国内管线钢生产技术现状分析

我国管道建设正处于大力发展阶段，因此管线钢的发展也非常迅速。20世纪50~70年代管线钢主要采用A3钢和16Mn钢；70年代后期和80年代采用从日本进口的TS52K钢（相当于X52级钢）；90年代，管线钢主要采用的X52、X60、X65级热轧板卷主要由宝钢和武钢生产供应。“八五”期间成功研制和开发了X52~X70级高韧性管线钢，并逐步得到广泛应用。西气东输工程采用了X70级管线钢。目前针对X80高钢级管材的研究和应用，石油部门与冶金部门联合开展了10余顶国家基础研究与攻关、应用基础研究和技术开发项目；其中包括国家“973”项目“高强度管线钢的重大工艺基础研究”，中油集团技术开发项目“X80管线钢管的开发与应用”、“X80管线钢的焊接及高韧性焊材选择”等等。本文针对目前国内管线钢生产技术要求及其标准应用现状进行了系统研究。
1、管线钢的组织分类及其特性
随着合金设计、冶炼水平和轧制工艺的发展，具有不同特性、适用于多种条件的管线钢已经生产，它应用了微合金钢发展的一切成果。铁素体-珠光体组织为第一代微合金管线钢，强度级别X42-X70；针状铁素体管线钢为第二代微合金管线钢，强度级别范围可覆盖X60-X90。其中管线钢的组织结构是决定其使用性能和安全服股的内部根据。目前，按照组织形态归类，管线钢具有以下3种典型的类型：
（1）铁素体-珠光体钢和少珠光体钢
60年代后期在国外发展起来的第一代管线系列钢（X52-X70强度级），称为铁素体 珠光体管线钢。它以高纯净（S≤0.010%，N≤60ppm，N O P S≤150ppm）和细晶粒（10~15μm）的铁素体 （5%~15%）珠光体为基体，综合使用微量碳（C 0.05%~0.10%），微量的铌，钒，钛（Nb V Ti≤0.12%）。国产的X52-X65级管线钢为控轧C-Mn-Nb-Ti或C-Mn-Nb-Ti-V系列铁素体-珠光体型微合金钢。少珠光体管线钢的典型化学成分有Mn-Nb，Mn-V，Mn-Vb-V等。一般含碳量小于0.1%，铌、钒、钛的总含量小于0.10%，代表钢钟是60年代末的X56、X60和X65。这类钢突破了传统铁素体-珠光体钢热轧正火的生产工艺，进入了微合金化钢控轧的生产阶段。具有铁素体-珠光体和少珠光体的管线钢，通过采用微合金化和控制轧制等强化手段，在保证高韧性和良好焊接性的条件下，可将20mm的宽厚板提高到500~550MPa的极限水平。
（2）针状铁素体和超低碳贝氏体钢
典型成分为C-Mn-Nb-Mo，一般碳含量小于0.06%。为了把碳当量保持在较低水平上，强度在X70级以上的制管带钢必须采用贝氏体铁素体组织，钼合金化是获得这种组织最成功的技术。依靠成分调整，降碳、提锰和添加钼以及轧后采取较高的冷却强度，易形成这种贝氏体类型的铁素体组织，是X65-X80级高强度韧性管线钢的主要成分规范。针状铁素体钢通过微合金化和控制轧制，综合利用晶粒细化、微合金化元素的析出相与位错亚结构的强化效应，可使钢的屈服强度达到650MPa以上，-60℃的冲击韧性达80J。
针状铁素体管线钢是西气东输工程选用的管线钢种。这种钢从合金设计、冶炼工艺、轧制工艺到管材显微组织状态都与第一代的管线钢不同。该钢特征是进一步提高纯净度（C≤0.05%，S≤0.005%，P≤0.010%，N≤30ppm，P S N≤100ppm），使用钙处理硫化物，在连铸过程中采用电磁搅拌和动态软压下措施。在钢的基体中加入微量钼（0.2%~0.4%）以促使针状铁素体的形成，并用适量铜、镍、铬强化基体；在高温动态再结晶临界温度上下温度区间进行控制轧制，通过在线强制加速冷却，进一步细化晶粒度（平均3~8μm），使其铁素体基体的均匀化程度提高，位错密度增加。这种钢具有比铁素体-珠光体型管线钢更好的焊接性能（Pcm≤0.20），其对脆性断裂，硫化氢或二氧化碳引起的阳极腐蚀（点蚀），应力腐蚀（SCC），硫化氢应力腐蚀断裂（SSC），氢诱发裂纹（HIC），延性断裂（DDF）六个方面的“抗力”要比其它钢种高得多。
