X80M管線鋼熱軋板卷取溫度的優化

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(1.首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司，唐山 063200；2.首鋼技術研究院，北京 100043)

0 引 言

近年來，隨著我國對石油天然氣需求的日益增長，我國長輸管道工程建設獲得了很大的發展[1]。目前，X80管線鋼已批量應用于西三線、中緬線、中貴線、陜京四線等天然氣管道項目中[2]，還將批量應用于即將開工建設的中俄東線管道工程中。

隨著國內鋼鐵生產線裝備水平的提高，多家鋼廠已可批量生產X80管線鋼。目前，常采用低C-Mn-Mo-Cr-Nb-Ti成分體系，結合微合金化技術和控軋控冷工藝并應用合理的加熱制度、粗/精軋溫度和壓下制度、軋后冷卻制度，最終得到具有理想組織和良好強韌性匹配的X80管線鋼，其中卷取溫度的設定是得到理想組織的關鍵技術。對此，研究人員已經開展了卷取溫度對X80管線鋼組織和性能影響的相關研究[3-4]。目前,工業生產普遍采用低溫卷取工藝(≤350 ℃)，但由于材料對流換熱系數的急劇增大[5]，經常會出現以下問題：通卷“過山車”式溫度波動；實際溫度控制過低，有時低于200 ℃，加大了卷取生產難度，甚至造成堆鋼風險。因此，卷取溫度控制精度和卷取生產穩定性一直是鋼廠需重點解決的問題。

為了提高卷取溫度控制精度進而提高現場生產穩定性，作者結合X80M管線鋼(控軋控冷X80管線鋼)的實際生產工藝，研究了不同卷取溫度下溫度控制的穩定性以及卷取溫度對該鋼顯微組織和力學性能的影響，并對卷取溫度進行了優化，為生產工藝的制定提供參考。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗材料為首鋼京唐2250熱軋線生產的X80M管線鋼板，該鋼采用低碳成分設計，同時添加了鈮、釩、鈦等微合金化元素以及能促進針狀鐵素體形成和貝氏體轉變的鉬和鉻元素，其化學成分如表1所示。

表1 X80M管線鋼的化學成分(質量分數)Tab.1 Chemical composition of X80M pipelinesteel (mass) %

采用鋼包精煉爐和真空循環脫氣精煉爐(LF+RH)雙精煉工藝冶煉X80M管線鋼，板坯連鑄過程采用動態輕壓下技術，連鑄坯厚237 mm，采用2 250 mm熱連軋機組進行軋制，成品規格為18.4 mm×1 550 mm。熱軋溫度為1 190 ℃，以保證溶質元素得到充分溶解；粗軋R1軋機采用3道次軋制模式，R2軋機采用5道次軋制模式，以保證鋼坯在道次間實現完全靜態再結晶，兩軋機最后兩道次的壓下率均在20%以上；精軋時中間坯厚度為58 mm，入口溫度不大于960 ℃，采用6道次軋制，最后兩道次壓下率均不小于11%，出口溫度控制在810～830 ℃，以使鋼坯在未再結晶區大壓下率下得到扁平化的奧氏體和合適的應變積累[6]。通過以上軋制工藝對鋼板性能的貢獻，為鋼板在層流冷卻階段創建較寬的工藝窗口。通常當X80管線鋼在水冷區的冷卻速率為5～50 ℃·s-1時，其冷卻后組織形態為針狀鐵素體;針狀鐵素體組織是一種混合組織形態，因冷卻速率的不同，各種組織所占的比例有所不同[7]。如圖1所示：鋼板由精軋軋機進入擁有22組集管的層流冷卻系統，然后到達卷取機進行卷取。溫度控制模型通過調整層流冷卻集管的開啟組數來控制實測卷取溫度達到設定值：集管開啟，澆水降溫；集管關閉，停止澆水。鋼板經過層流冷卻集管到達卷取溫度測溫點的過程是一個先快速降溫后返溫的過程。同時，在冷卻過程中，溫度控制模型會根據測溫儀實測的卷取溫度與卷取溫度設定值的差值不斷調整開啟的集管組數。但是在層流冷卻過程中鋼板表面溫度與對流換熱系數存在一定關系，若水冷結束時鋼板的表面溫度低于300 ℃(對應卷取溫度約為350 ℃)，則對流換熱系數將急劇增大[5]，此時集管組數的少量開啟和閉合都將引起較大的控制偏差，導致溫度控制精度變差。為了研究不同卷取溫度下的溫度控制穩定性及其對鋼板組織和性能的影響，作者設定了4個卷取溫度(300，350，400，450 ℃)，在相同工藝參數下將X80管線鋼板卷取成鋼卷，實際卷取溫度由測溫儀在線測得。

