X70管线钢的成分设计与工艺设计

1.3 铌(Nb)、钒(V)、钛(Ti) 铌是生产管线钢重要的合金元素。微量的铌 可以显著提高奥氏体的再结晶温度，为非再结晶 区提供更加宽的温度空间，能够有效阻止形变奥 氏体的回复和再结晶，有利于奥氏体型变量的积 累。在高温轧制时，钢中细小的 TiN和轧制析出 的 Nb（C、N）及铌的晶界偏聚都可细化奥氏体 晶粒并有效降低钢的 FATT50(℃)。在高温区，铌 主要以固溶原子对晶界的迁移起到拖拽作用，在 低温奥氏体区主要以应变诱导析出的 Nb（C、N） 粒子起到钉扎位错的作用。
X70管线钢的成分设计
钒在针状铁素体中主要以V(C、N)作为低 温析出的沉淀强化相来提高钢的强度。 钛在板坯连铸时可以析出高温稳定弥散的 TiN质点，抑制经反复形变再结晶细化的奥氏 体晶粒粗化过程。阻止热影响区晶粒长大， 显著改善焊接热影响区的韧性，提高钢的焊 接性。
X70管线钢的成分设计
1.4 钼(Mo) 钼可扩大γ相区，推迟先共析铁素体和珠光体的转变， 降低BS点，使针状铁素体在一定的冷却条件和卷取温度下形 成。 1.5 铜(Cu) 铜能够非常有效地提高抗大气腐蚀和显著减少氢质裂纹 产生的能力。这是因为铜在钢中不易发生腐蚀，而以铜元素 的形式沉积在钢的表面，它具有正电位，成为钢表面的附加 阴极，使钢在很小的阳极电流下达到钝化状态；正是这种钝 化膜的形成，减少了氢的侵入，因而阻止了氢质裂纹的产生。


管线钢是指用于输送石油、天然气等的大 口经焊接钢管用于热轧卷板或宽厚板。管 线钢在使用过程中，除要求具有较高的耐 压强度外，还要求具有较高的低韧性和 优良的焊接性能。
管线钢的技术要求

现代管线钢属于低碳或超低碳的微合金化 钢，是高技术含量和高附加值的产品，管 线钢生产几乎应用了冶金领域近20多年来 的一切工艺技术新成就。目前管线工程的 发展趋势是大管径、高压富气输送、高冷 和腐蚀的服役环境、海底管线的厚壁化。 因此现代管线钢应当具有高强度、低包辛 格效应、高韧性和抗脆断、低焊接碳素量 和良好焊接性、以及抗HIC（抗氢致开裂） 和H2S腐蚀。

西气东输工程所用的X70管线钢
X70管线钢的成分设计
1.X70管线钢的成分分析 X70 管线钢本质上是一种针状铁素体型的高韧 性管线钢，不仅具有良好的低温韧性，而且具有良 好的焊接性。其多以低碳或超低碳针状铁素体组织 为特征，使之具有高强度、高韧性、低的包辛格效 应和良好的焊接性能，同时具有高的韧性止裂性能。 X70 管线钢一般采取低碳－锰(Mn)－铌Nb)系为基 础，再适量添加其它的合金元素。
X70 管线钢的轧制工艺设计
虽然可以提高强度，却使韧性下降；冷却速度过小又不 易得到针状铁素体，从而达不到所需要的强度。在 X70管线 钢的 CCT 图(见图 3)中可以看出随着冷却速度的增加，铁素 体开始转变温度 Ac3 降低，从而替代珠光体相变。冷却速度 从 10 /s ℃ 开始铁素体开始明显增加， 并在冷却速度达到 15℃左右时开始形成针状铁素体组织，在冷却速度达到 50 /s ℃ 时，显微组织为完全贝氏体。为了得到较好的强韧比，冷 却速度应该保持在 20 /s ℃ ～35 /s ℃ 之间。

