。

為了進一步提高X70管線鋼的強度和韌性，通過降低終軋溫度，可以使得奧氏體在形變過程中產生的大量位錯得以保留，進而提高最終轉化產物的位錯密度。但終軋溫度要高于Ar3,避免兩相區軋制產生的混晶現象。

為了獲得針狀鐵素體的最終組織，對X70管線鋼的卷取溫度和冷卻速度及冷卻模式進行嚴格控制。根據相關文獻[4]，低碳微合金管線鋼以獲得針狀鐵素體組織為主，卷取溫度應控制在400～550℃，冷卻速度應該控制在15～30℃/s，并采用前冷急冷的冷卻模式。天鐵X70管線鋼溫度制度見表2。

表2 天鐵X70管線鋼溫度制度

4 金相組織與性能

4.1 金相組織

金相檢驗表明，天鐵X70管線鋼組織結構為均勻細小的針狀鐵素體組織。其晶粒度為12.0級，夾雜物控制水平較高，ABCD類夾雜物均小于1.0級，帶狀0.5級。X70金相組織見圖1、圖2。

圖1 X70橫向金相組織

圖2 X70縱向金相組織

4.2 性能檢驗

經檢驗，天鐵X70管線鋼屈服強度、抗拉強度、延伸率、屈強比、沖擊韌性、DWTT等各項指標均滿足西氣東輸二線輸氣管道工程用X70熱軋板卷技術要求。

天鐵X70各項性能指標見表3。

表3 天鐵X70管線鋼各項性能

5 結束語

天鐵熱軋X70管線鋼采用低C-Mn-Mo-Nb系的成分設計，通過控軋控冷的工藝手段，得到針狀鐵素體組織。經檢驗，各項理化指標滿足西氣東輸二線輸氣管道工程用X70熱軋板卷技術要求。

Research and Development of Tiantie X70Pipeline Steel

LUO Ji-feng

(Hot Rolling Plate Company,Tianjin Tiantie Metallurgical Group,She County,Hebei Province056404,China)

The paper introduces the developing process of X70pipeline steel at Tiantie Hot Rolling Plate Company and expounds the influence of micro alloying composition design and controlled rolling and controlled cooling process on steel microstructure and mechanical properties.Experiment showed that X70pipeline steel produced by Tiantie Hot Rolling presented satisfying microstructure and stable mechanical properties,good low temperature impact toughness and excellent welding performance,meeting the technical requirement of the second line of west-east natural gas transmission project on X70hot rolling coil.

pipeline steel;micro alloying;acicular ferrite;controlled rolling and controlled cooling

10.3969/j.issn.1006-110X.2014.03.004

2014-01-10

2014-02-05

羅繼峰（1980—），男，工程師，主要從事品種鋼研發及軋鋼工藝研究工作。