低硬度X70M管线钢卷材的开发

孔祥磊 黄国建 吴成举 徐 烽 栗 锐

(1.海洋装备用金属材料及其应用国家重点实验室，辽宁 鞍山 114009； 2.鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山 114009;3.鞍钢股份有限公司，辽宁 鞍山 114021)

X70M管线钢已成为国内外重大管道工程建设的主流用钢[1- 2]，技术指标一般根据管线钢规范(API SPECIFICATION 5L)[3]确定，并视工程的具体要求适当调整。硬度是主要的性能指标之一，API SPECIFICATION 5L规定钢管硬度≤345 HV10，国标(GB/T 14164—2013)[4]规定卷材硬度≤260 HV10，中石油通用技术标准[5- 6]规定卷材硬度≤255 HV10、钢管硬度≤275 HV10，中石化通用技术标准[7- 8]规定卷材硬度≤250 HV10、钢管硬度≤265 HV10。

鞍钢承接的出口印度的某管道工程用X70M管线钢热轧卷材，技术协议中提出了苛刻的≤230 HV10的硬度要求，并要求确保钢管硬度≤248 HV10。为此，需要设计更为经济合理的化学成分和生产工艺。本文简要介绍了鞍钢成功研制的低硬度X70M管线钢卷材的成分、性能特点和应用。

1 技术要求

该工程用X70M管线钢卷材规格为15.9 mm×1 450 mm，成分要求见表1。化学成分的显著特点为大幅度降低了锰的上限值，而在通用技术标准中，X70M钢中锰含量的上限为2.00%(质量分数，下同)。常规生产螺旋埋弧焊钢管用卷材时，一般添加1.70%左右的锰。

表1 X70M管线钢卷材的化学成分要求 (质量分数)Table 1 Chemical composition requirements for the X70M pipeline steel coil (mass fraction) %

力学性能要求见表2。卷材拉伸试样取样方向与轧制方向成30°夹角。有关研究[9- 11]指出，采用热机械轧制(TMCP)生产的管线钢卷材，由于显微组织沿轧制方向拉长和相变过程中产生热轧织构，导致与轧制方向呈30°夹角的方向的强度值几乎最低，因此设计X70M钢卷材时，高强度是必要条件。但强度和硬度存在正比关系，而本项目X70M钢硬度的上限值被严格限制，如何保证同时满足强度和硬度要求是本文研究的重点和难点。

表2 X70M管线钢卷材的力学性能要求Table 2 Mechanical property requirements for the X70M pipeline steel coil

2 产品设计

2.1 成分设计

采用C- Mn- Cr- Nb系成分，并充分利用合金元素控制组织和细化晶粒的作用，主要成分的目标值见表3。

(1)碳：强化效果明显且最为经济。但为了保证钢的低温韧性、可焊接性等，碳的添加量不宜超过0.08%，否则易因碳偏析而产生带状组织，造成该部位硬度高于技术要求。

(2)锰：主要起固溶强化作用，又能扩大γ相区， 由于降低γ→α转变温度而细化相变组织。但锰也易偏析，导致产生偏析带而影响产品硬度和断裂韧度。

(3)铌：主要是通过应变诱导析出NbC阻碍形变奥氏体的回复、再结晶，降低相变温度[12]，使未再结晶区的形变奥氏体转变为细小的针状铁素体，以提高强度和韧性。同时与碳、氮结合，形成细小弥散的第二相，起析出强化作用。

(4)铬、钼：主要是使钢在γ→α转变过程中获得针状铁素体，并改善低温韧性和耐蚀性。钼的作用更明显，但价格偏贵。铬会明显提高钢的抗拉强度导致硬度超标，为此将二者共同加入钢中。

表3 X70M管线钢卷板化学成分的目标值(质量分数)Table 3 Target values of chemical composition for the X70M pipeline steel coil (mass fraction) %

2.2 生产工艺

本文研制的低硬度X70M管线钢卷材采用纯净钢冶炼工艺连铸和TMCP轧制技术，主要生产流程为铁水预处理→转炉冶炼→炉外精炼(RH+LF+钙处理)→连铸→加热→轧制→层流冷却→卷取。

2.2.1 冶炼连铸

采用纯净钢冶炼工艺，经转炉冶炼和炉外精炼，达到硫、磷、氧、氢、氮等杂质元素的含量最低和夹杂物球化、细小弥散的效果。保护浇注铸坯，铸坯厚度170 mm，凝固过程的冷却速率大，二次枝晶间距小，有利于组织细化。

2.2.2 轧制冷却

将铸坯充分加热至其完全奥氏体化，但加热时间不宜过长，否则易造成晶粒粗大。随后两阶段控制轧制，粗轧使奥氏体晶粒细化，精轧采用低温、大压下量，使得奥氏体晶粒充分扁平化并积累充足的相变能量，合理控制冷速和终冷温度以获得细小均匀的针状铁素体组织。冷速低、终冷温度高易生成更多的多边形铁素体，造成强度不足；冷速高、终冷温度低易生成板条贝氏体或马氏体，导致硬度偏高。

3 产品质量及应用

2017年，鞍钢研制成功低硬度X70M管线钢热轧卷材，并在鞍钢股份2150ASP机组批量生产了5.47万t，在国内某钢管厂制成φ762 mm螺旋埋弧焊管，全部出口印度用于管道工程建设。

