管线钢板X65M的工艺和组织分析

李柏君

【摘 要】采用C-Mn-Nb-Mo复合成分设计和控制轧制工艺研制厚规格X65M管线钢，通过分析钢板的组织和性能，符合现行技术标准要求。规模化轧制X65M厚规格管线钢可以采用控制轧制和加速冷却工艺，获得低碳针状铁素体组织，保证管线钢板强韧性综合性能。该工艺有效降低生产成本，有助于提升管线钢产品的市场竞争力。

【关键词】管线钢；X65M；厚规格；控制轧制

0 前言

因为经济发展需要，采用高压力、大管径钢管长距离输送油气资源成为必然趋势。随着输油气管道直径增大、工作压力增高、服役条件愈加苛刻，加快高等级厚规格管线钢研制，抢占油气管道市场对各大钢厂具有重要意义。某钢厂通过加快高等级厚规格管线钢的试制开发，推动了产品结构调整和技术进步。本文主要介绍壁厚大于25 mm的X65M管线钢板的开发试制和钢板组织与性能的关系。

1 设备保障

厚规格管线钢严格的性能要求使得其对设备的依赖性很高，冶炼方面拥有KR铁水预脱硫处理站、120吨顶底复吹转炉、135吨LF+VD炉外精炼处理站和配套的270mm断面板坯连铸机，能减少钢中夹杂物、净化钢质，改善钢板的各向异性，提高冲击韧性。轧钢方面配有在线加速冷却装置和低温强力矫直机，具备管线钢轧后冷却及板形矫直能力。

2 成分设计

厚规格管线钢应用环境严苛，技术含量要求高，对钢板成分、性能、低温韧性、焊接性能等指标要求较严格，生产难度较大。现场施工易出现焊接裂纹和强度损失，对钢板强度和心部韧性要求也更加严格。为保证钢板的高强度、高韧性、较高的焊接性能和现场适应性，管线钢中的碳、锰元素要求分别控制0.12%以下、1.1%～2.0%[1]。

在冶炼过程中添加适量铌钒钛强氮化物形成元素，使管线钢微合金化，再配合控轧控冷工艺，可以实现晶粒细化和延迟奥氏体的再结晶。利用在钢板轧制过程中铌的碳氮化合物的晶粒细化和沉淀强化作用，钢板可以获得高强度、高韧性，合理的含[Nb]量应为 0.03%～0.05%。适当加入钛、钒元素，通过和铁素体中碳氮形成化合物析出，可以产生沉淀强化效果和一定程度的细化晶粒作用。适当添加钼元素有利于提升抗拉强度。铬可以增加贝氏体的淬透性，促进以针状为主的贝氏体转变，能够改善钢的屈服强度、抗拉强度和屈强比。铬和钼能显著提高钢的淬透性。

3 工艺路线设计

炼钢：高炉铁水→KR预脱硫→转炉冶炼→钢包合金化→LF精炼→VD真空精炼→全程保护浇铸→板坯精整→检验

轧钢：加热→开坯粗轧→适宜控温精轧→控制冷却→矫直→上表面检验→剪切取样→下表面检验→喷号标记→入库

4 冶炼工艺设计

4.1 铁水预处理和转炉炼钢

采用铁水预处理降低磷硫含量，提高管线钢低温韧性和耐腐蚀性能。通过顶底复吹少渣冶炼，充分吹氩搅拌促进钢中的夹杂物上浮。提高转炉炼钢碳含量终点命中率，尽量减少点吹次数，争取一次拉碳成功。

4.2 精炼

采用低硫精炼工艺，为促进横向韧性提升，可以采用加钙促进夹杂物变形处理。

4.3 连铸

采用低过热度、控制浇注速度，配合低频电磁搅拌和智能轻压下技术，可以进行低成本高质量高效率的连铸生产。为防止出现铸坯表面裂纹、降低合金元素偏析、减少连铸过程中的氧化，需要注意控制水冷速度，减少液相穴内溶质富集，全程无氧化保护浇注。在管线钢连铸生产中，采用氩气保护、中间包净化技术，防止产生大颗粒夹杂物、成分偏析、表面和内部裂纹，同时避免钢水从钢包到中间包以及中间包到结晶器时发生二次氧化。

5 轧制工艺设计

利用在线冷却技术，不仅可以大幅度降低管线钢板的成本，还能提高钢的韧性、塑性。轧制制度按照常规产品轧制，提高生产节奏，经济效益明显。

5.1 加热工艺

管线钢中铌碳氮化合物的溶解度从1150℃开始逐渐增高，对奥氏体晶粒尺寸产生较大程度的影响，进一步会影响到管线钢性能，因此要提升管线钢性能必须重视加热工艺。在适量钛元素的作用下可以控制晶粒粗化温度到1240～1260℃之间，避免奥氏体晶粒尺寸增长过快。

