2 250 mm生产线L290M/X42M管线钢多样化设计

2016-01-09曹妍，闫波，宿成，董磊

焊管 2016年10期

曹妍，闫波，宿成，董磊

（内蒙古包钢稀土钢板材厂研发销售部，内蒙古包头014010）

据中国产业调研网发布的《中国焊接钢管市场现状调研与发展前景分析报告（2015—2020年）》显示，2014—2015年，我国钢管产量以高于钢材总产量的速度增长，其中无缝钢管产量同比下降，而焊接钢管产量逆势大幅增长[1]。虽然当前国内钢铁产能过剩，钢材价格低迷，但是低级别民用管线钢的未来市场需求仍有较大提升空间。在这种严峻形势下，为保证市场竞争力，企业需要对产品进行更加合理的资源分配和设计优化，提供优质的服务管理，满足客户产品多样化需求。

1 设计依据

合理设计化学成分不仅要考虑产品的性能是否满足标准要求，更应该结合产品的规格和应用环境以及客户不同需求对产品进行多样化设计。L290M/X42M管线钢化学成分采用添加Mn、Nb/Ti微合金，依据不同的产品厚度和质量需求设计化学成分及含量。钢中除C、Si、Mn、P、S五大常规元素外，还应添加Al、Ca元素和Nb或Ti微合金。对于管线钢来说，碳当量[2]是钢管焊接性和焊缝性能的重要控制指标，采用低碳的化学成分设计是所有钢级管线钢的基本设计依据。除此之外，管线钢对组织晶粒度和非金属夹杂要求十分严格。Al作为强脱氧剂，不仅可以阻止奥氏体晶粒的长大，同时可减弱或消除钢的时效现象[3]；而Ca可以有效净化钢中高熔点夹杂物，起到控制夹杂物形态[4]的作用。成分设计中主要内容是确定Mn和微合金种类及含量，因为这些元素是提高钢的强度和塑韧性、细化组织晶粒度、决定产品性能的重要元素。

适合的化学成分设计配合合理的热轧工艺，可以使钢的综合力学性能及组织晶粒度达到最佳状态。采用低轧制温度、大压下量和轧后快速冷却的TMCP热机械轧制工艺是管线钢的重要轧制依据。L290M/X42M管线钢生产工艺流程如图1所示。转炉炼钢采用顶底复吹工艺，底吹脱磷，配合KR法脱硫。钢水全部经过LF钢包精炼，喂Si－Ca丝进行夹杂物变性处理，以确保钢质的纯净度。用较低的始轧温度和终轧温度、轧后快速冷却，以使钢的显微组织得到细化。轧前配有高压水除磷，预防氧化铁皮压入，以改善表面质量。

图1 L290M/X42M管线钢生产工艺流程

2 多样化设计

2.1 案例一

河北省某螺旋埋弧焊管制造公司技术要求高于GB/T 14164有关规定，他们增加了落锤撕裂性能（DWTT）试验，试验温度为－15℃，取样方向应与钢带轧制方向成45°角，剪切面积验收标准要求单值≥70 J，平均值≥85 J。对焊缝两侧（钢带边部）质量要求高，要求严格控制夹杂和裂纹。

其难点为低温落锤技术指标。落锤撕裂试验（DWTT）是通过观察试样断口形貌和最小剪切面积来评定管线钢的抗低温脆性开裂的韧性指标。受钢的韧脆转变温度的影响，温度越低，钢的韧性越差，越容易发生脆断。鉴于以上原因，提出采用低C+Mn+Ti系成分设计，并且在常规生产工艺基础上增加对连铸坯角部火焰清理，避免铸坯角裂产生钢带边部裂纹。

低C+Mn+Ti系钢的化学成分见表1。Ti在钢中起强脱氧去气、脱硫固氮的作用，对夹杂物变性处理[5]，提高韧性和焊接性[6]。利用Ti、Al微合金化可以细化晶粒，改善脆韧转变，w（Ti）≈0.02%时，具有最佳抑制奥氏体晶粒粗化的效果[7]；Mn不仅能够弥补因碳含量降低而损失的强度，而且能够提高钢的韧性，降低奥氏体向铁素体转变温度，使铁素体晶粒细化；Mn/C还可以影响钢的韧脆转变温度[8]。

表1 低C+Mn+Ti系钢的化学成分 %

分别在－10℃、－15℃试验温度下对产品进行落锤撕裂试验，试验结果如图2所示。从图2可以看出，本次设计产品其落锤性能值明显高于标准要求，说明添加Ti元素使晶粒细化，改善冲击韧性的作用明显。非金属夹杂物评级检验结果见表2。

图2 落锤撕裂试验结果

表2 非金属夹杂物细系评级结果

2.2 案例二

陕西省某螺旋埋弧焊管制造公司要求对厚规格（15 mm以上）产品进行拉伸性能试验和耐极寒夏比冲击试验，且拉伸性能和冲击性能取样方向应与钢带轧制方向成30°角，验收标准高于GB/T 14164要求（见表3），晶粒度要求9级或更细。

其难点为强度技术指标和耐极寒冲击韧性指标。受钢带厚度的影响，屈服强度和抗拉强度随厚度的增加而递减。C+Mn+Ti系成分设计已不足以生产15 mm以上厚度的热轧钢带，鉴于以上原因，此次方案采用低C+Mn+Nb系成分设计，其化学成分见表4。

表3 拉伸性能和冲击性能指标

Nb对再结晶形核有强烈的抑制作用，大大提高了再结晶的时间和温度，细化晶粒强化作用明显，而且这种作用高于Ti[9]。 w（Nb）＜0.03%，并且钢在较高的均热温度时可以得到极好的综合性能，屈服强度增长较快，与Nb浓度成正比[10]。

在L290M/X42M钢带1/2处沿轧制方向30°取拉伸试样，图3为14组21.5 mm厚热轧钢带的拉伸性能结果。从图3可以看出，试样屈服强度均在350 MPa以上，抗拉强度均在460 MPa以上，充分证明了Nb合金对钢的细晶强化作用。

图3 14组21.5 mm厚热轧钢带的拉伸性能结果

在L290M/X42M钢带1/4处横向和沿轧制方向30°取夏比冲击试样，系列温度夏比冲击性能结果如图4所示。从图4可以看出，在相同试验温度下，沿轧制方向30°取样时的冲击值明显高于横向取样冲击值。随着温度的降低，冲击平均吸收能呈现减小趋势。试验结果说明该设计产品在－20℃试验温度下冲击功明显高于标准值，即使在低温极寒地区－40℃下，横向和沿轧制方向30°取样的冲击韧性也可以满足客户要求。