3.1 微观组织

采用莱卡DMI5000M型光学显微镜观察卷材的显微组织，见图1，为针状铁素体+M- A组元，晶粒细小(ASTM 13级)，带状组织轻微(0.5级)，夹杂物完全球化(D类，0.5级)。这种细小均匀的针状铁素体组织特征确保了X70管线钢具有高的强度和良好的韧性。

图1 15.9 mm厚X70M管线钢卷材的(a)显微组织、(b)晶粒大小、(c)带状组织和(d)夹杂物Fig.1 (a) Microstructure, (b) grain size, (c) banded structure and (d) inclusion in the 15.9 mm- thick X70M pipeline steel coil

在用薄膜法制样后，采用Tecnai G220型透射电镜观察显微组织和位错，见图2，可见针状铁素体中有大量高密度位错。用复型法制样后，利用透射电镜观察析出相形貌并检测其成分，见图3。试样中第二相粒径基本小于150 nm，其中大部分粒径为40～100 nm，均匀分布在基体中。能谱分析表明，析出相为(Nb,Ti)(C, N)。在钢卷温度下降的过程中，首先析出方形Ti(C, N)粒子，一般大于40 nm。随着温度进一步下降，在Ti(C, N)粒子附着析出Nb(C, N)，粒径进一步增大。随着冷速提高，会析出部分粒径小于30 nm的Nb(C, N)粒子。这些微小的析出相起到了阻止奥氏体晶粒长大和抑制奥氏体再结晶的作用，使变形奥氏体中存在高密度的位错和变形带，从而有效细化晶粒，提高管线钢的强度和韧性。

3.2 力学性能

低硬度X70M管线钢卷材批量生产的工艺和过程控制良好，产品性能合格率达100%，原品种成材率为95.3%，各项力学性能指标的过程控制能力指数(Cpk)均大于1.33。

图2 15.9 mm厚X70M管线钢卷材中的针状铁素体和位错Fig.2 Acicular ferrite and dislocations in the 15.9 mm- thick X70M pipeline steel coil

3.2.1 卷板的主要力学性能

统计表明(见表4)，鞍钢生产的15.9 mm 厚X70M热轧卷材的各项性能指标完全符合工程项目技术规格书、数据单文件和制管厂技术协议。

表4 X70M 管线钢卷材的力学性能Table 4 Mechanical properties of the X70M pipeline steel coil

3.2.2 卷材不同方向的力学性能

按ASTM A370标准，分别在与轧制方向平行、与轧制方向成30°和90°夹角的方向对卷材取样并进行拉伸试验，结果列于表5。应力- 应变曲线均为Round- House型，为典型的针状铁素体组织特征。表5数据表明，卷材各向异性较为明显，横向强度值明显高于其他方向，与轧制方向成30°夹角的方向的强度最低，因此在产品设计时必须考虑到测定力学性能试样的取样方向。

3.2.3 冲击和落锤试验

按ASTM A370和API RP 5L3标准分别对X70M卷材进行冲击和落锤检验(按协议规定取样方向均为与轧制方向成30°夹角)，结果见表6。落锤试样断口形貌见图4(a)，从左至右检验温度依次为-60～20 ℃，图4(b)为-20 ℃试验试样的断口微观形貌，为典型的韧性断裂。

表5 X70M管线钢卷材不同方向的力学性能Table 5 Mechanical properties of the X70M pipeline steel coil in different directions

表6表明，-30 ℃落锤性能仍符合标准要求，-60 ℃的冲击吸收能量大于200 J，韧脆转变温度低于-60 ℃，产品的低温断裂韧性良好。

3.3 钢管性能

鞍钢X70M管线钢卷材发往国内某钢管厂，采用螺旋埋弧焊制成了φ762 mm钢管，性能全部合格，见表7。钢管拉伸性能与卷材相比，屈服强度平均降低18 MPa，抗拉强度和断后伸长率基本一致，屈强比略有降低。

4 结论

表6 X70M管线钢卷材的冲击和落锤性能Table 6 Impact property and DWTT property of the X70M pipeline steel coil

图4 X70M管线钢卷材落锤试样的断口形貌Fig.4 Fractographs of DWTT sample of the X70M pipeline steel coil

表7 X70M 管线钢钢管的力学性能Table 7 Mechanical properties of pipes made from the X70M pipeline steel coil

鞍钢采用纯净钢冶炼工艺、TMCP轧制工艺研制的C- Mn- Cr- Nb系X70M管线钢卷材具有低硬度、高韧性、易焊接等特点，显微组织为针状铁素体，晶粒细小均匀，位错密度高，并有大量(Nb,Ti)(C, N)粒子弥散析出，强化机制为细晶强化、位错强化和析出强化，产品各项性能指标完全满足API SPECIFICATION 5L标准和有关工程技术协议的要求。采用螺旋埋弧焊接工艺制成的φ762 mm×15.9 mm钢管，其技术指标全部合格。

低硬度X70M管线钢热轧卷材的成功开发和批量生产，满足了当前国内外管道建设的需求，提高了鞍钢高级别管线钢的市场竞争力，具有极大的经济效益和社会效益。