热连轧工艺生产厚规格X80管线钢的工艺及组织性能.pdf

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1、第3 0 卷第2 期2 0 0 9 年4 月钢铁钒钛I R O NS T E E LV A N A D I U MT I T A N l U MV 0 1 3 0 N o 2A l2 0 0 9热连轧工艺生产厚规格X 8 0 管线钢的工艺及组织性能朱涛1”，江海涛3，许洪汛3，田志强3，李忠义2(1 钢铁研究总院，北京1 0 0 0 8 1；2 马鞍山钢铁股份有限公司，安徽，马鞍山2 4 3 0 0 0；3 北京科技大学材料科学与工程学院，北京1 0 0 0 8 3)摘要：研究了马钢热连轧生产厚规格x 8 0 管线钢的显微组织、析出物的种类、大小、分布和力学性能，研究表职：通过合理的成分设计和

2、轧制工艺，传统热连轧生产的厚规格x 8 0 管线钢的组织均匀，合理；析出物细小弥散，其析出物为N b、V、T i 的复合析出物，根据形态可以分为两类，第一类析出物是以含T i 为主的(T i、N b)(C、N)析出物，主要作用是阻止奥氏体晶粒长大；第二类析出物以含N b 为主的(N b、T i)c 析出物，主要作用是析出强化。在充分发挥细晶强化、位错和亚晶强化和析出强化等强化机制的条件下，厚规格x 8 0 管线钢力学性能优良，屈服强度达到5 8 0M P a，屈强比合适；一2 0 的夏比冲击功和剪切面积分别为2 9 0J 和1 0 0，一1 5 的D w I r 剪切面积为1 0 0。各项性能

3、均满足西气东输二线标准要求。关键词：热连轧；x 8 0 管线钢；微观结构；析出物；力学性能中图分类号：聊7 7文献标识码：A文章编号：1 0 0 4 7 6 3 8(2 0 0 9)0 2 0 c r 7 5 一0 5P r o c e s s，M i c r o s t r u c t u r ea n dP r o p e r t i e sO fT h i c kX 8 0P i p e l i n eS t e e lP r o d u c e db yH o tC o n t i n u o u sR o U i n gZ h uT a 0 1-，J i a n gH a i t a

4、 0 3，X uH o n 黔u n 3，T i a nZ h i q i a n 9 3，“Z h o n 影i 2(1 c e m r a lI r o n S t e e lR e s e a r c hI 璐t j t u t e，B e i j i n gl o()0 8 l，C h i n a；2 M a 锄s h a nI r o n S t lC o，L t d，M a 粕8 h 舳2 4 3 0 0 0，A I I l l u i，C h i n a；3 S c h 0 0 lo fM a t e r i a l 8S c i e n c e 锄dE I l g i m e

5、血g，U n i V e 碍蚵0 fS c i e n c ea n dT e c I l I l o l o g yB e i j i n g，B e i j j n g1 0 0 0 8 3，C h i n a)A b s t r a c t：T h em i c r o s t r u c t u r e，p r e c i p i t a t e sa n dm e c h a n i c a lp r o p e n i e so ft h i c kX 8 0p i p e l i n es t e e lp r o-d u c e db yh o tc o n t i n u o

6、 u sr o l l i n go fM a s t e e lw e r es t u d i e d T h er e s u hs h o w st 1 1 a tt I l r o u g hr e a s o n a b l ec o m p o s i t i o nd e s i g na n dm U i n gp r o e e s s，t h em i c r o s t l l J c t u r e so ft l i c kX 8 0p i p e l i n es t e e lp r o d u c e db yh o tc o n t i n u o u sr

7、 0 U i n ga r eu n i f 0 肿a n dr e a s o n a b l e，i t sp r e c i p i t a t e sa r ef i n ed i s p e r s i o n T h ep r e c i p i t a t e sc o n s i s to fN b，V，T i，t h e yc a nb ed i v i d e di n t ot w Dt)，p e sb a s e do nt h e i rs h a p e，o n ei s(T i、N b)(c、N)i nw h i c hT ip l a y st h em a i

8、 nr o l e，i t sm a i nf u n c t i o ni sp r e v e n t i n ga u s t e n i t eg r o w t h；a n o t h e ro n ei s(N b、T i)Ci nw h i c hN bp l a y st h em a i nm l e，i t sm a i nf u n c t i o ni sp r e c i p i t a t i o ns t r e n g 出U n d e rt h ec i r c u m s t a n c eo fm a k i n gf u Uuseo f6 n e g r