X70管线钢的成分设计
2.X70管线钢的成分设计 根据上述元素的作用并结合管线钢的性 能，我们设计了 X70 管线钢的化学成分(见表 1)。其中反映焊接性能的 Ceq（碳当量 ） 和 Pcm 值较低，符合焊接性能的要求。

X70管线钢的成分设计
X70 管线钢的轧制工艺设计
在生产中，主要从板坯加热温度、变形 量、轧制温度和轧后冷却等方面对X70管线钢 的轧制工艺进行控制。
管线钢的技术要求

优化的生产策略是进步钢的洁净度和组织 均匀性，C≤0.09%、S≤0.005%、P≤0.01%、 O≤0.002%，并采取微合金化，真空脱气 +CaSi、连铸过程的轻压下，多阶段的热机 械轧制以及多功能间歇加速冷却等工艺。 目前国内外管线规范中没有管线用钢材的 韧性指标，仅对管材有具体要求。

X70 管线钢的轧制工艺设计

3. 终轧温度的控制
对于针状铁素体的微合金钢，其强化效果除了通过固溶强化、细晶 强化外，还通过位错强化、沉淀强化等方式来实现。通过降低终轧温 度，可以使奥氏体在形变过程中产生的大量位错得以保留下来，进而 高最终转变产物的位错密度。但终轧温度不宜低于Ar3，否则将进入两相 区轧制，得到不均匀的混晶组织。 综上考虑， X70进行了830℃和810℃ 不同终轧温度下的轧制试验，通过图1和图2中对整卷屈服强度和抗拉强 度的比较，将终轧温度确定为810℃。为了达到所确定的精轧终止温度， 将板坯的出炉温度控制在1 200℃， R2的出口温度为980℃精轧入口温度 ≤960℃，见图1、图2。
X70 管线钢的轧制工艺设计
X70 管线钢的轧制工艺设计
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4.卷取温度的控制 4.1 轧后冷却速度的影响 根据经典的形核理论，铁素体的形核速率可表示为：
(2) (3)
IF=[K1D/(RT)1/2]×exp[－K2/(RTΔG2F)] ΔG≈ΔHαβ (ΔT/Te) 式中：K1—主要与成核地点密度有关的常数； K2—和奥氏体→铁素体界面能有关的常数； ΔGF—铁素体形核驱动力； D—奥氏体中的平衡含碳量； ΔHαβ—相变潜热； ΔT—过冷度； Te—两相平衡温度。
材料的成分设计与工艺设计

材料是人类用于制造物品、器件、构件、 机器或其他产品的那些物质。材料是物质， 但不是所有物质都可以称为材料。如燃料 和化学原料、工业化学品、食物和药物， 一般都不算是材料。但是这个定义并不那 么严格，如炸药、固体火箭推进剂，一般 称之为“含能材料”，因为它属于火炮或 火箭的组成部分。
X70 管线钢的轧制工艺设计
1. 加热温度控制 钢坯的加热温度决定着奥氏体的原始晶粒度和 合金元素的固溶程度，并直接影响钢板的最终性能。 加热温度过高将弱化奥氏体晶粒的结合力，并使晶 粒显著粗化，因此会严重影响形变晶粒的细化效果。 由固溶度积公式来计算钢的再固溶温度，加热温度 应略高于 Nb(C、N)的再固溶温度(30℃～50℃)，铌 的碳氮化物在低碳钢中的析出规律用Irvine 公式表示。

