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石油天然气工业用新钢板

2008-01-23 08:58 43

现代钢板钢的冶炼钢板生产首先是炼钢工艺,其中包括铁水预处理、BOF冶炼、精炼以及连铸。在炼钢过程中,S、P和N的含量不断降低。在BOF冶炼过程中脱P,而脱S主要发生在铁水预处理和精炼过程中。现代钢厂铸坯中各杂质

现代钢板的冶炼
钢板生产首先是炼钢工艺,其中包括铁水预处理、BOF冶炼、精炼以及连铸。在炼钢过程中,S、P和N的含量不断降低。在BOF冶炼过程中脱P,而脱S主要发生在水预处理和精炼过程中。现代钢厂铸坯中各杂质元素可实现的典型含量如下:S≤10ppm,P≤100ppm,N≤50ppm,[O]total≤15ppm,[H]total≤4ppm。
必须通过合金化来启动那些能实现钢所需力学与使用性能的冶金机理,并在钢板生产的不同阶段加以利用。影响钢板性能的途径和机理有很多,如降低再加温度导致晶粒尺寸减少,同时析出强化作用降低;在Ar3<T<Tnr温度区间变形,晶粒尺寸减少;采用Nb微合金化,有晶粒尺寸减少与析出强化双重作用;而V微合化主要起析出强化作用;终轧温度降低到低于r3点,就会产生位错强化与亚结构强化。
钢板生产的不同阶段对晶粒尺寸都产生影响,而细化晶粒非常关键,因为它在提高强度的同时改善钢的韧性铁素体晶粒细化程度有限,尽管如此,铁素体组织钢可完全满足API5LX70(屈服强度≥483MPa)的性能要求。对更高性能要求(如高强或高韧)的钢可采用贝氏体或针状铁素体组织。这些钢可满足目前对高等级钢的要求,具有高的强度、足够的韧性,并且合金化程度不高,保证了可焊接性
不同工艺参数的温度-时间规程
上述的冶金工艺技术允许我们根据特定的需要来进行工艺过程的选择,根据温度-时间规程我们大体上可将它们分为两组。第一组就是通常所说的“常化”轧制,在轧制过程中不用专门去考虑温度控制。对于热轧交货态的厚钢板,没有后续的热处理来对组织进行改变。对于正火淬火钢板,需要将钢板加热到温度TN进行奥氏体化处理,然后空冷至室温(正火N)或水淬至马氏体开始转变点(Ms)以下的温度(淬火Q)。助随后的回火处理(Q+T)可调整原始硬脆马氏体相,改善钢板的韧性。
第二组是TMCP。目前,性能要求与加工制造成本降低越来越受重视,导致现代热机械处理工艺(TMCP)钢板的开发。TMCP与前面提到的传统轧制的本质区别在于,轧制过程不仅对钢板的形状进行改变,而且也是为了系统地获得所需性能。因此,TMCP可被描述为这样的一种工艺过程:按照钢的化学成分而制定的由一组特定的控制厚度、时间和温度的工艺过程组成,目的在于实现细小有效的晶粒尺寸的组织,获得有利的使用性能组合。它有以下几种形式:热机械轧制(TM)、热机械轧制+加速冷却(TM+ACC)、热机械轧制+直接淬火(TM+DQ)或淬火自回火(TM+QST)。
常化(N)与热机械处理(TM)的比较
我们比较了TMCP工艺与传统轧制+加热炉中正火处理钢板的屈服强度、抗拉强度与显微组织。轧后正火钢、TM空冷钢以及TM+ACC钢的晶粒尺寸大小递减,而强度依次增加。轧后正火钢的YS~370MPa,TS~475MPa;TM空冷钢性能达到1英寸厚S420M(YS≥420MPa),TM+ACC性能为典型的1英寸厚APL5L-X65(YS≥448MPa)或S420M(YS≥460MPa)。钢中低的CEIIW(0.34)保证了焊接性能。