超低碳贝氏体钢在成分设计上，选择上碳、锰、铌、钼、硼、钛的最佳配合，从而在较大冷却速度范围内部都形成完全的贝氏体组织。超低碳控轧贝氏体钢的屈服强度可望提高至700~800MPa，因而超低碳贝氏体钢被誉为21世纪的控轧钢。
与铁素体-珠光体和少珠光体管线钢相比，针状铁素体和超低碳贝氏体钢具有不同的强韧化方式。控制针状铁素体或低碳贝氏体强韧性的“有效晶粒”是贝氏体铁素体板条束。铁素体板条束的大小，不但可以借降低再加热温度、形变量和终轧温度等控轧参数来获得，而且还可以通过改变冷却速度等控冷参数来进行控制，因而针对铁素体或超低碳贝氏体钢的“有效晶粒”尺寸将大大细化。
（3）低碳素氏体钢
从长远的观点看，未来的管线钢将向着更高的强韧化方向发展。如果控制轧制技术满足不了这种要求，可以采用淬火 回火的热处理工艺，通过形成低碳素氏体组织来获得。
2、国内管线钢生产技术现状分析
2.1 冶炼
X65/X70级管线钢生产中，首先要进行铁水预处理。铁水预处理是获得低硫和低磷管线钢的经济的冶金方法，它包括脱硫、脱磷和脱硅的“三脱”操作。若原始高炉铁水P≤0.08%、S≤0.04%，以喷镁剂脱硫的效果最佳。预处理后，要求入转炉铁水P：0.06%~0.08%，S≤0.005%。转炉冶炼时，要求顶底复吹少渣冶炼，脱碳升温，在无底吹条件下采用炉后钢包底吹氩，使钢中夹杂充分上浮，也可同时进行喷粉脱磷，以Si-Fe、Mn-Fe、Ca-Si添加的顺序调整成分和最终脱氧。目前在LD转炉中将顶吹和底部搅拌结合起来可以获得低碳和低磷管线钢。采用这种方法可使碳含量达到0.02%~0.03%，磷含量降至0.005%或更低。
2.2 精炼
钢包精炼过程主要涉及到氩或电磁搅伴、真空处理和喷吹处理。钢包精炼除了通过RH真空装置和TN法进行合金成分微调外，还进行杂质元素、气体含量以及氧化物、硫化物形态的精确控制。LF炉精炼使钢水脱硫，控制钢水中磷、硫的含量达到规定的目标；也可以LF RH精炼，控制钢水中磷、硫的含量，同时降低氮、氧含量。脱氧和脱硫是互相关联的，因为只有低的氧含量才能将硫脱到低的水平。精炼的应用可生产出碳含量在0.002%~0.003%，杂质含量达到<0.001%S、<0.003%P、<0.003%N、2~3ppm[O]和<1ppm[H]的洁净钢。
管线钢的精炼工序必不可少，低硫工艺路线是管线钢生产的关键，夹杂物变态处理（钙处理或稀土处理）对提高横向韧性和抗氢诱裂纹腐蚀起决定性的作用。故管线钢生产，应根据不同的成分规范和钢材品种，选用合适的精炼条件的组合，尤要防止钢水二次氧化和连铸过程产生各种缺陷。
（1）真空脱气精炼设备和工艺技术
真空处理设备与LF相匹配的钢包脱气（VD）装置，主要完成对钢水的脱氢、脱氮（由C-O反应去除）、脱硫、合金微调、促使夹杂物聚集上浮等功能。与传统的RH法相比，VD法有充分的渣—金反应，可以对钢水进行深脱硫，经VD处理后钢水的脱硫效率可以达到40%左右。
（2）钢水的渣精炼及再加热设备工艺技术
钢包炉（LF）处理装置与相应容量的转炉相应，主要完成钢水的加热升温、脱氧、脱硫、促使夹杂物上浮去除、合金成分调整等任务，在冶炼和连铸间起缓冲作用。LF与其它精炼的区别在于LF具有很强的渣精炼功能，渣精炼可以实现扩散脱氧、脱硫以及吸附钢水中的夹杂物。由于底吹氩的搅拌作用及电弧的加热形成局部高温，使LF的渣金反应具有很好的动力学条件。LF通常采用埋弧加热，可以保护钢包内衬、减少耐火材料消耗、减少电极消耗和电耗。LF的造渣制度（精炼基础渣和精炼埋弧渣）是完成LF冶金功能的关键技术，合理的造渣制度既能很好地完成脱氧、脱硫等冶金功能，又能实现LF的全程埋弧操作。
