超快冷工藝生產(chǎn)高綱級管線鋼的研究

超快冷工藝生產(chǎn)高綱級管線鋼的研究為適應(yīng)管線工程經(jīng)濟(jì)性和安全性的要求，管線鋼必須具有優(yōu)秀的強(qiáng)度、韌性、焊接性、高抗氫致裂紋、抗應(yīng)力腐蝕和抗CO2腐蝕能力。目前國內(nèi)外已普遍將高鋼級管線鋼X80列為石油、天然氣輸送管線的首選鋼級，X100、X120級別管線鋼作為未來發(fā)展的重點(diǎn)。目前國內(nèi)外主要采用微合金化及控軋控冷工藝生產(chǎn)高鋼級管線鋼，通過加入Mn、Mo、Cr、Ni、Nb、Ti、V、B等合金元素，起到析出強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、相變強(qiáng)化作用?？剀埧乩涔に囉捎谑艿杰堉茥l件及冷卻速度的局限，在高鋼級管線鋼產(chǎn)品開發(fā)中不能充分發(fā)揮作用，而超快冷工藝能有效地解決以上問題。本課題通過采用超快冷技術(shù)研究開發(fā)生產(chǎn)高鋼級管線鋼，盡可能地發(fā)揮軋制、軋后冷卻等環(huán)節(jié)對鋼鐵產(chǎn)品性能的調(diào)控作用，最大限度減少對合金元素消耗，達(dá)到提高產(chǎn)品性能、節(jié)約能源與資源的目的。本課題針對國家能源管線建設(shè)對高鋼級管線鋼的需求以及鋼鐵企業(yè)重點(diǎn)產(chǎn)品開發(fā)的急需，采用新型超快冷工藝研究開發(fā)了低成本X80、X100管線鋼。本課題在實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用研究的基礎(chǔ)上開展工業(yè)化試制，論文第一部分為國內(nèi)外現(xiàn)狀與研究進(jìn)展分析（第1章）；第二部分為在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行應(yīng)用研究，由第25章組成；第三部分為在工業(yè)化生產(chǎn)條件下進(jìn)行試制及其主要性能研究，由第610章組成；第四部分為全文總結(jié)及展望（第11章）。本課題應(yīng)用熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)、熱膨脹儀、光學(xué)顯微鏡對高鋼級管線鋼的再結(jié)晶規(guī)律、高溫變形抗力、連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變規(guī)律等進(jìn)行了研究。利用高溫?zé)嶂胤治鰞x、熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)等儀器研究超快冷條件下高鋼級管線鋼氧化鐵皮的演變規(guī)律。利用光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、X射線衍射儀、能譜分析儀、顯微硬度儀、萬能試驗(yàn)機(jī)、沖擊試驗(yàn)機(jī)、落錘試驗(yàn)機(jī)等手段檢測高鋼級管線鋼的微觀組織與力學(xué)性能；利用NaCl、CH3COOH、H2S水溶液和高壓釜等研究高鋼級管線鋼的耐腐蝕性能。通過研究得到了X80管線鋼動(dòng)態(tài)再結(jié)晶數(shù)學(xué)模型表達(dá)式zexp(356.59/RT)和Z=1.61012[sinh（0.012)]4.095p，X100管線鋼動(dòng)態(tài)再結(jié)晶數(shù)學(xué)模型表達(dá)式Zexp(399.23/RT)Z6.4247.014和p。X80管線鋼靜態(tài)再結(jié)晶激活能為QSRX＝393kJ/mol，XSRX1exp[0.693(t/t)0.95靜態(tài)再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)方程為0.5]。