提高冷却强度与合金化通过优化钢板轧后冷却制度与化学成分的匹配,可获得更高强度的钢板。例如,钢的强度变化从X65变化到X70、X80至X100,甚至X120级别,相应地冷却制度就从X65的空冷改变成加速冷却,要获得X100或X120,甚至要采用更强的冷却。同时,钢的成分也从Nb、V和/或Ti微合金化调整到在这些微合金化元素的基础上添加固溶强化元素以及提高淬透性的元素如Cu、Ni和Mo。
下一步工作全球对天然气需求日益增加的结果是需要更经济地提高天然气的输送量。这些要求反应在对钢板的要求就是更厚、更宽(生产大口径管)、高强、高韧。这表明开发工作朝不同方向进行。
对海洋管线使用最大强度API5L-X70,最大厚度34mm。API5L-X80(YS≥552MPa)越来越多地用在陆地管线铺设中,最大壁厚25mm。最近开发的X100(YS≥690MPa)或X120(YS≥830MPa)估计将被应用,带来更明显的经济效益。
更厚钢板被用在结构应用领域,如海上石油天然气开采与加工的油平台。为了满足日益增长的能源需求,开采的油气田越来越多地处在环境恶劣的偏远地区及深海。目前能够生产厚度高达120mm的TMCP钢板,具有优越的性能。高强度钢板的使用降低重量也是尤为重要。
终冷温度和当量对性能变化的影响
为了排除其他工艺参数如轧制温度对性能的影响,开发出一种冶金试验工具,称之为ATP(加速冷却温度曲线)法。ATP法被用来确定最优的冷却工艺参数和钢的演变特征。该工具能在单张钢板上进行样点分析,获得完整的冷却终了温度频谱,建立沿钢板长度方向的线性温度梯度。本文中研究了20mm厚钢板(CMnNbV钢)。
随后对ATP试验的不同样品进行分析,得到TS和CVN冲击韧性相对变化与冷却终了温度的关系:△TS=(TS-TS0)/TS0×100,式中TS0是基准抗拉强度,也就是在本文研究的最低CEIIW钢在最高冷却终了温度下的得到的最低抗拉强度,TS为某一钢在所选温度下的抗拉强度。
△CVN=(CVN-CVN0)/CVN0×100,式中CVN0是基准夏比V型缺口冲击韧性,也就是在本文研究的最低CEIIW钢在最高冷却终了温度下的得到的最高值。CVN为某一钢在所选温度下的夏比V型缺口冲击韧性。
分析发现,当碳当量不同时,抗拉强度随冷却终了温度变化的趋势也不同。对低的冷却终了温度,碳当量的影响尤其显著。碳当量越低,冷却终了温度的作用就越小。此外,碳当量与冷却终了温度对CVN值也有明显的影响。
对特定冷却终了温度CVN值的下降可归因于马氏体组织的出现。例如CEIIW为0.42的钢,当冷却终了温度高于400℃时,组织为铁素体+贝氏体,CVN值不受冷却终了温度的影响;而当温度低于400℃,随冷却终了温度的降低,马氏体体积分数增加,CVN下降。温度继续降低到300℃,相当于马氏体转变终点温度,马氏体体积分数维持在恒定水平,CVN不再变化。
工艺发展导致屈服强度增加大部分TM钢板用于大口径管线。在过去40年内,由于TM工艺的不断发展完善,同时合金化途径尤其是保证良好焊接性能的碳含量和碳当量水平以及充分利用微合金化元素的强有效的作用,屈服强度水平稳步增加。如上世纪60年代X60主要以V微合金化,含0.20%C,采用热轧后正火生产,发展到TMX70,碳降低到0.12%,采用Nb、V复合微合金化;而Nb+TiX80采用TM+ACC工艺生产,碳含量降低到0.06%。最近开发的X100与X120,采用TM+强ACC工艺,除了加入微合金化元素,还添加固溶强化元素以及提高淬透性的元素如Mo、Ni、Cu、Cr和B等。
轧后热处理已经被多阶段TM轧制所取代。对于性能要求更高的钢板,利用ACC工艺来强化轧制工艺效果。(来源:华东钢铁网)

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