节约型X70级管线钢的组织控制与工艺开发

论文摘要

世界能源消耗持续上升,未来几十年原油和天然气仍将占到能源总需求的三分之二。而管线是将原油和天然气长距离输送到用户最经济有效的途径。恶劣的输送环境要求管线钢要具有优异的韧脆等性能。为了满足这些性能要求,传统的高钢级管线钢中需要加入Mo、Nb等合金元素。依靠低温轧制技术,对轧机能力要求比较高,并且合金元素Mo价格昂贵,成本高。为了改善轧制条件,节约钢材成本,于是出现了用Nb代替Mo来降低成本的高温轧制工艺（HTP）。在此背景下,本文进行了高强韧性、易焊接、节约型管线钢厚板生产工艺的研制开发。其目的是通过加入高量的Nb来代替Mo,从而降低成本,生产出性能符合X70要求的管线钢。本文系统研究了利用HTP工艺生产高Nb管线钢的动态再结晶、静态再结晶、析出行为及相变行为的变化规律,并进行了实验室热轧实验和工业试制。热轧结果表明,以Nb代替Mo的管线钢其性能完全满足X70的标准要求。论文的主要工作如下：（1）利用Gleeble-2000热模拟机,研究了高Nb管线钢的动态再结晶行为。研究表明：随着变形温度的升高和应变速率的下降,动态再结晶曲线的峰值应力下降,峰值应变减小；对同一种钢,峰值态的激活能明显高于稳定态的激活能。对不同的钢,含Nb高的A钢的激活能无论是在峰值状态还是稳定状态都比含Nb低的B钢要高；对于没有明显峰值点的应力-应变曲线,也有可能发生动态再结晶,需通过应变硬化率和应力的关系来确定是否有极小值点,从而确定是否发生动态再结晶。（2）对含Nb不同的两种实验钢进行静态再结晶实验研究,研究表明：随变形温度的降低,再结晶难以进行；随变形量的增加,形变存储能增加,再结晶速率加快；通过PTT图与再结晶曲线相交得到：含Nb高的A钢Tnr约为970℃,含Nb低的B钢Tnr约为925℃,而再结晶结束温度分别为880℃和850℃；原始奥氏体晶粒越大,所对应的再结晶终止温度越高。（3）对低碳高Nb管线钢进行析出行为的研究。结果表明：实验钢经历不同应变后的PTT曲线呈“C”型特征,析出的“鼻尖”温度均在800℃左右。对同一种实验钢,应变越大,动态诱导碳化物析出的开始时间及结束时间越短。另外,两种实验钢比较,由于A钢中加入了高量Nb,所以其碳化物析出开始时间要比B钢短。（4）根据热膨胀和金相观察结果,研究了含C量和含Nb量不同的四种实验钢奥氏体变形条件对连续冷却条件相变和显微组织的影响。研究表明：含Nb钢在连续冷却条件下的相变产物是由准多边形铁素体（块状铁素体）、粒状铁素体、贝氏体铁素体及一定量的岛状组织组成的混合组织,通过透射电子显微镜中的明暗场和衍射条纹分析岛状组织以M/A组元为主,另有少量的珠光体和退化珠光体。另外,对每一个钢种,加热温度相同时,热变形都扩大了铁素体相变区域,提高了铁素体相变开始温度（Ar3）,并且使铁素体相变可以发生在较快冷速的条件下；变形量相同时,随着加热温度的升高,铁素体相变区域减小,铁素体相变开始温度（Ar3）降低。（5）在实验轧机上进行了控轧控冷实验,研究了不同的加热温度、终轧温度、压下量及冷却方式对含Nb钢显微组织和性能的影响。结果表明：对于A钢,当未再结晶温度为950和920℃时,所得到的力学性能（强度和韧性）均满足X70标准要求。对于成分相近的E钢,各项力学性能均满足X80的要求,具有良好的综合性能。（6）对高Nb管线钢进行工业试制。结果表明：各项力学性能指标均符合X70的标准要求。在此基础上进行了节约型管线钢的工业生产,其成分设计降低了Nb含量。中Nb产品综合力学性能全面满足技术条件的要求。进精轧温度为1030℃,终轧温度为810℃,卷取温度为560℃是生产X70管线钢的一个理想的温度制度。参照本文研究成果确定了大生产的工艺参数,所生产的3万吨节约型管线钢已经进入国际市场。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 管线钢的应用和发展趋势
