超细化X70中厚板生产技术研究

#超细化X70中厚板生产技术研究李少坡1姜中行1王文军1白学军2刘海龙2（1.首钢技术研究院；2.秦皇岛首秦金属材料有限公司）摘要本文对厚度17.5毫米高韧性X70中厚板的生产技术进行了研究，包括控制轧制和控制冷却工艺。研究结果表明：通过强化粗轧最后一道次和精轧最后一道次的压下率分别达到20%和10%以上，可以充分细化和均匀化奥氏体晶粒尺寸；通过控制终冷温度和冷却速率等工艺参数，最终得到由均匀的超细化针状铁素体加少量M/A岛第二相组织。超细化的AF型X70钢板通过JCOE制管过程后，屈服强度呈上升趋势，为产品降成本提供了可能，实现了无Mo无Ni的低成本X70中厚板生产。关键词超细化；X70;控轧控冷；低成本引言管线钢是一类特殊的产品，制管过程由于包申格效应和形变强化效应的相互作用，一般力学性能会发生变化。其中X70钢级管线钢在工程中的应用最多，约占管道需求量的65%左右⑴，各家钢厂均在不断优化合金设计和生产技术，以寻求经济化生产。因此，了解钢板和钢管间的性能变化趋势是十分重要的，其目的是保证最终钢管的力学性能应满足用户的要求。目前管线钢按其组织状态划分，主要可分为铁素体 +珠光体型和针状铁素体型两大类。针状铁素体钢与铁素体+珠光体钢相比，具有明显不同的应力-应变特征。材料的应力-应变曲线是否存在屈服平台和屈服伸长的程度对材料的形变强化能力有重要影响。由于针状铁素体中存在高密度的可移动位错而易于实现多滑移，因而针状铁素体具有连续的屈服行为和较高的形变强化能力，从而可补偿和抵消包申格效应所引起的强度损失。材料的组织形态，需要通过多种有效的手段来实现，比如通过轧制压下量的控制、加速冷却终点的精确控制、加速冷却路径的控制等等，有了这一系列技术，即可实现奥氏体硬化状态的控制和硬化状态下奥氏体相变过程的控制，完全可以达到TMCP控制组织形态的目标。本文针对X70管线钢，介绍了首秦公司17.5毫米超细化X70中厚板的生产技术，为管线钢制造企业降成本提供参考工装设备条件首秦17.5mmX70中厚板的生产工序包括：铁水脱硫预处理、转炉冶炼、炉外精炼（LF和RH）、板坯连铸、双机架4300mm中厚板轧机和UFC加速冷却系统。（1） 双机架4300mm轧机首秦公司双机架4300mm中厚板轧线由德国西马克和西门子联合技术总承包，采用全流程自动轧钢等核心技术。设计生产能力： 180万吨/年（双机架）。其中，四辊可逆轧机额定轧制力最高92000kN，轧机刚度8500KN/mm；液压AGC板形控制技术，液压弯辊，弯辊力每侧400t。（2） 加速冷却系统首秦公司UFC超快速冷却装置，布置在精轧机后与层流冷却设备之间， 由9组狭缝式喷嘴、高密双联喷嘴组成。该设备可满足控制冷却钢板的厚度为 15〜40mm之间，冷却速度达到20~50C/s,钢板纵向全长90%以上的温度控制精度达到土25C，冷却后钢板同板温度差控制在50E之内。X70中厚板生产技术2.1化学成分面临严峻的钢铁形势，同时又要满足大口径、高压输送管线钢的安全性，高性能管线钢应以超细化针状铁素体组织为特征，使之在具有高强度、高韧性和良好焊接性能的同时具有较高的抗动态撕裂性能。首秦17.5mmX70中厚板采用了经济型的成分设计，并根据工装设备情况进行了生产工艺优化，包括控轧制度和控冷制度。17.5mmX70中厚板的具体成分见下表1。表117.5mmX70中厚板化学成分（质量分数）X70CSiMnPSAltNb、Ti、Cretc17.5mm<0.09<0.35<1.750.0100.0020.035添加由表1可以看出，17.5mmX70中厚板采取了比较经济的成分设计，经过优化的控轧和控冷工艺后，得到满足工程应用要求的产品，其对应的力学性能见下表 2表217.5mmX70管线钢力学性能X70屈服强度抗拉强度屈强比-20C夏比冲击功-15C落锤性能17.5mm>485MPa>570Mpa<0.90>180J>85%2.2控轧制度通过形变控制使钢的晶粒尺寸得到显著细化、组织结构得到控制，从而使钢材具有优良的综合性能⑵。