L290M/X42M管线钢化学成分优化设计

曹 妍，王建钢，闫 波，赵 进

(内蒙古包钢稀土钢板材有限责任公司，内蒙古 包头014010)

L290M/X42M管线钢化学成分优化设计

曹 妍，王建钢，闫 波，赵 进

(内蒙古包钢稀土钢板材有限责任公司，内蒙古 包头014010)

为了优化低钢级管线钢的成分设计，降低制造成本，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，以及Mn+Nb/Ti微合金的成分设计对不同厚度L290M/X42M管线钢的化学成分进行了优化，并对试制的管线钢进行了力学性能和显微组织分析。试验结果表明，不同化学成分设计的管线钢都具有较高的强度和良好的塑性，性能指标不仅能满足GB/T 14164标准要求，而且已达到了API SPEC 5L标准规定的L320M/X46M级别管线钢的强度与塑性。

管线钢；L290M/X42M；热轧钢带；化学成分；优化

1 L290M/X42M管线钢化学成分设计

C在钢中的作用是提高强度，但碳含量过高会降低钢的塑性和冲击韧性，还会降低钢的耐大气腐蚀能力，重要的是C对钢的焊接性有着负面影响，所以大多数钢产品规范中对碳含量都制定了上限要求。对于管线钢来说，碳当量Ce和裂纹敏感系数Pcm是钢管焊接性和焊缝撕裂的重要控制指标，而碳含量的高低会直接影响到该指标[1]。因此，在管线钢的成分设计中有必要采用低碳设计。

Mn作为脱氧除S元素，能够提高Si和Al的脱氧效果，其与S结合生成MnS，从而在相当大的程度上能够消除S的有害物质。Mn在管线钢中作为有益元素，起着重要的作用，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和C的比值还可以影响钢的韧脆转变温度[2-3]。此外，Mn对钢的抗HIC性能也有影响[4-5]，根据管线钢厚度和强度的不同要求，钢中Mn的质量分数一般控制在1.1％～2.0％。

Si在钢中作为还原剂和脱氧剂，脱氧后以硅酸盐作为炉渣除去，但是残留硅能溶于铁素体中使铁素体强化，从而提高钢的强度和硬度，所以镇静钢中Si的质量分数一般为0.15％～0.30％。

S和P在管线钢中为有害元素，它们来自于矿石和生铁等炼钢原料，炼钢时难以完全清除。S容易产生热脆，可以通过Mn与S的比值来控制，在钢中优先形成MnS以避免FeS的生成，从而产生严重偏析。S对管线钢焊接性能有不良影响，容易导致焊缝热裂，在焊接过程中，S易于氧化生成SO2，使焊缝中产生气孔和疏松。P容易使钢产生冷脆，增大了钢的强度和硬度，但会使钢韧性降低，低温时脆性现象更为严重。

管线钢中除添加5大元素外，Al和Ca也是成分设计上必不可少的。Al作为强脱氧剂部分与氧形成Al2O3或含有Al2O3的夹杂物，部分溶于固态铁中随加热和冷却的不同，形成AlN，可阻止奥氏体晶粒的长大，同时减弱或消除钢的时效现象[6-7]。Ca在钢中主要起净化作用，减少钢中高熔点夹杂物的生成，通过钙处理对夹杂物形态进行控制[8-9]，减少或防止水口结瘤。

依据相关标准和用户技术条件，针对不同的产品厚度进行管线钢成分设计，进而优化成本。厚度＜15mm的热轧钢带化学成分见表1，厚度≥15mm的热轧钢带化学成分见表2。

表1 厚度＜15mm的L290M/X42M管线钢的化学成分％

表2 厚度≥15mm的L290M/X42M管线钢的化学成分 ％

2 生产工艺流程

L290M/X42M管线钢生产工艺流程如图1所示。在L290M/X42M生产过程中，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。用较低的开轧和终轧温度，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，改善表面质量。

图1 L290M/X42M管线钢生产工艺流程

3 试验结果与分析

3.1 夹杂物评级

生产的L290M/X42M管线钢中非金属夹杂物评级的检验结果见表3。

表3 L290M/X42M管线钢非金属夹杂物评级结果

3.2 拉伸性能

由于焊接钢管和热轧钢带之间存在包辛格效应[10]，结合产品标准和客户需求，L290M/X42M管线钢验收标准为：屈服强度330～495MPa，抗拉强度 415～760MPa，伸长率 A≥25％或 A50≥30％。在L290M/X42M板卷1/4处取矩形试样，以厚度为6.4mm和15.75mm热轧钢带为例，厚度为6.4mm钢带分别以横向和沿轧制方向45°取样；厚度为15.75mm钢带分别以横向和沿轧制方向30°取样。按照ASTM 370进行各方向拉伸试验，拉伸性能结果如图2所示。从图2可以看出，试验钢带拉伸性能合格并存在各向异性，横向取样时拉伸性能最高，延伸率无明显变化。试验结果说明，包钢稀土钢板材有限责任公司生产的L290M/X42M管线钢热轧钢带拉伸性能明显高于标准值，满足直缝焊管和螺旋焊管用钢的强度需求。