目前宝钢经过LF处理的钢水，脱硫效率可以达到60%~80%甚至更高，超低硫钢中硫含量可以达到10×10-6以下，钢水的全氧含量可以达到15~25×10-6。
钢包炉处理过程会造成钢水增碳、增氮、增氢等，宝钢的LF处理过程的增氮量在10×10-6左右，15×10-6甚至更高。故冶炼质量要求高的钢种时，在LF处理结束时，要对钢水进行真空处理，通常采取LF＋VD处理的工艺路线。
2．3 连铸
连铸是目前管线钢生产广泛采用的一项新技术。连铸可提高热轧成材率10%，降低成本8%，而且生产率高，易于进行生产连续化和自动化的控制。连铸的成功经验和自动化的控制。连铸的成功经验是低的过热度、缓流浇注和适宜的二次冷却，采用低频率、高质量的电磁搅拌，可以得到均匀的等轴的凝固区。
在管线钢连铸生产中，如何防止大颗粒夹杂物、成分偏析、表面和内部裂纹，是目前提高材质的首要环节。防止钢水从钢包到中间包以及中间包到结晶器的二次氧化非常重要，一般采用氩气保护，中间包净化技术。此外，连铸坯在1300℃以上时，应避免快速喷水冷却，以免产生表面裂纹。同时，连铸过程中采用电磁搅拌、轻压下技术以及防止液相穴内富集溶质母液的流动等技术对降低合金元素偏析有很大作用。
改善连铸坯的成分偏析，提高管线钢的止裂性能和抗硫化氢腐蚀性能。近年来，我国在高强度管线钢生产中采取了低碳（≤0.06%）、超低硫（≤0.002%）、钙处理以及低的板卷卷取温度等工艺进的、强有力的控制冷却手段来调整铁素体晶粒尺寸、贝氏体类型及其比例、碳氮化物析出相的数量和粒度分布。
管线钢通常都要求采用含Nb的微合金钢，在再结晶控轧的基础上，应变诱导相变和析出的未再结晶控轧，以及（γ α）两相区形变，已成为目前管线钢生产的主要发展方向。控制轧制可显著提高低碳微合金钢的强韧性，尽管两相区轧制可达到较高的强度水平，而最优的韧性还必须通过γ未再结晶区才能获得。
低C-Mn-Mo-Nb钢具有较优的强度和韧性的配合，对加工条件不甚敏感。采取II型控制轧制，降碳和降铌只稍微改变曲线的位置，而添钼可以抑制铁素体转变、促进贝氏体转变区高温段形成，是一种无碳贝氏体，以扩散和切变的混合形成生成。但对另一些钢种，采用三阶段轧制工艺，既可进一步挖掘金属的内在潜力，又能获得强度和韧性的良好匹配。如管线用钢APIX70-90可以用三阶段控制轧制工艺来生产。经两相区轧制虽可以得到位错、亚结构和织构的强化效应，使钢材的强度得到进一步提高。但由于终轧温度的降低，管线钢的精轧过程是在未再结晶条件下进行，变形抗力要较非控轧钢高30%左右，因而精轧机组的实际轧制力需达3000t以上，才有可能使钢获得热机械处理的效果，这对老式轧机仍然是个问题。为了弥补轧机的这一不足，可在轧机后增设能使卷取温度冷至550℃左右的自动化程度较高的强力层流冷却装置。当然，在强力轧机后设置加速冷却装置，将会相得益彰。传统的TMCP在冷却能力和最终冷却方面得到了发展，这称为“先进的MACS”（“多目的加速冷却系统”）。X80和X100钢板是通过低温强化轧制，随后在低的最终冷却温度下快速冷却使马氏体细化分散而生产出来的。
目前，管线钢的控制轧制和控制冷却已发展到一个新的阶段。热轧过程的计算机控制与热加工物理冶金学相结合，已有可能对轧制过程中温度的变化、显微组织的类型、晶粒的尺寸、奥氏体未再结晶区的积累应变、显微组织的类型、晶粒的尺寸、奥氏体未再结晶区的积累应变、α中的残余应变以及微合金元素的沉淀动力学等进行有效的控制和准确的预测，为开发具有更佳力学性能的管线钢开辟了广阔的途径。

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