厚规格管线钢屈服强度异常波动原因分析

2015-04-25于洋关菊刘威

鞍钢技术 2015年2期

于洋，关菊，刘威

（1.鞍钢股份有限公司技术改造部，辽宁鞍山 114021；2.鞍钢股份有限公司热轧带钢厂，辽宁鞍山114021）

近几十年来，输送管线作为石油和天然气一种经济、安全、不间断的长距离输送工具得到了迅猛发展，由于管线用钢的服役条件复杂，所以对其性能有着特殊的要求，包括高纯净、高强度、高韧性以及良好的焊接性和耐腐蚀性等。随着石油天然气需求量的不断增加，管道的输送压力和管径也在不断增大，对管线用钢提出了高强度、大壁厚、大直径、高压力的综合性能要求。国内外各大钢厂为适应管线钢市场的日益变化，在增加管壁厚度和提高管材强度方面进行了深入研究，例如以西气东输为代表的长距离输送管线成功应用了X70、X80强度级别管线用钢，螺旋焊管最大厚度达到了18.4 mm。但是厚规格、高强度管线钢也给热轧生产带来了一系列困难，如鞍钢股份热轧带钢厂在生产壁厚大于14 mm、屈服强度大于500 MPa管线钢时就出现了带钢屈服强度异常波动问题，由此造成了大量废品，影响了企业的经济效益，钢卷一旦出厂还会给后续用户的加工带来诸多问题。为解决此问题，本文以X70强度级别管线钢为研究对象，通过工艺排查和相关检验分析，找出了X70管线钢屈服强度异常波动的原因，并制定了相应解决措施，在生产中推广应用后，取得了明显效果，解决了技术难题。

1 屈服强度异常波动原因分析

管线钢生产工艺流程为：铁水预处理→转炉冶炼→炉外精炼（RH＋LF）→钙处理→连铸→加热→轧制→冷却（超快冷＋层流）→卷取。

生产中发现，管线钢的屈服强度在化学成分及工艺稳定的条件下其波动范围呈正态分布，而当壁厚大于14 mm、屈服强度大于500 MPa时，管线钢的屈服强度经常发生不呈正态分布现象，图1为用minitable软件计算的壁厚17.5 mm X70管线钢屈服强度分布示意图。

从图中可以看出，管线钢的屈服强度没有呈现正态分布，并且过程能力Cpk仅为0.2。为了搞清厚规格管线钢屈服强度异常波动的原因，取17.5 mm厚度的 X70 管线钢试样进行了 30°、60°、90°方向（横向）以及轧向（纵向）屈服强度检验，结果见图2。从图2中可以看出，90°方向的屈服强度最高，其次是轧制方向和60°方向，30°方向最低，并且最大最小差值为36 MPa，说明卷板存在较严重的各向异性。

对所取试样采用线切割方法，分别沿横向和纵向制成15 mm×15 mm金相样，磨抛后采用4%浓度的硝酸酒精溶液侵蚀，在光学显微镜下进行金相组织观察，结果见图3。

图3（a）显示，钢带的横向和纵向组织存在明显差异，横向组织基本为等轴晶粒；图3（b）显示，纵向组织晶粒有明显长度的方向性。另外，随机选取了两块试样（1#，2#试样）进行了透射电镜观察，结果表明，两块试样的析出相形貌有较大区别，见图4。图4（a）显示，1#试样为细小析出物均匀分布；图4（a）显示，2#试样为粗大析出物偏聚析出。需要注意的是，大生产中取样都是在带钢卷取之后，由于卷取过程中发生了塑性变形，因此所取的检验样不平直，会影响检验值的准确性。

通过检验分析，认为X70管线钢屈服强度异常波动的原因为：Nb析出相尺寸和分布不均、钢板各向异性以及试样弯曲变形。为解决上述问题，必须搞清相关机理，以便制定相应的技术措施，解决生产中出现的屈服强度异常波动问题。

2 屈服强度异常波动解决措施

2.1 钢中固溶铌含量的影响及改善

在管线钢的生产中，添加铌的作用主要是利用Nb（CN）在奥氏体中的形变诱导析出来抑制奥氏体再结晶，以达到细化铁素体晶粒的目的，但钢中添加Nb首先需要Nb能够固溶入奥氏体，通过固溶Nb的原子对晶界的拖曳作用，以及NbC的动态析出对晶界运动的强烈阻碍作用来实现，因此说，Nb对变形行为的影响主要表现在固溶Nb的作用上。根据前述检验结果发现，受检试样中Nb（CN）的析出粒度和弥散度差异很大，这会对屈服强度有一定影响，一般Nb（CN）越细小、越弥散，屈服强度就越高。研究Nb（CN）弥散析出问题，首先要研究Nb有效固溶的问题。通过增加固溶Nb含量控制Nb（CN）析出形态和尺寸。取14.3 mm厚度X70管线钢生产数据进行回归分析，屈服强度与加热温度的关系式为：

