热连轧生产厚规格X80管线钢的静态再结晶行为及工艺优化

刘文斌  康永林  牛 涛  李 彬

摘 要 通过双道次压缩实验对首钢迁安公司2160热连轧生产的厚规格X80 管线钢形变奥氏体静态再结晶行为进行了研究, 依据实验规律对生产工艺进行了改进与优化. 通过力学拉伸、冲击及落锤实验, 对改进工艺后生产的X80钢的综合性能进行了检测, 利用光学显微镜、扫描电镜和透射电镜对X80钢卷显微组织进行了观察分析. 结果表明: 变形温度是影响奥氏体静态再结晶行为的主要因素; 微合金碳氮化物的析出抑制了再结晶的进行, 使软化率曲线出现了平台; 利用实验结果回归计算出了X80管线钢的静态再结晶激活能为380 kJ# mol- 1, 并根据文献研究讨论了结果的合理性. 通过工艺改进与优化, 所生产X80钢卷的显微组织细小均匀, 呈现典型的针状铁素体特征; 析出相中主要包含复合的(T ,i Nb) ( C, N )以及单个的NbC; X80钢卷棒状试样的拉伸性能较相关标准均有较大富余量, 尤其在冲击、落锤性能方面表现出了良好的低温韧性.

关键词 管线钢; 连续轧制; 静态再结晶; 组织; 力学性能

作为我国21世纪的又一项重大工程, 西气东输二线管道工程的启动使我国的高级别管线钢发展事业上升到一个新的台阶. 管线设计压力高达12MPa, 其中4 945 km的干线全部采用X80 高强度管线钢. 目前X80螺旋埋弧焊采用热轧卷板的最厚规格( 1814mm), 且综合力学性能要求严格, 产品规格和性能要求代表着X80热轧板卷的最高水平^{[ 1 ]} .管线一旦建成, 将成为全球最长、输气量最大的单期工程, 并成为日趋完善的中国天然气管网的主梁^{[ 2]} .

以往的文献资料中虽然对实验室试制X80管线钢[ 3] 以及现场生产薄规格产品( 16mm ) ^{[ 4 ]}的组织性能进行了部分研究, 但厚规格X80 管线钢( 1814mm)既要保证钢的强度, 同时还要保证优良的低温韧性和抗动态撕裂能力, 对控制轧制工艺的各关键环节的控制, 以及轧后冷却控制提出了更为严格的要求, 要实现大批量的稳定生产具有很大的难度. 再结晶规律对产品的最终组织与性能都具有至关重要的作用, 但在以往的管线钢组织性能研究中未能得到足够的重视^{[ 5226 ]} . 因此, 本文结合2160 宽带钢热连轧生产线生产X80管线钢的工艺, 基于以往的研究^{[ 7 ]}基础, 在道次变形量与变形速率等实验参数方面进行了改进, 更加符合现场实际生产条件. 通过对再结晶规律的研究以及工艺的优化, 所生产的X80 管线钢组织性能有了明显改善, 目前已为西气东输二线供货35 万t, 产品性能良好, 并为企业带来了显著的经济效益与社会效益.

1 实验材料及方法

采用API标准试样对工艺改进后的批量生产产品进行力学拉伸、冲击及落锤性能检测. 在成品卷上取样, 经研磨抛光后采用4% 硝酸酒精溶液浸蚀,利用光学显微镜观察板厚1 /4处的显微组织. 分别采用电解双喷与碳复型萃取的方法制取透射试样,并在JSM 2000透射电镜下观察其显微结构与析出粒子形貌与分布.

2 实验结果分析与讨论

211   X80管线钢的静态再结晶行为

21111  静态再结晶百分数

由双道次压缩实验得到不同实验参数下的应力22应变曲线, 并确定相应温度下道次间歇时间内的软化率, 研究方法主要有卸载法、后推法和平均流变应力法等. 本文采取应力补偿法, 真应变值取0102.采用应力补偿法计算静态再结晶百分数X_S:

X_S =（R_m - R₁）/（R_m - R₂）     ( 1)

式中, Rm 为第1次加载结束时的应力, R1 为第1次加载时的屈服应力, R2 为第2 次加载时的屈服应力. 根据上式计算出各个温度在不同道次间隔时间内的静态百分数, 并据此绘出静态动力学曲线.