9、 a i n e ds t r e n 昏h，d i s l o c a t i o na n ds u b-b o u n d a r ys n e n 昏h，p r e c i p i t a t i o ns t r e n g m，t h et h i c kX 8 0p i p e l i n es t e e lh a se x c e H e n tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s：T h ey i e l ds t r e n g t hi s5 8 0M P a，t l em t i oo fy i e l dt 0s t r e

10、n 垂hi sp r o p e r；t h ei m p a c te n e r g ya n ds h e a ra r e aa r er e s p e c t i V e l y2 9 0J，1 0 0 a t 一2 0，t h eD W T rs h e a ra r e ai s1()o a t一15 A l l 出ep e d o 肿a 1 1 c em e e tt h ed e m a n do ft l es e c o n dW e s t E a s tG a sT r a n s m i s s i o n K e yw o r d s：h o tc o n t

11、i n u o u sr o m n g；X 8 0p i p e l i n es t e e l；m i c r o s t m c t u r e；m e c h a n i c a lp r o p e n i e s；p r e c i p i t a t e s收稿日期：2 0 0 8 0 9 2 2作者简介：朱涛(1 9 7 0 一)，男，汉族，安徽安庆人，高级工程师，博士，主要从事轧钢工艺研究。万方数据7 6 钢铁钒钛2 0 0 9 年第3 0 卷O引言管线运输是长距离输送石油、天然气最经济、合理的运输方式。为了提高输送效益、降低能耗、减少投资，管线用钢向高强度、高韧性和优良焊

12、接性能的高钢级发展已成为趋势。目前，世界上已建成并投入工业运营的x 8 0 管线钢达25 0 0k m 2】。我国西气东输二线是继西气东输一线工程后又一条具有战略意义的天然气长距离输送管道工程，其中主干线全长48 4 3k m，全部采用x 8 0 级钢管，其中大部分厚度为1 8 4m m，这将是中国输气压力最高、输气量最大、距离最长的天然气输送管道。4J。x 8 0 管线钢在实验室已经试制成功，但要实现1 8 4m m 厚规格X 8 0 管线钢稳定的、大批量的工业生产，难度较大。马鞍山钢铁股份有限公司(简称马钢)自2 0 0 7 年8 月开始西气东输二线用x 8 0 管线钢的试制，通过与国内高

13、校产学研合作，结合合理的生产工艺，使生产的厚规格x 8 0 管线钢在具备高强度的同时还具有优良的低温韧性和抗动态撕裂能力，并实现了稳定生产，已具备大批量生产西气东输二线用x 8 0 管线钢的能力。1厚规格x 8 0 管线钢的成分和轧制工艺厚规格的热轧板卷在层流冷却的过程中，由于板卷表面和心部的冷却速率相差较大，导致板卷组织不均，影响板卷的力学性能，因此马钢厚规格x 8 0管线钢在成分设计上(见表1)加入了M n、C r、M o 等提高钢淬透性的元素，且M o 能把珠光体和贝氏体转变的c 曲线明显地分离开，在较小的冷速下就能得到针状铁素体组织，同时加入微合金元素N b、V、T i 用来提高管线钢

14、的强度；工艺上采用传统的T M C P 工艺，增加板卷轧制时的压下率，粗轧压下率为7 4，精轧压下率达到7 0，充分地细化晶粒，同时提高层流冷却的冷却能力，使冷却速度达到2 0s，使得厚规格的管线钢能获得均匀细小的针状铁素体组织，而且板卷可以在一个较宽的温度范围内卷取，从而降低轧制设备的负荷。表1x 8 0 管线钢的主要化学成分T a b l elC h e m i c a lc o m p o s i t i o 璐o fX 8 0p i p e U n es t e e l2厚规格x 8 0 管线钢的微观组织2 1厚规格x 8 0 管线钢的显微组织在热轧板的横向方向上切取金相样和透射薄晶样

15、，表面金相样和心部金相样各取一个，经磨制抛光，4 的硝酸酒精腐蚀后在z E I s sI m a g e rA l m 金相显微镜和图像分析系统上进行组织观察，薄晶样经手工减薄双喷后，置于J E M 1 0 0 c x 型透射电镜上观察，所得显微组织如图l 所示。由图l(a)，(b)可知，厚规格x 8 0 管线钢的表面和心部组织相差不大，组织均匀，说明其成分设计和轧制工艺合理；而且晶粒较细，晶粒度为1 2 5 级，细晶强化作用明显；组织为大量的针状铁素体(A F)+少量的块状铁素体(M F)+微量的粒状贝氏体(G B)和M A 岛，为典型的针状铁素体型管线钢，针状铁素体的含量约为8 0，在透射