X70 管线钢的轧制工艺设计
X70 管线钢的轧制工艺设计
设计结果
通过对X70管线钢以上成分设计和轧制工艺的设计， 对产品进行检验，得实验结果如下表所示： 1.显微组织 从金相组织照片(见图6)中可以看出X70管线钢 的金相组织为典型的针状铁素体，特征为不规则的 铁素体块。另外，可以看出铁素体块间晶界模糊， 心部为B粒+AF+P，表面为B粒+AF+少量P。 2.机械性能 经检验 X70 级管线钢机械性能满足西气东输标 准，卷板检验结果见表 2。
X70 管线钢的轧制工艺设计
由公式(2)、(3)可见形核驱动力与过冷度成正比，即过冷 度越大，形核驱动力越大，形核率越高，晶粒越细。驱动力 随过冷度的增大而增加。而相变中冷却速度的增大会引起过 冷度的增大，从而影响形核驱动力并导致形核速率的变化。 从显微组织分析上看，在相同的变形条件下，X70 管线钢随 冷却速度的提高，晶粒明显变细，先共析铁素体和珠光体转 变被抑制，组织中开始出现贝氏体和马奥组织等低温转变产 物，进而提高钢的强度。但冷却速度过大，将使针状铁素体 的百分含量过大，

X70管线钢的成分设计
1.1 碳(C) 由于随着含碳量的增加，焊接性恶化，韧性下 降，同时，偏析加剧，抗HIC和SSC(硫应力破裂)的 能力下降。因此，随着管线钢级别的提高，碳含量 应逐渐降低。钢中碳含量在0.06%以下时，HIC敏感 性小；碳含量大于0.06%时，HIC敏感性急剧增加。 随着含碳量的降低，抗H2S应力腐蚀门槛值Rth呈下 降的趋势。

X70 管线钢的轧制工艺设计
lg［(Nb%)(C%＋12N%/14)］=2.26－6 770/T (1) 式中：Nb%=0.07；C%=0.05；N%=0.007；T为绝对温度。 则 t=T－273= 1 178℃。 即理论的再固溶温度为1178℃，为了使合金元素充分固 溶，所以X70管线钢加热温度应为1230℃。均热温度1210℃， 均热时间超过2个小时奥氏体晶粒会迅速长大，所以均热时 间应严格控制在60min～90min，这样也可以满足合金元素固 溶所需的时间。
材料的成分设计与工艺设计

对于任何一种材料，成分决定组织，组织 决定性能。需要什么样的性能，就设计什 么的组织满足它，根据组织就可以设计它 的成分。
在确定材料的成分的基础上，对材料实行 什么样的加工工艺，同样能获得不同的性 能，所以，对于所要求的某种材料，根据 其所要求的条件进行成分和工艺的设计。
X70 管线钢的轧制工艺设计
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4.2 卷取温度的确定 参照对卷取温度与强度、韧性的试验结果(见图 4 和图 5)， 可以看出卷取温度从640℃降到 520℃ 时，强度及韧性有所上升，但低温韧性在停止温度 400℃附近最大，所以在 400～520℃区间停止冷却。 考虑到卷取机设备的安全性和便于卷取，在带钢出 精轧冷却时，投入 5m 干头和 7m热尾 80℃。 根据 以上分析将 X70 管线钢的热轧板材的卷取温度确定 为 520℃。

设计结果
设计结果
设计结论
通过采用低碳－锰(Mn)－铌(Nb)合金系针 状铁素体钢成分设计，热轧工艺上采用控轧 控冷工艺轧制，其成分、组织和力学性能均 符合设计要求。
谢谢！
X70 管线钢的轧制工艺设计
2.变形量的控制 在荒轧区域的轧制过程属于奥氏体再结晶区轧 制，所以要求每道次的压下率应大于临界变形率， 通过不断的再结晶细化晶粒，否则会发生部分再结 晶造成混晶现象，所以在荒轧区域进行多道次大变 形量轧制。荒轧采用3+5道次分配方式，总的压下率 为73.9%，增加最后一个道次的压下率达到26%以 上，这样使奥氏体晶粒得到更充分的破碎。

X70管线钢的成分设计
1.2 锰(Mn) 锰是管线用高强度低合金钢的基础合金元素。 锰可以引起固溶强化，在提高强度同时也提高韧 性，降低钢的脆性转变温度，并能够起到脱硫的作 用，防止热裂。但是锰含量过高会加速控轧钢板的 中心偏析，从而引起钢板力学性能的各向异性，且 导致抗HIC性能降低。

X70管线钢的成分设计