式中，C为碳成分含量；S为硫成分含量；Ht为钢坯加热温度；Rt为粗轧终轧温度；F0t为精轧开轧温度；Ft为精轧终轧温度；Ct为钢带卷曲温度。

根据回归公式计算得出，加热温度每提高40℃，屈服强度可提高22.51 MPa。要想提高固溶Nb含量，必须提高加热温度。生产中采取了延长加热时间和提高加热温度的办法来提高固溶Nb含量。

2.2 各向异性的影响及控制

在各向异性材料中，晶粒并非等轴晶，它在不同方向上的尺寸是不一致的。沿着晶粒被拉长方向的强度和韧性一般比较好，而其它方向上的强度和韧性相对就差一些［1］。通过对X70管线钢试样相关检验来看，虽然其横向和纵向组织存在明显差异，变形程度也不完全一样，即纵向组织晶粒为拉长晶粒，横向组织近似为等轴晶粒，但是试样的横向屈服强度最高，纵向屈服强度其次，与轧制方向成30°方向屈服强度最低。从化学成分、金相组织上没找到异常之处，说明仅从微观上很难得到X70管线钢各向异性特征的解释，X70管线钢的各向异性有其自身的特点，导致钢带各向异性特征与组织中织构的存在有关，即{112}＜110＞织构导致屈服强度的各向异性，30°方向最低，横向最高，这种织构的形成与奥氏体未再结晶区发生的相变有关。厚规格管线钢采用TMCP工艺生产，在精轧过程中，如果轧件的尾部温降过快，尤其是进入了两相区温度，此时轧件受到低温加工后，会使{112}＜110＞织构加强，使得横向屈服强度比纵向屈服强度高很多。根据大生产观察，由于通卷温度差，有时部分X70管线钢卷板尾部温度在 700～750℃之间，说明轧件尾部在终轧之前已经进入了两相区，这对卷板各向异性的控制很不利。生产中采取适当提高终轧温度、降低卷取温度的方法，可最大限度避免轧件尾部的两相区轧制，弱化{112}＜110＞织构，减轻各向异性倾向。

钢带的各向异性问题在低温控轧中必然会产生，为解决该问题，在钢种设计时考虑了用户使用的方向性，对于用户提出在30°方向使用的钢带，在成分设计中适当添加了强化元素，结合工艺参数的调整，可保证屈服强度波动范围在一个合理的区间之内。

2.3 弯曲变形的影响及消除

热连轧卷经过卷取之后会发生弯曲变形，并且该变形属于三维变形，变形示意图见图5。这种变形试样在力学性能检验时会产生数据偏差，会造成屈服强度检测值比板卷的真实屈服强度低［2］。试样弯曲变形导致屈服强度降低的原因分析如下：

拉伸试验变形计算式 Δz=Δs＋Δx （2）式中，Δz为试样的总变形量；Δs为试样形状变形量；Δx为试样受力产生的变形量。

拉伸试验屈服强度测量的Rt0.5是在50 mm标距内产生的总变形量，即Δz=50×0.5%=0.25 mm；X70管线钢的Rt0.5约为500 MPa；试样形状变形量Δs预测为 20～40 MPa，4%～8%的试样变形量 Δs计入Δz中，为0.01～0.02 mm。可见0.01 mm试样变形被计入到Rt0.5变形量的检测数据里，就能导致屈服强度低20～40 MPa，这也是影响屈服强度的最关键因素。由于试样形状变形量计入的随机性，因此Rt0.5强度的值也呈现了不稳定性。

为解决上述问题，生产中采用了增加压平机的方法，利用压平机先对试样反复进行压平，确保试样的平直度之后再进行力学性能检验。表1为试样压平对屈服强度的影响的试验结果，从试验数据来看，压平之后可以使试样的屈服强度提高了34 MPa，这一数值基本上可以弥补由于试样弯曲造成的屈服强度下降值，可以代表热轧卷的实际屈服强度值。另外，生产中有时还采用圆棒试验方法，用以替代板拉力试验方法，最大限度地消除试样弯曲变形对屈服强度检验值的影响。