16、电镜下观察针状铁素体的精细结构，如图1(c)所示，针状铁素体内部板条尺寸参差不齐、彼此交叉分布，互相咬合，其间具有大角度晶界；板条内部具有较高密度的位错。这种特殊的微观结构具有不同的强韧化机理：一方面针状铁素体内部的板条束彼此咬合，参次不齐，裂纹在其中扩展需较多扩展功，因而对裂纹扩展具有阻碍作用”o；另一方面，板条内较高密度的位错，在奥氏体向针状铁素体的转变过程中，局部地区位错发生偏聚、缠结而成为亚晶，起到亚晶强化作用。另外针状铁素体为体心立方结构(D 口=1 0 0 8)，层错能高，不易分解成扩展位错而易发生交滑移，亚晶内的位错具有很大的可动性，这也使得针状铁素体具有良好的强韧性-。2 2

17、厚规格x 8 0 管线钢的析出物x 8 0 厚规格管线钢成分设计时还加入了N b、V、T i 微合金元素，这些元素在钢中可以起到阻止原始奥氏体晶粒长大，延迟奥氏体再结晶和析出强化等作用。其中，钛除了可以阻止原始奥氏体晶粒长大以外还可以防止焊接热影响区出现“粗晶”现象，保证焊接热影响区的高韧性”1；铌延迟奥氏体再结晶 万方数据第2 期朱涛等：热连轧工艺生产厚规格x 8 0 管线钢的工艺及组织性能7 7 的作用明显；钒的溶解温度较低，与铌相比阻止再结晶的作用较弱，其主要作用体现在a 转变过程中的相间析出和在铁素体中的析出强化7 1。(a)表面显微组织；(b)心部显微组织；(c)板条状铁索体及位错(

18、a)S u d a c eI I l i c m s t m c t u r e；(b)C e n t e rm i c m s t r u c t u r e；(c)L a t h-s h a p e da c l c u l a rf 色I t e 明dd i s l o c a t i o n图1x 8 0 管线钢的显微组织F i 昏lM i c m s t r u c t u r eo fX 8 0p i p e l i n es t e e l在工艺上马钢传统热连轧生产的厚规格x 8 0管线钢采用合理的温度控制，较大的非再结晶区累积压下量，从而细化晶粒，增加位错密度，使得其析出物细小

19、弥散，析出强化作用明显。通过制取萃取复型，在J E M 一2 0 1 0 型高分辨仪上对实验用钢的析出物种类、大小、分布进行观察分析。得出实验用钢的析出物为N b、V、T i 的复合析出物，按照析出物的大小将其分为两类。第一类析出物的形貌及其能谱见图2，近似长方形的析出物周围包覆着圆形的析出物，长方形析出物的边长在7 0 1 0 0n m，以含T i 为主，有少量的N b，含有极少量的V。图中析出物的T i N b 为4 0 8，含有一定量的N，说明此类析出物为以含T i为主的(T i、N b)(c、N)，主要作用为阻止奥氏体晶粒长大，细化原始奥氏体晶粒，为晶粒细化提供条件。第二类析出物的形貌

20、及其能谱见图3，此类析出物的外形接近圆形，尺寸在2 0n m 左右，主要是大量的N b 和少量的T i，含有极少量的V。图中析出物的N b T i 为7 0 9，随着析出物形成的时间不同，N b T i 在7 0 9 1 0 之间变化，此类析出物中N 的含量极低，说明它是以含N b 为主的(N b、T i)C 析出物，主要起析出强化作用。由溶解度关系可知，T i N 的固溶温度最高，为14 0 0 左右，N b N、T i C、N b C 的固溶温度接近，为l1 0 0 左右，V c、V N 的固溶温度最低，为9 0 0 左右 8】。在第一类析出物中，T i 与N 在高温阶段结合形成方形的T

21、i N 析出，随着轧制温度的降低，少量的N b(C、N)是以T i N 为核心进一步析出，从而形成了形状独特的复合析出物。大量的N 在高温阶段与T i 结合形成T i N 析出，导致第二类析出物中的N 极少，形成含N b 为主的(N b、T i)C 析出物。3厚规格X 8 0 管线钢的力学性能按照西气东输二线管线钢标准的要求切取实验用样，拉伸试样在板宽1 2 处，与板卷轧制方向成3 0。方向截取，并取圆棒样；夏比冲击实验取样在板宽四分之一处沿轧制方向成3 0。的方向；落锤试样的取样位置与冲击试样相同，实验结果见表2。由表2 可知，厚规格x 8 0 管线钢的力学性能符合西气东输二线x 8 0 管