• 1.1.1 管线钢的应用
• 1.1.2 管线钢的发展趋势
• 1.2 管线钢的组织分类
• 1.2.1 铁素体—珠光体钢和少珠光体钢
• 1.2.2 针状铁素体和超低碳贝氏体钢
• 1.2.3 低碳索氏体钢
• 1.3 管线钢对生产技术的要求
• 1.3.1 冶炼
• 1.3.2 轧制
• 1.4 高Nb管线钢的研制意义
• 1.4.1 缓解我国的Mo危机现状
• 1.4.2 节约成本
• 1.4.3 降低轧机负荷
• 1.5 国际市场对X70级管线钢力学性能的要求
• 1.6 高Nb管线钢的合金设计思路
• 1.7 HTP工艺在高Nb管线钢中的应用
• 1.8 本文研究的主要内容
• 2 含Nb钢奥氏体高温变形行为
• 2.1 实验方法
• 2.1.1 实验材料及装备
• 2.1.2 实验方案
• 2.2 实验结果及分析
• 2.3 高温变形应力-应变模型
• 2.3.1 真应力-真应变模型分析
• 2.3.2 实验钢动态再结晶模型
• 2.4 实验钢动态再结晶临界应变的确定
• 2.4.1 动态再结晶临界应变的确定方法
• 2.4.2 实验钢临界应变的确定
• 2.4.3 动态再结晶的宏观判断误区
• 2.5 本章小结
• 3 含Nb钢奥氏体热变形的静态软化行为
• 3.1 实验方法
• 3.1.1 实验材料及装备
• 3.1.2 实验方案
• 3.2 软化率的计算方法
• 3.3 软化率曲线分析
• 3.4 静态再结晶模型
• rex的确定'>3.4.1 静态再结晶激活能Q_rex的确定
• 3.4.2 静态再结晶动力学
• 3.4.3 奥氏体静态再结晶过程的晶粒组织演化
• 3.5 应变诱导析出研究
• 3.5.1 应变诱导析出动力学
• 3.5.2 原始奥氏体晶粒尺寸对再结晶终止温度的影响
• 3.6 应变诱导析出相的TEM观察
• 3.7 本章小结
• 4 含Nb钢的组织特征及相变动力学研究
• 4.1 实验方法
• 4.1.1 实验材料及装备
• 4.1.2 实验方案
• 4.1.3 显微组织观测
• 4.2 实验结果分析
• 4.2.1 含Nb微合金钢中铁素体的微观分类
• 4.2.2 连续冷却相变动力学曲线（CCT曲线）
• 4.2.3 不同冷却速度条件下的组织特征
• 4.2.4 岛状物透射电子显微组织分析（TEM）
• 4.3 本章小结
• 5 高Nb钢的实验室热轧和工业试制
• 5.1 高Nb钢实验室热轧工艺研究
• 5.1.1 实验方法
• 5.1.2 力学性能和显微分析
• 5.2 高Nb管线钢的工业试制
• 5.2.1 高Nb钢的工业试制
• 5.2.2 力学性能检测结果及显微组织分析
• 5.3 本章小结
• 6 节约型X70管线钢的工业生产
• 6.1 化学成分设计
• 6.2 轧制工艺控制
• 6.3 节约型X70管线钢的生产情况
• 6.3.1 尺寸精度控制
• 6.3.2 温度控制
• 6.4 节约型X70管线钢的力学性能检验
• 6.4.1 力学性能
• 6.4.2 弯曲试验
• 6.4.3 断裂韧性
• 6.4.4 维氏硬度
• 6.4.5 金相检验
• 6.4.6 氮含量对拉伸性能影响分析
• 6.4.7 温度对力学性能的影响分析
• 6.5 本章小结
• 7 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间获奖及发表的论文
• 致谢
• 作者简介
• 附录