首秦17.5mmX70中厚板的控轧工艺，重点围绕粗轧最后一道次和精轧最后一道次的压下率进行优化， 充分细化和均匀化原始奥氏体晶粒尺寸，有效提高钢板低温韧性［3-4］。本文对比了两种不同的控轧制度对17.5mmX70中厚板力学性能和低温韧性的影响，并观察了其心部奥氏体晶粒细化程度。两种不同的控轧制度，主要体现在粗轧最后一道次和精轧最后一道次的压下率，见下图 1。图1两种控轧制度的不同道次变形工艺由图1可见，两种不同控轧制度的道次变形工艺存在很大差别， 第1#工艺道次变形率主要强调粗轧最后1个道次和精轧最后1个道次，粗轧道次变形率越来越大，呈上升趋势，最后1道次达到20%以上。精轧最后1道次变形率控制在10%以上；而第2#工艺道次变形率主要体现在粗轧阶段的前几个道次，粗轧最后2个道次和精轧最后2个道次变形率均较小。观察两种不同控轧制度道次变形率条件下钢板心部的奥氏体组织， 下图2显示了两种变形工艺条件下17.5mmX70中厚板厚度中心的奥氏体晶粒细化情况图2不同变形条件下X70中厚板心部奥氏体晶粒由图2可见，第1#变形工艺条件下钢板心部的奥氏体晶粒明显比第2#变形条件下钢板更扁更均匀，第2#变形工艺的钢板中粗大不均的奥氏体晶粒对X70中厚板的低温韧性有较大的负面影响。两种工艺对应的机械性能见下表3。表3不同变形工艺条件对应的机械性能变形工艺屈服强度/MPa抗拉强度/MPa-15C落锤DWTT-40°C落锤DWTT1#54062098%90%2#52061590%75%从表3可见，第1#变形工艺条件下钢板的机械性能明显比第 2#变形条件下更优异，尤其是低温落锤性能。2.3控冷工艺钢材经过控轧后快速进入水冷区域，通过强化水冷工艺，控制组织类型及 M/A组元，提高钢板落锤性能［5］。其中终冷温度和冷却速率是控制冷却工艺的极重要的工艺参数，分别以不同的冷却速率冷却到不同的终冷温度，观察不同控冷条件下的显微组织，如图3所示，分析不同控冷工艺对力学性能的影响。

(A)-亠 TTJl，DXTfSAfcW母.z(B)1Xl溯辻£i-'mFL4itC-r(A)-亠 TTJl，DXTfSAfcW母.z(B)1Xl溯辻£i-'mFL4itC-rmJAGF吃店□迂T?”」.<fKAF+QFQF+gb境tHA<5i*jL~1PF+p|Wr"(D)AF+M/A(A)15°CIs,600°C(B)20C/s,570°C(C)25C/s,540°C(D)30°C/s,500°C图3-不同控冷工艺下X70钢板的显微组织由上图3可以看出，对于17.5mmX70钢板来说，分别以不同的冷却速率冷却到不同的终冷温度，其显微组织各不相同。当以15C/s冷却速率冷却到600C时,由于冷却速率小、终冷温度高，组织形态为多边形铁素体+珠光体组织，珠光体块大且呈带状分布。当以20C/s冷却速率冷却到570C时，刚好处于奥氏体向中温相变组织转变的温度区域，组织中出现较高含量的准多边形铁素体组织，而且个别晶粒粗大。当以25C/s冷却速率冷却到540C时，组织形态得到细化，且以针状铁素体+准多边形铁素体组织为主。当继续增大冷速和降低终冷温度，以 30C/s冷却速率冷却到500C时，组织形态更加细化，得到以均匀的超细化针状铁素体+少量M/A岛为主，晶粒度评级达到13.5级，平均晶粒尺寸3卩m。对比不同控冷工艺下17.5mmX70钢板的力学性能，分别如下表4所示。表4-不同控冷工艺下X70钢板的力学性能对比控冷工艺屈服强度/MPa抗拉强度/MPa-20C夏比冲击功/J-15C落锤性能/%A50057039085/85B50559540088/90C51561042593/90D52062545092/96由上表4可以看出，当冷却速率较低、终冷温度较高时，强度性能偏低，尤其是抗拉强度，接近X70的技术规范要求下限，而且落锤性能较差。