不同工艺参数对X80管线钢静态再结晶百分率的影响如图2 所示. 由实验结果可以看出, 在相同的道次间歇时间内, 随着温度的上升, 再结晶分数有了明显的提高. 通常认为静态百分数X_S = 15% ~20%时开始发生再结晶, 静态软化率X_S \ 90% 时就可以认为完成完全再结晶. 因此在较低温度下, 如950 e 和1000 e 时, 100 s的间歇时间内都未达到完全再结晶. 950 e 的软化率曲线出现了平台, 说明微合金元素碳氮化合物的析出先于再结晶过程, 从而导致位错的迁移和亚晶界、晶界的迁移受阻, 阻碍了再结晶的进行^{[ 8]} . 在较高温度下, 如1 050 e 和1 100 e 时, 软化率增长很快, 在很短的道次间隔时间内就达到了完全再结晶.

21112 静态再结晶动力学模型及激活能

X80 钢的奥氏体静态再结晶的动力学可用Avram i方程描述^{[ 9}] :

X_S = 1- exp[ - 01693( t /t₀₁₅ )ⁿ ]    ( 2)

式中, X_S 为再结晶百分数, t为时间, t_{01 5}为再结晶百分数为50%时的时间, n 为与材料有关的常数. t₀₁₅可用下式表示:

t_{01 5} = AE^p E^{# q}D^s exp(QSRX /RT )   ( 3)

式中, D 为晶粒尺寸, Lm; Q_SRX为静态再结晶激活能, J# mol^{- 1}; R 为气体常数, 取值81314 J# mol^{- 1}#K^{- 1}; A、p、q和s为常数.对式( 3)两边取对数, 有

lnt₀₁₅ = lnA+ p lnE+ q ln E^# + slnD + Q_SRX /RT    ( 4)

由上式可见, 再结晶激活能Q_SRX /R 为lnt₀₁₅与1 /T 关系的斜率. 由实验结果确定不同变形参数下的t_{01 5}值, 并对lnt_{01 5}与1 /T 进行线性回归得n =01443, 相关系数R = 01925, X80管线钢的静态再结晶激活能Q_SRXU 380 kJ^#mol^{- 1}.

金属的静态再结晶激活能Q_SRX与变形条件基本无关, 而钢的化学成分影响再结晶激活能^{[ 10]} . 钢种的化学成分对静态再结晶有显著的影响, 主要是通过化学成分影响激活能Q_SRX来实现的. 用化学成分经验公式法求静态再结晶激活能Q_SRX. 再结晶激活能与钢种化学成分的关系如下所示:

Q_SRX = 124 714+ 28 385168[Mn] +64 716168[ Si] + 7 2771540[Mo] +76 830132[T i] ⁰¹¹²³ + 121 100137[Nb] ^{01 1}      ( 5)

计算的X80管线钢静态再结晶激活能Q_SRX约为330 kJ#mol^{- 1,} 与实验结果相比略低, 这一点在其他有关铌钢再结晶激活能研究中的规律相同^{[ 11]} .在邹天来等^{[ 12]}的研究中, 成分为C 01024%,Nb 01099% 的高铌管线钢的静态再结晶激活能为338 kJ#mol^{- 1}; 而在周晓峰^{[ 13]} 的研究表明, C含量的增加可以增加静态再结晶激活能. 本文的实验材料Nb含量与0199% 接近, 而C含量约为0106% , 因此静态再结晶激活能比338 kJ#mol^{- 1}略高, 说明实验结果是合理的.

212   X80管线钢的组织性能

在管线钢的控制轧制过程中, 静态再结晶的发生将导致前期变形过程产生的位错消失, 从而不利于变形的积累. 因此, 在轧制过程尤其是精轧过程中控制变形奥氏体的静态再结晶行为, 对组织细化和均匀化程度的提高以及混晶等组织缺陷的避免十分重要. 在X80管线钢的开发初期, 试制的产品中经常出现组织混晶的现象, 导致了低温韧性尤其是落锤性能的不合格. 通过上述研究, 对现场的工艺制度进行相应调整, 如降低第2阶段开轧温度、加快轧制节奏以及缩短道次间歇时间, 产品的组织性能得到了显著的改善.

