520MPa级焊管用热轧板卷的研制开发

热轧板卷的质量对焊接钢管的应用影响较大，优良的焊管用热轧板卷的研制有利于焊接钢管的应用推广。文章介绍了本钢研制开发的520 MPa级焊管用钢热轧板卷的生产工艺及性能特点。实验表明采用低C、Mn和Ti等微合金化设计、以细小弥散分布的TiC析出物为主要强化手段、以第二相粒子TiN阻止热影响区组织粗化从而改善焊缝性能等设计理念开发的厚度12.0 mm的520 MPa级焊管用钢热轧板卷具有良好的力学性能，其纵向韧脆转变温度约为-36℃，横向韧脆转变温度约为-26℃，显微组织为铁素体+珠光体+贝氏体。所研制开发的钢卷在制管厂制成直缝管和螺旋管，焊缝质量良好。

焊接钢管比无缝钢管成本低、生产效率高，在钢管的应用中占据非常重要的位置。随着优质带钢连轧生产的迅速发展以及焊接和检验技术的进步，焊缝质量不断提高，焊接钢管的品种规格日益增多，并在越来越多的领域代替了无缝钢管。强度级别较低的钢管主要用于输送水、煤气、空气、油和取暖热水或蒸汽等一般较低压力流体，520 MPa级钢管可用于较高压力流体的输送，可实现快速、大量输送，效率显著提高。

焊管用热轧板卷是焊接钢管的原料，既要有一定的强度，也要有良好的焊接性能。520 MPa级焊管用钢热轧板卷要求抗拉强度≥520 MPa，且具有良好的焊接性能。本钢采用低C、Mn和Ti微合金化的成分设计，经热连轧机组轧制成520 MPa级焊管用钢热轧板卷，强度满足标准要求，在焊管过程中表现出良好的焊接性能。

工艺设计

根据520 MPa级焊管用钢热轧板卷强度和焊接性能的特点，工艺设计需考虑强化手段和降低碳当量的匹配问题。

工艺流程

铁水预处理→转炉冶炼→炉外精炼→连铸→加热→连轧成材→控制冷却→卷取→性能检验→酸洗→包装出厂。

成分设计

化学成分设计的主体思路是低C、Mn和Ti等微合金化，主要化学成分如表1所示。

(1)碳质量分数≤0.09%。低的碳含量虽然降低了材料的强度，但可以有效降低碳当量，提高焊接性能。碳当量常用国际焊接学会(IIW)采用的C eq公式和日本ITO提出的P cm公式：

w(C eq)=w(C)+w(Mn)/6+(w(Ni)+w(Cu))/15+(w(Cr)+w(Mo)+w(V))/5(1)

w(P cm)=w(C)+w(Si)/30+(w(Mn)+w(Cu)+w(Cr))/20+w(Ni)/60+w(Mo)/15+w(V)/10+5 w(B)(2)

两个公式的应用范围有一定要求，在碳质量分数w(C)≤0.12%时应采用P cm表达式来反应焊接性能。两个计算公式中，碳含量对碳当量的影响非常大，说明碳含量对焊接性能的影响非常大，采用低碳含量有利于提高材料焊接性能。

(2)适量的锰含量。锰可以提高材料的强度，但较高的锰含量会明显提高碳当量，影响焊接性能。

(3)适量的钛含量。钛能与氮、碳结合，形成稳定的氮化物、碳化物，阻止奥氏体晶粒的长大，从而改善材料的焊接性能。陈茂爱等模拟了Ti微合金钢粗晶区并研究了第二相粒子，发现钢中存在大量细小稳定存在的TiN，在焊接时有效阻止了粗晶区的扩展。钛的细化晶粒作用明显，细化晶粒被认为是既提高强度又可以提高韧性的有效方法。钛能使钢中的硫化物变质，从而改善材料的纵横向性能的差异及冷成型性能。较高的钛含量结合合适的热加工工艺，能形成弥散细小的TiC，起到析出强化的作用，霍向东等研究发现，当Ti含量由0.016%增加到0.106%，屈服强度提高约185 MPa。

热轧工艺

在2300 mm热连轧机组采用常规的控轧控冷工艺轧制成厚度12.0 mm的热轧板卷。

实验

金相组织

在热轧板卷切取金相试样，沿轧制方向磨平、抛光，用体积分数为4%的硝酸酒精溶液侵蚀后在光学显微镜和扫描电镜下观察，组织形貌如图1所示。组织为铁素体+珠光体+粒状贝氏体，铁素体晶粒度11.5级，在扫描电镜下可以看到明显的粒状贝氏体形貌。

力学性能

在热轧板卷切取横向拉伸试样、横向冷弯试样和纵向冲击试样，经切割、刨床、磨床、铣床(冲击试样进行开槽)加工后，进行力学性能检测，检测结果如表2所示。为进一步了解低温冲击韧性，切取纵向和横向系列冲击试样，温度点选择20、0、-20、-40℃，检验结果如图2所示，纵向韧脆转变温度约为-36℃，横向韧脆转变温度约为-26℃。

分析讨论

Ti非常活泼，易在钢水中氧化，因此炼钢生产中需充分进行铝脱氧后再加入钛铁合金，如何控制Ti的氧化烧损，获得更为稳定的Ti含量是炼钢工序的关键。Ti和N、S、C等元素形成化合物，在钢水冷却过程，化合物析出顺序依次为TiN→Ti 4 C 2 S 2→TiCN→TiC，而TiN和TiC分别提高焊接性能和强度，因此钢水检测到的Ti total并不能与性能完全对应。Ti以TiN形式存在消耗了3.42w(N)，如果w(N)=0.0040%，TiN中w(Ti)=0.01368%，即当钢水中w(N)=0.0040%时，添加0.014%的Ti就可以实现细化奥氏体晶粒和阻止热影响区组织粗化。根据生产对比分析，w(S)≤0.010时，强度的变化不明显，侧面证明形成Ti 4 C 2 S 2的量很少，形成TiC的量没有明显变化。根据生产数据，当w(N)=0.0040%，w(S)≤0.010，Ti total≥0.03%时，低碳钢有明显强化作用。

520 MPa级焊管用钢热轧板卷是以低C、Mn和Ti等微合金化设计为基础开发的产品，其他强化元素添加很少，因此强度的主要贡献来自于TiC析出物。本实验中，因设备故障，暂时无法通过透射电镜观察到TiC的形貌、分布和尺寸。

520 MPa级焊管用钢的热轧板卷已在制管厂制成直缝管和螺旋管，生产实践证明其焊缝性能检测均合格。

结束语

(1)采用低C、Mn和Ti等微合金化设计，可以获得力学性能良好的520 MPa级焊管用钢热轧板卷。

(2)低C、Mn和Ti等微合金化设计厚度12.0 mm的520 MPa级焊管用钢的纵向韧脆转变温度约为-36℃，横向韧脆转变温度约为-26℃。

(3)520 MPa级焊管用钢具有优良的焊接性能，制管后焊缝性能均合格。