当逐渐强化冷却速率工艺时，采用大冷速、低终冷工艺，组织形态转变为以超细化针状铁素体为主，钢板强度和韧性逐渐提升，综合性能呈上升趋势。3.X70中厚板制管性能及降成本首秦公司生产的超细化X70中厚板，经JCOE工艺进行制管，制管前在钢板宽度1/2处取全尺寸横向板状拉伸试样，制管后在距焊缝180。位置处取全尺寸横向板状拉伸试样，制管前后拉伸性能结果如下表5所示。表5超细化X70中厚板制管前后性能结果Table5Thetensiletestresultsofplateandpipe组织形态试样屈服强度/MPa抗拉强度/MPa屈强比钢板5206250.832超细化AF钢管5456300.865从表5制管前后力学性能对比结果来看，首秦公司生产的超细化针状铁素体型X70管线钢，经过JCOE工艺制成钢管后，其屈服强度呈上升趋势，上升幅度为25MPa,抗拉强度基本变化不大。因此，超细化的AF型X70中厚板经过制管后屈服强度上升的规律，为产品的降成本提供了可能。在后续大批量生产的成分设计中采用了经济型的 C-Mn-Nb-Cr成分体系，实现了无Mo无Ni化低成本稳定生产。钢板经过用户制管以后，钢管性能良好，统计10万吨17.5mmX70钢管的力学性能如下图4所示：

SOO-150-£050-500 525 550 575 €00 625RtiD-5/RrPaMehp=557-JStd.Dev.=27.096N=Sr772KI23Q0-250-MtauSOO-150-£050-500 525 550 575 €00 625RtiD-5/RrPaMehp=557-JStd.Dev.=27.096N=Sr772KI23Q0-250-Mtau=641.51一-ooQ_s-21ru聖&WHP427.68SRiniMPn575图4-超细化17.5mmX70钢管力学性能4.结论本文通过首秦17.5mmX70中厚板的生产实践，介绍了超细化X70中厚板的生产技术特点，得出以下结论：（1） 控轧阶段不同的道次变形工艺，对钢板心部的奥氏体晶粒尺寸有很大影响，尤其是粗轧阶段最后1个道次和精轧阶段最后1个道次的变形率。通过强化粗轧最后一道次和精轧最后一道次的压下率分别达到20%和10%以上，可以充分细化和均匀化奥氏体晶粒尺寸，有效细化钢板心部奥氏体晶粒尺寸和避免不均匀， 这是保证X70中厚板优异低温韧性的关键。（2） 控冷阶段不同的冷却工艺，对钢板的组织形态和晶粒尺寸有很大影响，当冷却速率较低、终冷温度较高时，组织形态以多边形铁素体+珠光体为主，强度性能偏低，尤其是抗拉强度，而且落锤性能较差。当采用大冷速、低温终冷工艺时，组织形态转变为以超细化针状铁素体+M/A为主，平均晶粒尺寸达到3卩m，钢板强度和韧性逐渐提升，综合性能实现良好匹配。（3） 超细化的AF型X70管线钢在JCOE制管生产中，其屈服强度呈上升趋势，抗拉强度变化不大，为产品的降成本提供了可能。首秦公司在大批量生产的成分设计中采用了经济型的C-Mn-Nb-Cr成分体系，实现了无Mo无Ni化低成本稳定生产，钢板和钢管力学性能良好。参考文献李鹤林.天然气输送钢管研究与应用中的几个热点问题[J].焊管,2002,23(3):50.KojimaA,WatanabeY,TeradaY.Ferritegrainrefinementbylargereductionperpassinnon-recrystallizationtemperatureregionofaustenite[J].ISIJInternational,1996,36(5),603-610.Y.M.Kim，S.K.Kim,Y.J.LimandN.J.Kim,Effectofmicrostructureontheyieldratioandlowtemperaturetoughnessoflinepipesteels[J].ISIJinternational,oVl.42(2002