21211  X80管线钢的显微组织特征

如图3( a)、( b)所示, X80管线钢的显微组织呈现典型的针状铁素体特征: 晶界方向各异, 每个晶粒都有各自的生长方向, 呈混杂分布状态^{[ 14]} . 组织细化与均匀化程度都很高, 平均晶粒尺寸均在5Lm左右; 组织中细小的M /A岛弥散分布于铁素体晶界上或晶粒内部, 形状呈规则的球形, 尺寸多为1~ 2Lm.研究表明, 适当提高细小M /A岛的体积分数不仅对强度的提高起到了良好的辅助作用, 同时细小弥散分布的M /A岛状组织能阻碍位错运动和疲劳裂纹扩展, 不易因应力集中而诱发裂纹, 并使其长度小于裂纹失稳扩展的临界尺寸, 可提高钢材的强度和DWTT 值^{[ 1 52216]} . 在透射电镜下观察组织的精细结构, 如图3 ( c)所示, 针状铁素体板条组织的内部和晶界处可以观察到高密度的位错以及在位错上析出的第2相粒子, 基体组织主要以块状铁素体和板条铁素体为主, 板条大小从几百纳米到几纳米不等; 板条铁素体的晶体学方向各异, 有利于抵抗裂纹的扩展, 提高止裂韧性. 高密度的位错结构不仅有利于提高针状铁素体的强度, 还有助于材料在受到外力而发生变形时在裂纹的尖端产生发射位错, 形成位错的胞状结构,及时钝化裂纹, 使裂纹扩展受阻, 从而对提高其强韧性非常有利^{[ 1 7]} .

如图4所示, X80管线钢中的析出粒子分布弥散, 大多数粒子尺寸细小. 粒子形貌主要是方形和椭球形, 少数呈长条形或不规则形状. 如图4( b)所示, X80管线钢中典型的析出粒子形貌可以分为两种: 一类为复合析出类型, 形貌上主要表现为方形的粒子一侧或周围复合析出球形或椭球形的粒子, 能谱分析表明其主要为高温析出的T iN粒子以及在其一侧复合析出的球状NbC; 另一种尺寸较小的单个析出粒子呈较规则的方形或球形, 主要是NbC粒子. 大量细小析出物的析出强化为X80管线钢的强度提高起到了十分重要的作用.

21212   X80管线钢的力学性能

图5为现场生产的53 批次X80级板卷30b取样方向的棒状试样拉伸实验统计结果. 结果表明:板卷屈服强度平均值574MPa, 较标准要求555MPa富裕近20MPa; 抗拉强度平均值676MPa, 富裕量达到了50MPa以上; 与标准要求的0194相比, 屈强比富裕量较大, 平均值在0185左右.

图6为板卷30b方向- 20 e 夏比冲击韧性与- 15 e 落锤性能统计结果. 冲击功最低293 J, 最高425 J, 平均362 J, 远高于标准要求的240 J; DWTT剪切面积除极少数为85% 以外, 大部分值都达到了100% , 产品的低温韧性十分良好.

3 结论

( 1) 在Gleeb le 2000试验机上进行了X80管线钢的双道次压缩实验, 对不同变形参数下道次间歇时间内奥氏体的静态再结晶软化过程进行了分析.结果表明: 变形温度是影响奥氏体静态再结晶行为的主要因素; 在变形温度较低时, 微合金碳氮化物的析出抑制了再结晶的进行, 使再结晶曲线出现了平台.

( 2) 利用实验结果回归计算出了X80管线钢的静态再结晶激活能为380 kJ#mol- 1. 根据以往的相关文献研究分析, 实验结果是合理的.

( 3) 对钢卷显微组织及析出相进行了观察分析. 结果表明: X80钢卷的显微组织呈现典型的针状铁素体特征, 析出相主要包含复合的(T,i Nb) ( C,N)以及单个的NbC; 高密度位错以及相互交错的晶界分布为X80管线钢强韧性匹配提供了保障, 大量细小第2相粒子的析出强化为强度提高起到了十分重要的作用.

( 4) 对工艺改进后批量生产的X80钢卷的综合性能进行了检测. 结果表明, X80钢卷棒状试样的各项力学性能尤其是低温韧性良好.

参 考 文 献

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