圖1 某熱連軋鋼廠層流冷卻系統示意Fig.1 Schematic of laminar flow cooling system of a hot continuous rolling mill

1.2 試驗方法

將X80M管線鋼卷放置24 h。根據實測卷取溫度的變化曲線，確定鋼卷在卷取過程中的實測卷取溫度最接近卷取溫度的位置，在該位置截取橫向金相試樣，經砂紙打磨和機械拋光后，用4%(體積分數)硝酸酒精溶液腐蝕，在EVO MA15型掃描電鏡(SEM)下觀察其表面、1/4厚度處和心部的顯微組織。

按照ASTM A370進行拉伸性能和沖擊性能測試，按照SY/T 6476進行落錘撕裂試驗(DWTT)。拉伸試樣尺寸為φ12.7 mm×125 mm，標距為50 mm，試驗設備為Zwick Z100HT型電子萬能材料試驗機，加載速率為75 N·min-1；沖擊試樣尺寸為10 mm×55 mm×55 mm，開V型缺口，試驗設備為Zwick PSW750TZE型金屬擺錘沖擊試驗機，試驗溫度為-20 ℃；DWTT試樣尺寸為305 mm×75 mm×18.4 mm，試驗設備為ZCJ-40000型落錘試驗機，試驗溫度為-15 ℃。

2 試驗結果與討論

2.1 卷取溫度控制穩定性

由圖2可見：在卷取溫度為300 ℃和350 ℃下，實測卷取溫度的穩定性較差；隨著卷取溫度的升高，實測卷取溫度的穩定性逐漸增大，尤其是當卷取溫度升至400 ℃后，實測卷取溫度沒有出現較明顯的波動。這主要是因為當卷取溫度接近400 ℃時，對應鋼板在層流冷卻階段實際澆水區出口的溫度必然大于300 ℃，恰好避開了對流換熱系數急劇增大的溫度區間。溫度控制精度過低會導致卷取生產風險，從溫度控制準確性和卷取生產穩定性的角度考慮，應盡量使鋼板在實際澆水區出口的溫度大于使對流換熱系數驟增的拐點溫度300 ℃，即對應卷取溫度應大于350 ℃。

圖2 在不同卷取溫度下卷取時鋼板實測卷曲溫度隨其長度的變化曲線Fig.2 Measured coiling temperature vs length curves of steel plate at different coiling temperatures

圖3 不同溫度卷取后試驗鋼不同位置處的顯微組織Fig.3 Microstructures at different positions of tested steel after coiling at different temperatures:(a, d) surface; (b, e) 1/4 thickness and (c, f) core

2.2 顯微組織

由圖3可知：在300，450 ℃下卷取后，試驗鋼的顯微組織均為細小的針狀鐵素體，其表面組織較1/4厚度處的及心部的更細小，表面顯微組織的尺寸在2～5 μm，1/4厚度處的和心部的在3～6 μm;在450 ℃下卷取后，試驗鋼的顯微組織以典型針狀鐵素體為主，這是因為添加的鎳、鉻、鈮元素促進了針狀鐵素體的形成，同時較低精軋軋制溫度下的相變儲能較高，導致相變結束溫度較高；對比兩種卷取溫度下的組織形態可見，在450 ℃下卷取后試驗鋼的表面組織更加均勻，而在300 ℃下卷取后的因冷卻速率較快，其表面組織具有更明顯的中溫轉變組織的低溫特征，部分區域呈現板條特征。