加热工艺的重点是为钢坯加热温度控制一个合理区间，使铌和其他合金元素的碳氮化合物溶解度控制在合理范围，这样可以避免晶粒过于粗大而降低韧性。严格执行加热工艺，保证各钢坯加热时间大于3.5小时，使得钢坯加热更为均匀，促进铌钛元素的固溶。厚规格管线钢根据铌钛元素含量不同采用不同的加热温度，基本控制在1100～1250℃[2]。

5.2 轧制工艺

控轧工艺可以充分发挥铌、钒、钛等微量元素的作用，实现组织晶粒细化，提高钢板强度和低温韧性。根据实行控制轧制时奥氏体是否发生再结晶可以将控轧过程划分为I、II两阶段。对于C-Mn-Nb-Mo管线钢来说，奥氏体再结晶比例与变形量、变形温度均为正相关。当前者为固定值时，奥氏体再结晶比例与变形温度曲线较陡峭，当后者为固定值时，奥氏体再结晶比例与变形量曲线较平缓[3]。

在生产实践中采取两阶段控轧控冷工艺，根据不同的订单厚度，通过控制冷却速度及终冷温度来设计不同的冷却工艺，第I阶段控制中间坯的厚度为订单规格的2.5～4倍，利用道次间冷却和待温进行第II阶段轧制，最终得到订单要求的尺寸，终轧温度一般为750～800℃[4]。

5.3 冷却工艺

加速冷却可以通过控制温降速度，利用余热使钢板组织发生预定相变，达到热处理的部分效果，实现缩减工序，压缩生产周期。

6 生产试制

6.1 X65M管线钢板力学性能

试制的X65M管线钢化学成分控制精准，铸坯质量良好，X65M管线钢板屈服强度均在470MPa以上，抗拉强度均在570MPa以上，冷弯性能、落锤性能合格，试制钢板符合标准要求。观察冲击断口和落锤断口可以发现，其形貌中韧窝比例很高，属于韧性断裂，有很好的抗撕裂能力。

6.2 组织分析

通过观察试制的X65M管线钢板微观组织照片，主要是针状铁素体+块状铁素体+少量的珠光体的复合组织。这种针状铁素体钢板具有较高的屈服强度以及良好的冲击韧性。通过光学显微镜观察，针状铁素体体块没有特定的几何形状，块间晶界不显著，针状铁素体内部存在突起和纹理显示存在大量的位错，晶粒内部和晶粒之间分布着细小的M/A岛。

6.3 系列温度冲击试验

为了研究钢板的韧脆转变温度，对厚度规格50.8mm的X65M管线钢板进行了0～-100℃系列温度冲击韧性检验，分别选择从管线钢板厚度二分之一处和厚度四分之一处取样。通过对比检验，验证了在0～-60℃温度范围内厚度二分之一处及四分之一处冲击功都比较均匀，波动较小，说明钢板韧脆转变温度低于-60℃，具有优良的低温韧性。

7 结论

1）采用铌钛复合微合金化技术、洁净钢生产技术、控制轧制工艺和加速冷却技术，试验轧制的X65M厚规格管线钢板，钢板组织均匀、晶粒适中，具有较好的低温韧性。

2）添加少量微合金化元素Nb、Ti，成分发挥细晶强化、固溶强化和沉淀强化作用。在线加速冷却技术可以细化钢板组织，获得细小均匀的超低碳针状铁素体组织，提高钢板的综合性能。

3）在生产管理、冶炼工艺、连铸工艺和轧制工艺等多方面精心组织、严格控制和精细操作，X65M管线钢板可以实现量产，具有明显的经济效益。

【参考文献】

[1]孟宪明.管线钢的化学成分和性能分析[J].山西冶金，2010（3）：23-24.

[2]丁文华，姜中行，白学军，等.厚壁海底管线用X70钢板的研制与开发[J].轧钢，2012，29（1）：16-18.

[3]沈丙振，方能炜，沈厚发，等.低碳钢奥氏体再结晶模型的建立[J].材料科学与工艺，2005，13（5）：517-520.

[4]王士林，张厚军，陆春洁.控轧控冷工艺参数对X80管线钢组织和性能的影响[J].上海金属，2014，36（4）：27-42.

[责任编辑：杨玉洁]