首钢集团从2007年开始高钢级管线钢的研发，经过5年时间，首钢已经实现了从B-X100钢级的全覆盖，为国家能源管道工程建设提供了近500万t的优质原材料。其中X80钢级达到110万t，X70钢级达到120万t，积累了大量的管线钢生产经验，对推动中国高钢级管线钢的技术进步有重大意义。
为进一步提高管道输送效率，厚规格、高钢级、高压输送已成为一种发展趋势，厚度规格在25-35mm之间的直缝埋弧焊管开始应用。但随着钢板厚度的增加，钢板表面和心部的不均匀性增加，厚规格管线钢的开发成为制约能源管道建设的一大瓶颈。因此，厚规格管线钢的轧钢生产技术研究，对中国管道工程安全建设意义重大。
首钢集团下属首秦公司是首钢战略性结构调整的重点项目，是首钢集团的中厚板生产基地，配备有国内400mm连铸机、德国4300mm双机架轧机和世界上先进的超快冷UFC设备。其中400mm连铸机采用液面自动控制、自动浇钢、动态软压下等核心技术，中心偏析达到C类0.5级，铸坯质量优异，为生产厚规格管线钢创造了条件。
控制轧制是一种控制变形温度和变形量，细化奥氏体晶粒尺寸的热变形制度，可使钢的奥氏体晶粒尺寸得到显著细化，组织结构得到控制，从而使钢材具有优良的综合性能。通常把控制轧制分为两个阶段，如图1所示。
图1：控制轧制中的组织演变示意图
1）奥氏体再结晶区轧制阶段。这一阶段是在奥氏体变形过程中和变形后自发产生奥氏体再结晶的区域轧制。变形过程中奥氏体发生反复的再结晶，可充分细化奥氏体晶粒。
2）奥氏体未再结晶区轧制阶段。此区间奥氏体不发生再结晶，塑性变形使奥氏体晶粒拉长压扁，晶粒内形成高密度的形变孪晶和变形带，为后续相变增加形核位置，细化晶粒。
1、研究内容
1.1、加热温度与奥氏体化行为
为改善高钢级、厚规格管线钢的低温韧性，必须在发生针状铁素体相变之前，通过优化加热工艺最大限度地细化原始奥氏体晶粒尺寸。在实验室采用热模拟方法，将试样以10℃/s的速度加热，加热温度分别为1100℃、1140℃、1180℃和1200℃，保温时间10min后水淬，观察试样的原始奥氏体晶粒尺寸如图2所示。
图2：不同加热温度奥氏体晶粒尺寸
由图2可见，试样在1140℃以下加热时，奥氏体晶粒尺寸增加缓慢，晶粒细小均匀，平均奥氏体晶粒尺寸小于50μm。当加热温度达到1200℃时，奥氏体晶粒出现明显粗大和不均匀，个别奥氏体晶粒尺寸达到150μm。原始奥氏体晶粒的粗大和不均匀性会遗传到成品钢板相变组织上，直接影响成品钢板的力学性能，尤其是低温断裂韧性。因此，要控制合理的加热温度来抑制奥氏体化过程的晶粒粗化。
1.2、粗轧温度与奥氏体再结晶行为
即使采用了低温加热工艺，保持了加热过程中奥氏体晶粒细化，如果粗轧过程工艺控制不当，也难以使成品钢板得到良好的低温韧性。
粗轧温度对于再结晶动力学和再结晶晶粒尺寸均具有较大影响，提高粗轧温度会加快再结晶过程，有利于获得均匀的奥氏体，但同时会增大再结晶晶粒尺寸和道次间隔中的长大速度，不利于晶粒细化。因此需要通过试验研究找到较好的粗轧温度，以获得充分细化的奥氏体晶粒。
图3为试验钢奥氏体晶粒尺寸随粗轧温度的变化规律。不同粗轧温度都进行10%的压缩变形，然后保温60s。当粗轧温度从1200℃降低到1050℃时，奥氏体晶粒尺寸从105μm迅速减小到约45μm，继续降低粗轧温度，奥氏体晶粒进一步细化，但细化程度趋缓。当试验钢在980℃进行粗轧变形时，奥氏体晶粒细化到30μm左右。
图3：粗轧温度对奥氏体再结晶晶粒尺寸的影响
因此，在厚规格管线钢实际轧制过程中，应适当降低粗轧阶段的轧制温度，尤其是粗轧最后两个道次的轧制温度，以保证奥氏体晶粒明显细化。
1.3、轧制规程与奥氏体细化行为
粗轧和精轧阶段合理的轧制规程分布可明显细化钢板心部奥氏体的晶粒尺寸，提高厚规格管线钢的综合性能。本文对比了两种不同的轧制规程对32mm厚规格X70管线钢心部奥氏体晶粒细化的影响，并对比了其综合力学性能。两种不同的轧制规程分布，主要体现在粗轧最后一道次和精轧最后一道次的压下率，见图4所示。
图4：厚规格X70两种不同的轧制规程分布
由图4可见，第1#轧制规程分布主要强调粗轧最后1个道次和精轧最后1个道次。粗轧道次变形率越来越大，呈上升趋势，最后1道次达到20%以上，精轧最后1道次变形率控制在10%以上；而第2#轧制规程分布主要体现在粗轧阶段的前几个道次，而粗轧最后2个道次和精轧最后2个道次变形率均较小。观察两种不同轧制规程分布下厚规格管线钢板心部的奥氏体组织如图5所示。
图5：不同轧制规程分布下心部奥氏体晶粒
由图5可见，第1#轧制规程分布下钢板心部的奥氏体晶粒明显比第2#轧制规程下钢板更扁更均匀。两种轧制工艺对应的综合性能见下表。
表：不同轧制规程条件对应的综合性能
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变形工艺
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屈服强度/MPa
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抗拉强度/MPa
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-15℃落锤DWTT
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-20℃夏比冲击功
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1#
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530
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630
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95%
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430J
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2#
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525
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625
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80%
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360J
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从上表可见，第1#轧制规程分布条件下钢板的综合性能明显比第2#轧制工艺条件下更优异，尤其是-15℃落锤性能。1#规程下落锤断口如图6所示。
图6：厚规格管线钢1#轧制规程下落锤断口形貌
合理的轧制规程分布，得到了细化的奥氏体晶粒，为产品低温韧性奠定了基础。由图6钢板-15℃落锤断口形貌可见，落锤断口形貌整齐，具有优良的低温落锤性能。
2、结论
针对厚规格管线钢，通过对轧钢生产工艺技术的优化，可有效细化原始奥氏体晶粒尺寸，从而提高厚规格管线钢的综合性能。研究结果表明，通过控制板坯加热温度，可以有效抑制奥氏体化过程的晶粒粗化；粗轧过程980℃的低温轧制可保证奥氏体充分再结晶并明显细化，为精轧后变形奥氏体的充分扁平化创造有利条件；合理分布粗轧和精轧阶段的轧制规程，提高粗轧末道次和精轧末道次的压下率，可明显细化钢板心部奥氏体的晶粒尺寸，避免粗大和不均匀的奥氏体出现，从而提高厚规格管线钢的综合性能，尤其是低温落锤性能。