管线钢的高温加工

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1、管线钢的高温加工1)2)KlausHulka和J.M.Gray1NiobiumProductsCompanyGmbH,Germany2MicroalloyingInternational,USA摘要：将管线钢中的碳含量降低到大约0.03%可以改善许多性能，如获得极好的韧性、塑性并易于焊接以及减少偏析（包括板坯中心线区域的偏析），要保证抗酸性介质就必须减小偏析，这些已有定论。此外，降低碳含量可增加碳化铌的固溶度，这样就允许添加高于常规使用的铌含量。最近，在这种低碳管线钢中铌添加量已达到0.1%。含有较高的铌，奥氏体就可以在更高的轧制温度进行加工。这样可以通过延迟奥氏体向铁素体的转

2、变，提高贝氏体的体积分数和铁素体中NbC析出来获得附加的强化效果。这一措施特别适合以加速冷却的方式生产高强度钢。但要保证不同厚度规格所要求的强度级别，必须平衡合金元素的加入量和冷却速度。这种合金设计不仅适用于生产抗酸性气体的高强度钢管，也适用于在那些不能承受太大轧制力的轧机上，以及，因中间坯是成卷状的，而不能在进行强的热机械轧制的炉卷轧机上生产高韧性管线钢。另一个有意思的应用是用作覆层钢管的基板，因为覆层钢管覆层的抗腐蚀性要求采用高的终轧温度，然而高的终轧温度可能会导致基板韧性不足。1引言热机械轧制用于充分细化晶粒，可同时获得更高强度和韧性的产品，可以满足管线行业安全性需求，是

3、生产高强度大直径管线用厚板钢和带钢的标准方法。热机械轧制以在奥氏体非再结晶温度区进行加工为特征，这可以增加奥氏体向铁素体转变时的形核点。热机械轧制过程中奥氏体晶粒的变化过程示意于图1中。然而，有些工厂因为场地或设备条件的限制，在这种亚稳态奥氏体温度区加工是不现实的或者是不可取的。2合金设计的基本思路（1）当奥氏体中固溶铌量增加时，可以观察到延迟奥氏体再结晶温度显著提高，见图2，所以在较高的温度区就可以获得热机械轧制的效果。钛比铌与氮有更高的亲合力，当氮被钛固定之后，降低碳含量，可防止碳氮化铌的生成，板坯加热时更多的铌量就容易溶解到奥氏（2，3）体中，见图3。作为例子，本文特别设

4、计了含碳约0.03%、0.09/0.10%铌和进行Ti/N处理的钢，用于高温加工（HTTP:HighTemperatureProcessing），称为HTP钢。选择添加接近化学当量比[%Ti=3.42×%N]的钛有额外好处。在相对高的温度区钛与氮化合，并在加热高温下保持稳定，防止自由氮Nf对韧性的不良影响。自由氮与韧性有如下关系：FATT=k+a%Nf(1)（式中FATT是用夏比V形缺口冲击试验测量的50%塑性断口转变温度）。自由氮对于焊接热影响区的韧性有特别重要的影响。图1热机械轧制工艺示意图图2微合金化对延迟再结晶的影响图3碳化铌和氮化铌的固溶度低的碳含量除了直接影响铌化合

5、物固溶度积之外，特别是在纯净钢中还可以带来更好的（5）塑性和韧性。纯净钢以很少氧化物和硫化物（呈球状更好）为特征。高纯度是现代高强度低合金（HSLA）钢的前提条件。管线钢中典型的硫含量小于0.005%，而在有抗氢诱裂纹（HIC）要求时，硫含量可以低到10ppm以下。通常使用钙处理把残留的氧化物和硫化物转变成球状。钙加入量要在化学当量比Ca/S=1.25以上才有效，低硫钢中典型的比值为2左右。此外，如图4所示，低的碳含量还有减小偏析的趋势：中碳钢中，最为有害的是包晶反应中枝晶间合金元素富集。包晶反应时，从体心立方的δ铁素体向面心立方的奥氏体转变，枝晶间产生附加的收缩。在这个反应中

6、，还有液相存在。液相中富集了合金元素，它们浓缩并最后滞留在枝晶间。通过进一步把碳含量降低到0.09%这一门槛值以下，枝晶间的偏析就会因减小了凝固温度区间和扩大δ铁素体温度区间而得到改善。溶质原子在δ铁素体中的扩散系数比奥氏体中的高100，所以成分容易均匀化。（6）为改善焊接用钢的焊接性能，最初是用锰来替换钢中的碳。强度相同时，锰碳比高的钢具有更好的韧性。所以锰是HSLA钢中添加的最常用固溶强化元素。基于以上讨论，保证X70强度级别需要0.03%碳和2%锰。然而，在同时有抗氢诱裂纹（HIC）要求时，锰（7）的添加量必须受到限制，以避免硬的组织成分出现。图5显示了随着碳含量的降低允

7、许增加的锰含量，但对于0.03%碳的钢而言，锰不应超过1.7%。为补偿因锰含量受到限制引起的强度损失，就需要加入其它固溶强化元素。加入的元素应当易于获得且对于抗HIC性能没有害处。众所周知，加入铜以及铬和镍有在中等强度的（8）酸性条件降低腐蚀速度的效果，这样也就降低了从钢管表面进入氢的量，图6。图4显示有偏析严重程度级别的局部Fe-C相图(a)和包晶反应示意图(b)图5碳和锰对抗HIC性能的影响图6湿H2S环境下合金元素对钢的腐蚀和吸氢的影响3工艺与组织关系根据上述的概念，1983年在日本冶