超快冷工艺生产高纲级管线钢的研究

超快冷工艺生产高纲级管线钢的研究为适应管线工程经济性和安全性的要求，管线钢必须具有优秀的强度、韧性、焊接性、高抗氢致裂纹、抗应力腐蚀和抗CO2腐蚀能力。目前国内外已普遍将高钢级管线钢X80列为石油、天然气输送管线的首选钢级，X100、X120级别管线钢作为未来发展的重点。目前国内外主要采用微合金化及控轧控冷工艺生产高钢级管线钢，通过加入Mn、Mo、Cr、Ni、Nb、Ti、V、B等合金元素，起到析出强化、细晶强化、固溶强化、相变强化作用。控轧控冷工艺由于受到轧制条件及冷却速度的局限，在高钢级管线钢产品开发中不能充分发挥作用，而超快冷工艺能有效地解决以上问题。本课题通过采用超快冷技术研究开发生产高钢级管线钢，尽可能地发挥轧制、轧后冷却等环节对钢铁产品性能的调控作用，最大限度减少对合金元素消耗，达到提高产品性能、节约能源与资源的目的。本课题针对国家能源管线建设对高钢级管线钢的需求以及钢铁企业重点产品开发的急需，采用新型超快冷工艺研究开发了低成本X80、X100管线钢。本课题在实验室应用研究的基础上开展工业化试制，论文第一部分为国内外现状与研究进展分析（第1章）；第二部分为在实验室条件下进行应用研究，由第25章组成；第三部分为在工业化生产条件下进行试制及其主要性能研究，由第610章组成；第四部分为全文总结及展望（第11章）。本课题应用热模拟实验机、热膨胀仪、光学显微镜对高钢级管线钢的再结晶规律、高温变形抗力、连续冷却转变规律等进行了研究。利用高温热重分析仪、热模拟实验机等仪器研究超快冷条件下高钢级管线钢氧化铁皮的演变规律。利用光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射仪、能谱分析仪、显微硬度仪、万能试验机、冲击试验机、落锤试验机等手段检测高钢级管线钢的微观组织与力学性能；利用NaCl、CH3COOH、H2S水溶液和高压釜等研究高钢级管线钢的耐腐蚀性能。通过研究得到了X80管线钢动态再结晶数学模型表达式zexp(356.59/RT)和Z=1.61012[sinh（0.012)]4.095p，X100管线钢动态再结晶数学模型表达式Zexp(399.23/RT)Z6.4247.014和p。X80管线钢静态再结晶激活能为QSRX＝393kJ/mol，XSRX1exp[0.693(t/t)0.95静态再结晶动力学方程为0.5]。X100管线钢静态再结晶激活能为QSRX＝365kJ/mol，静态再结晶动力学方程为XSRX1exp[0.693(t/t)0.950.5]。X80管线钢高温变形抗力数学模型为σ=3327.758ε0.315ε0.0109exp（-0.002Τ-1.12ε），X100管线钢高温变形抗力数学模=3155.8080.48型为0.13exp（-0.002T-0.65）。通过实验室研究，得到了X80、X100管线钢的静态和动态连续冷却转变曲线，获得了不同化学成分、不同冷却速度条件下的微观组织结构，为超快速冷却控制提供了理论依据。通过实验室研究，采用超快冷工艺生产的X80管线钢氧化铁皮结构与传统工艺生产的Q235B差别较大，其氧化铁皮结构共有5层。超快冷工艺及合金元素是导致X80高温氧化铁皮结构存在差异的主要原因。采用新型超快冷工艺生产的低钼X80管线钢与采用传统加速冷却工艺生产的高钼X80管线钢有非常相似的显微组织和力学性能。实验室试验和工业试验验证了上述结果，这证明了通过超快速冷却工艺可以降低合金成本，获得良好的力学性能。晶粒细化是超快速冷却工艺获得良好综合力学性能的主要原因。该工艺提供了一种新的技术途径来生产低成本高强度低合金钢。本课题研发的X80、X100管线钢具有低屈强比和优良低温冲击韧性。这主要是由于超快冷却在相变前保持了硬化奥氏体，降低了相变温度，另外，Nb-Ti碳氮化物在超快速冷却过程中被抑制析出。超快速冷却工艺仍然坚持了传统TMCP的两个原则，即控制奥氏体的硬化及硬化奥氏体的相变，因此超快速冷却在晶粒细化方面扮演着重要的角色。虽然在高温完成热变形，但是在形变后的短时间内钢带依然处于未再结晶状态，含有大量的“缺陷”，处于高能状态，存在大量的相变形核点。由于采用超快速冷却，钢带很快通过了奥氏体相区，奥氏体硬化状态得以保持，有利于细化相变组织。超快速冷却与传统层流冷却相比降低了相变温度，相变温度越低，组织细化的驱动力越大，因此获得了更细的组织和更优的韧性。依据NACE标准研究了超快冷工艺生产的X80管线钢抗硫化物应力腐蚀开裂（SSCC）、抗氢致开裂（HIC)和抗CO2腐蚀的情况。SSCC腐蚀实验表明，产生开裂的临界应力值在65﹪s（390MPa）左右。超过此临界值，试样的腐蚀敏感性较高，抗腐蚀能力较差，在95﹪s加载水平下，应力敏感性极高。HIC腐蚀实验表明，裂纹敏感率、裂纹长度率和裂纹厚度率均为零。抗CO2腐蚀实验表明，在CO2压力为0.1MPa条件下，平均腐蚀速率为0.6843mm/a。因此采用新型超快冷工艺生产的X80管线钢具有优良的抗SSCC腐蚀性能、抗HIC腐蚀性能和抗CO2腐蚀性能。根据上述研究结果，制定了合理的工艺路线，采用超快冷工艺生产晶粒细小、力学性能优良