22、线钢的力学性能要求，其屈服强度为5 8 0M P a，满足5 5 5M P a 的标准要求且有一定的富余量；屈强比控制合适；一2 0 的夏比冲击功和剪切面积分别为2 9 0J 和1 0 0，一1 5 的D w l T I 剪切面积为1 0 0。说明马钢传统热连轧生产的厚规格x 8 0 管线钢的成分设计和轧制工艺合理，充分发挥了细晶强化、位错和亚晶强化、析出强化等强化机制，使生产的厚规格x 8 0 管线钢力学性能优良，特别是低温韧性和抗动态撕裂能力良好。万方数据7 8 钢铁钒钛2 0 0 9 年第3 0 卷(b)啊VN b己扎墨N 婴，01234567891 0能量，k e v图2 第一类析出物

23、(a)析出物的形貌(b)析出物的能谱F i g 2T h ef i r s tt)甲eo fp r e c i p i t a t e s(a)s h a p eo fp r e c i p i t a t e(b)E D So fp r e c i p i t a t e一们山UV魁魑图3 第二类析出物(a)析出物的形貌(b)析出物的能谱F i g 37 r h e c o n dt y p eo fp r e c i p i t a t e s(a)s h a p eo fp r e c i p i t a t e(b)E D So fp r e c i p i t a t e表2x 踟管

24、线钢的力学性能T a b l e 2M e c h a I l i c a lp r o p e n i 既o fX 8 0p i p e u n es t e e I4结论(1)通过合理的成分和轧制工艺设计，马钢传统热连轧生产的厚规格x 8 0 管线钢板卷组织均匀，晶粒较细，为典型的针状铁素体型管线钢，针状铁素体内部板条的尺寸参差不齐、彼此交叉分布，互相咬合，其间存在较高密度的位错，促使其具有良好的强韧性。(2)马钢传统热连轧生产的厚规格x 8 0 管线钢析出物细小弥散，析出强化作用明显，析出物为N b、V、T i 的复合析出物，根据形态可以分为两类，两类析出物中的V 的含量极少。第一类析出

25、物是以含T i 为主的(T i、N b)(C、N)析出物，它是以T i N 为主，在T i N 周围进一步析出少量的N b(c、N)而形成的，尺寸在7 0 一1 0 0n m，主要作用是阻止奥氏体晶粒长大，为晶粒细化提供条件；第二类析出物以含N b 为主的(N b、T i)C 析出物，随着析出物形成的时间不同，N b T i 的比值在7 0 9 一1 o 之间变化，尺寸在2 0 一3 0n m，主要起析出强化作用。万方数据第2 期朱涛等：热连轧工艺生产厚规格x 8 0 管线钢的工艺及组织性能7 9(3)马钢传统热连轧生产的厚规格x 8 0 管线钢力学性能优良，在满足较高的屈服强度，合适的屈强参

26、考文献比同时具有良好的低温韧性和抗动态撕裂能力，能够满足西气东输二线对管线钢用材的要求。1 F e I l g Y 咖g，z h u 锄g c h u a n j i 峙A p p l i c 撕p m b l e mo f g r a d e x 8 0p i p 出n ep m j e c t J w e l d e d P i p e 锄dT u b e，2 0 0 6，2 9(1)：6 7(冯耀荣，庄传晶x 8 0 级管线钢管工程应用的几个问题 J 焊管，2 0 0 6，2 9(1)：6 7)2 L iH e l i LH o tt 叩i c si ns t u d y8 I l d

27、印p H c 觚o fs t 甜l i n eP 峨f o rn a t u r a lg 船t m 璐p 矾撕 J C l l i n aM e c h 蚰i c a lE n g i 眦e r i l l g，2 0 0 l，1 2(3)：3 4 9 3 5 2(李鹤林天然气输送钢管研究与应用中的几个热点问题 J 中国机械工程，2 0 0 l，1 2(3)：3 4 9 3 5 2)3 w 明gxxD e v e l 叩i n g 舯dt e s t i n go fx 8 0l i n ep i p e 蚰di n d u c t i o nb e n dp i p e A 1 ki m