X100管線鋼靜態(tài)再結(jié)晶激活能為QSRX＝365kJ/mol，靜態(tài)再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)方程為XSRX1exp[0.693(t/t)0.950.5]。X80管線鋼高溫變形抗力數(shù)學(xué)模型為σ=3327.758ε0.315ε0.0109exp（-0.002Τ-1.12ε），X100管線鋼高溫變形抗力數(shù)學(xué)模=3155.8080.48型為0.13exp（-0.002T-0.65）。通過實(shí)驗(yàn)室研究，得到了X80、X100管線鋼的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線，獲得了不同化學(xué)成分、不同冷卻速度條件下的微觀組織結(jié)構(gòu)，為超快速冷卻控制提供了理論依據(jù)。通過實(shí)驗(yàn)室研究，采用超快冷工藝生產(chǎn)的X80管線鋼氧化鐵皮結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的Q235B差別較大，其氧化鐵皮結(jié)構(gòu)共有5層。超快冷工藝及合金元素是導(dǎo)致X80高溫氧化鐵皮結(jié)構(gòu)存在差異的主要原因。采用新型超快冷工藝生產(chǎn)的低鉬X80管線鋼與采用傳統(tǒng)加速冷卻工藝生產(chǎn)的高鉬X80管線鋼有非常相似的顯微組織和力學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和工業(yè)試驗(yàn)驗(yàn)證了上述結(jié)果，這證明了通過超快速冷卻工藝可以降低合金成本，獲得良好的力學(xué)性能。晶粒細(xì)化是超快速冷卻工藝獲得良好綜合力學(xué)性能的主要原因。該工藝提供了一種新的技術(shù)途徑來生產(chǎn)低成本高強(qiáng)度低合金鋼。本課題研發(fā)的X80、X100管線鋼具有低屈強(qiáng)比和優(yōu)良低溫沖擊韌性。這主要是由于超快冷卻在相變前保持了硬化奧氏體，降低了相變溫度，另外，Nb-Ti碳氮化物在超快速冷卻過程中被抑制析出。超快速冷卻工藝仍然堅(jiān)持了傳統(tǒng)TMCP的兩個(gè)原則，即控制奧氏體的硬化及硬化奧氏體的相變，因此超快速冷卻在晶粒細(xì)化方面扮演著重要的角色。雖然在高溫完成熱變形，但是在形變后的短時(shí)間內(nèi)鋼帶依然處于未再結(jié)晶狀態(tài)，含有大量的“缺陷”，處于高能狀態(tài)，存在大量的相變形核點(diǎn)。由于采用超快速冷卻，鋼帶很快通過了奧氏體相區(qū)，奧氏體硬化狀態(tài)得以保持，有利于細(xì)化相變組織。超快速冷卻與傳統(tǒng)層流冷卻相比降低了相變溫度，相變溫度越低，組織細(xì)化的驅(qū)動(dòng)力越大，因此獲得了更細(xì)的組織和更優(yōu)的韌性。依據(jù)NACE標(biāo)準(zhǔn)研究了超快冷工藝生產(chǎn)的X80管線鋼抗硫化物應(yīng)力腐蝕開裂（SSCC）、抗氫致開裂（HIC)和抗CO2腐蝕的情況。SSCC腐蝕實(shí)驗(yàn)表明，產(chǎn)生開裂的臨界應(yīng)力值在65﹪s（390MPa）左右。超過此臨界值，試樣的腐蝕敏感性較高，抗腐蝕能力較差，在95﹪s加載水平下，應(yīng)力敏感性極高。HIC腐蝕實(shí)驗(yàn)表明，裂紋敏感率、裂紋長度率和裂紋厚度率均為零。抗CO2腐蝕實(shí)驗(yàn)表明，在CO2壓力為0.1MPa條件下，平均腐蝕速率為0.6843mm/a。因此采用新型超快冷工藝生產(chǎn)的X80管線鋼具有優(yōu)良的抗SSCC腐蝕性能、抗HIC腐蝕性能和抗CO2腐蝕性能。根據(jù)上述研究結(jié)果，制定了合理的工藝路線，采用超快冷工藝生產(chǎn)晶粒細(xì)小、力學(xué)性能優(yōu)良