2.3 力學性能

表2中Rt0.5為屈服強度、Rm為抗拉強度、A50為標距50 mm時的斷后伸長率、AKV為沖擊吸收功、SA為纖維斷面率；CVN為夏比V型缺口試樣沖擊試驗。由表2可以看出，4種卷取溫度下試驗鋼的力學性能均滿足技術要求，且強度、低溫韌性均有較理想的富余量?？梢?，在合理的成分設計以及加熱、粗軋、精軋等工藝條件下，卷取溫度在300～450 ℃下均可得到強韌性匹配良好的管線鋼卷。

表2 不同溫度卷取后試驗鋼的力學性能及技術要求Tab.2 Mechanical properties of tested steels after coiling at different temperatures and technical requirements

2.4 卷取溫度的確定

綜上所述：在合理的化學成分、熱軋工藝條件下，當卷取溫度為300～450 ℃時，卷取后試驗鋼的顯微組織和力學性能良好；但為了提高溫度控制穩定性進而提高卷取生產穩定性，卷取溫度應大于350 ℃；考慮到熱軋卷板通卷性能的穩定性，將卷取溫度的上限設為410 ℃，按照±30 ℃的溫度控制波動范圍，卷取溫度設定為380 ℃比較合理。

在卷取溫度為380 ℃下進行小批量生產時，卷取溫度±30 ℃的溫度控制準確率達到90%。由表3可以看出，小批量卷取后，試驗鋼的各項力學性能良好，抗拉強度和屈服強度均有一定富余量，-20 ℃沖擊功測試值均在400 J以上，-15 ℃落錘撕裂纖維斷面率均為100%。此外，對此批次鋼卷制管后的性能也進行了跟蹤研究。該鋼卷采用螺旋埋弧焊接制成鋼管，在進行靜水壓力試驗后，在鋼管上橫向取樣并進行力學性能測試。由圖4可見，制管后因加工硬化效應的影響，屈服強度均值略有上升。

表3 在380 ℃卷取后試驗鋼的力學性能Tab.3 Mechanical properties of tested steel after coiling at 380 ℃

圖4 380 ℃卷取鋼卷及其制管后強度的對比Fig.4 Comparison of mechanical properties between steel coil coiled at 380 ℃ (a-b) and its pipe (c-d): (a, c) yield strength and (b, d) tensile strength

3 結 論

(1) 在卷取溫度為300 ℃和350 ℃下卷取時，實測卷取溫度的穩定性較差，隨著卷取溫度的升高，實測卷取控制的穩定性逐漸增大，當卷取溫度升至400 ℃后，溫度波動很小，實測卷取溫度較穩定；考慮到卷取溫度控制的穩定性和卷取生產的穩定性，應使X80M管線鋼板在層流冷卻階段實際澆水區出口的溫度大于導致對流換熱系數急劇增加的拐點溫度(300 ℃)，即對應的卷取溫度應大于350 ℃。

(2) 在合理的成分設計以及加熱、粗軋、精軋工藝條件下，在不同卷取溫度(300～450 ℃)下卷取后：試驗鋼的顯微組織均以針狀鐵素體為主，當卷取溫度為450 ℃，卷取后試驗鋼表面的組織更加均勻；試驗鋼的力學性能均滿足技術條件的要求，且強度、低溫韌性均有較理想的富余量。

(3) 綜合考慮X80管線鋼的溫度控制穩定性和性能穩定性，優化后的卷取溫度為380 ℃；在該卷取溫度下進行小批量生產，鋼卷的各項力學性能良好，采用螺旋埋弧焊接制成鋼管后，其屈服強度均值略有增大。

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