28、e m a t i a l8 y m p i u m 聊d i n g s 帆x 8 0s 慨lg r a d ep i p e l i 鹏s c B e i j i n g：2 0 0 4：5 9 7 4 4 H i e I l b 耻l dH GD e v e l o p m e n t 朋dp D 0 d u c t i o f h i g hs t r e n g t hp i p e b n es t e e l s 聆q I l i r e m e m 8 p r D d u c t sa I l d r v i c 髓 A n ei m e 瑚t i a ls y m p o s

29、 i u mp r o c e e d i n g so n)(8 0s t e e lg r a d ep i p e l i n e s c B e i j i n g：2 0 0 4：1 9 9 2 2&5 Q uJ i n b o，s h 锄Y i y i n，z h M i n c h u n，e t 以E 雎c to fa c c e l e f a t e d o h I l g 帆I I l i c 瑚t n l c t u 他a n dm e c h 觚i c a lp m p e r t i o fc-t I D l l e dm u e dp i p e l i n e8

30、 t e e l 8 J I 啪锄ds t e e I，2 0 0 l，3 6(9)：4 6 4 9(曲锦波，单以银，赵敏春，等加速冷却对控轧管线钢组织和性能的影响 J 钢铁，2 0 0 1，3 6(9)：4 6 4 9)6 z h e n gk，G s h a I L a l m n 血c t l l r e0 fg r a d eX 8 0w i t hl l i g ht o u g l l 唧s i c l l l a rf e r r i t e J W e l d e dP i p e 觚dT I l b e，2 0 0 5，2 8(2)：2 1 2 4(郑磊，高珊高韧性针状铁素体

31、)【8 0 级管线钢的试制 J 焊管，2 0 Q 5，2 8(2)：2 l 一2 4)7 H u 觚gK 8 i w 饥蹦嘣p l e0 fa l l o y i I I g 明dk e yt e c h I l i q u 髂f o rx 8 0a n dx 1 0 0l i 他p 耻B t e e l J lR o l l i I I g，2 0 0 4，2 l(6)：5 5 5 8(黄开文x 8 0 和x 1 0 0 钢级管线钢合金化原理和生产要点 J 轧钢，2 0 0 4，2 1(6)：5 5 5 8)8 w 锄gY o 啪她，uM 龃y u n，W e iG u a n 昏c o n

32、 t r o u e dr o u i n g 肌dc o n t m u e dc 0 0 1 i n gf o rs t e e k M B e i j i I I g：M e t a l l u r g yI I l d 世田P 陀s s，1 9 9 5：5 1(王有铭，李曼云，韦光钢材的控制轧制和控制冷却 M 北京：冶金工业出版社，1 9 9 5：5 1)编辑杨冬梅(上接第7 4 页)参考文献 1 2 3 4 5 E D S S U N GRN o n-呲t a l H ci 眦l 啦i i ns t e e l M b n d o n：M e LS o c，1 9 7 8：1 1 6

33、 0 G a oJ i n g I l o，【jJ i n g s h e，T 蚰gH a i y 舳，以口Z m：s e a r c h n m e t a I l i ci n c l u s i o 鹏o fg a sc y H n d e r 毗e e l J T i t a n i u m，2 0 0 8，2 9(3)：1 7 2 1(高锦国，李京社，唐海燕，等气瓶钢中非金属夹杂物研究 J 钢铁钒钛，2 0 0 8，2 9(3)：1 7 2 1)G u oY 岫i n g，x uz h o n g b o，w a n gH a i t R e a I c ho ni m l u s

34、i 彻si nm-k i u e d8 t ld u r i n gL F 陀丘I I i n g J T i t a n i u m，2 0 0 r 7，2 8(3)：1 4 一1 8 I m nS t e e lV a n a d i 岫I m nS t e e lV 蛐a d i 姗(郭玉明，许中波，王海涛铝镇静钢L F 精炼过程中夹杂物行为研究 J 钢铁钒钛，2 0 0 7，2 8(3)：1 4 1 8)Y uG u i l i n g-E 如c t0 fb 丽u ma l l o yd e o x i d i z i n go ni n c l u s i o n 舳df a t i

35、 g u el 如0 fh i g l lc d 瑚c h 舢i u mb e a r i I I g8 t e e lG C r l 5 J S p e c i 8 lS t e e l，2 0 0 3，2 4(5)：4 9 5 0 R O c A B O I sP N 哪e t a l l i ci n c l 璐i e n t r a p m e mb ys l a 铲：l a b o r a t o r yi 盯e s t i g a t i J I r o 啪a l【i n ga n ds t e e l m a l【i n g，2 0 0 3，3 0(2)：9 5 9 9 编辑余文华 万方数据