图2 不同壁厚L290M/X42M管线钢热轧钢带拉伸性能对比

3.3 冲击韧性

在L290M/X42M钢带1/4处取夏比冲击试样，按照GB/T 229进行夏比冲击试验，其横向和沿轧制方向30°取样时系列温度的夏比冲击试验结果如图3所示。从图3可以看出，试样冲击性能存在各向异性，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的趋势。试验结果说明，包钢稀土钢板材有限责任公司生产的L290M/X42M管线钢热轧钢带，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技术条件。

图3 L290M/X42M管线钢热轧钢带不同温度冲击试验结果

3.4 显微组织

试验取样方向与轧制方向垂直，材料金相组织为均匀分布的铁素体+少量珠光体，铁素体晶粒度分布在8.5～9.5级之间，带状组织评级为1.5～2.0级。以厚度为15.75mm的钢带为例，距钢带表面1/4处以及钢带心部的金相组织如图4所示。图4中晶粒度为9级，无异常组织存在。

图4 15.75mm厚L290M/X42M热轧钢带显微组织

4 结 论

(1)试验结果表明，包钢稀土钢板材有限责任公司研制的L290M/X42M管线钢的强度不仅满足 GB/T 14164—2013、美国API APEC 5L标准，而且已达到了API SPEC 5L标准规定的L320M/X46M级别管线钢的强度与塑性，体现了采用C-Mn-Ti/Nb系铁素体+少量珠光体钢设计和采用热机械轧制工艺(TMCP)的最佳匹配。

(2)LF炉精炼处理能显著降低钢中的夹杂物，低温大压下量轧制和轧后快速冷却显著细化了钢的晶粒度，保证了钢的强度和塑性。

(3)钢中添加了Nb和Ti微合金，起到抑制晶粒长大以及沉淀强化的作用，使钢的强度和韧性大大提高。从试验结果中也可以看出，加Nb对钢的性能强化作用大。

[1]API SPEC 5L，管线钢管规范[S].

[2]郝瑞辉，高惠临，丛晖，等.合金元素在管线钢中的作用与控制[J].上海金属，2006，28(6)：58-62.

[3]齐俊杰，黄运华，张跃.微合金化钢[M].北京：冶金工业出版社，2006.

[4]战东平，姜周华，王文忠，等.高洁净度管线钢中元素的作用与控制[J].钢铁，2001，36(6)：67-70，78.

[5]王雷川.高级别管线钢精炼洁净度控制[J].商情，2013(51)：396.

[6]李玲.低碳钢时效现象剖析[J].轧钢，1996(3)：31-32.

[7]O祝桂合，小野寺龙太.低碳钢的屈服与时效现象的新探索[C]//中国金属学会2003中国钢铁年会.北京：中国金属学会，2003：826-831.

[8]夏春祥.钙处理钢中夹杂物行为的研究[J].武钢技术，2012，50(3)：8-12.

[9]马文，孙彦辉.钙处理对钢中非金属夹杂物行为的影响[J].钢铁研究，2013，41(02)：13-15.

[10]李延丰.管线钢管的包辛格效应与质量[J].焊管，2000，23(1)：1-3.

L290M/X42M Pipeline Steel Chemical Composition Optimization Design

CAO Yan,WANG Jiangang,YAN Bo,ZHAO Jin
(Inner Mongolia Rare Earth Steel Plate Co.,Ltd.of Baotou Steel(Group)Corp.,Baotou 014010，Inner Mongolia，China)

In order to optimize composition design of low steel grade pipeline steel,reduce manufacturing cost，it optimized chemical composition of different thickness L290M/X42M pipeline steel,by adopting low rolling temperature，large rolling reduction，fast cooling after rolling TMCP thermal mechanical rolling technology and Mn+Nb/Ti microalloy chemical composition design，furthermore，it carried out mechanical properties and microstructure analysis on the manufactured pipeline steel.Test results indicated that the pipeline steel with different chemical composition design all possess high strength and good plasticity，the performance index can not only meet the requirements of GB/T 14164 standard，but also reach the strength and toughness of L320M/X46M level specified in API SPEC 5L.

pipeline steel;L290M/X42M;hot rolled steel strip;chemical composition;optimization

TG113

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.09.014

曹 妍(1984—)，女，工学学士，轧钢工程师，主要从事轧钢技术的研发工作。

2016-05-20

李 超