|
林发驹 （攀钢集团研究院有限公司，四川 成都 610031） 摘 要：通过研究化学成分设计、冶炼工艺、轧制工艺和正火处理工艺，成功开发出港口机械设备用大直径厚壁Φ298.5 mm×70 mm规格S355J2H无缝钢管。分析检验结果表明：采用“电炉+LF精炼+VD真空精炼+锻制+Φ508 mm周期轧管机组轧管+正火处理”工艺生产的Φ298.5 mm×70 mm规格S355J2H无缝钢管，其钢质纯净，强度高、低温冲击韧性优良，正火处理后的性能和组织均匀，屈强比均在0.70以下，质量水平与国外进口产品相当。 关键词：无缝钢管；港口机械设备；大直径；厚壁；正火；低温冲击韧性；组织 由于国际贸易的快速增长和集装箱化率的逐渐提高，全球集装箱吞吐量也不断攀升，港口机械设备市场将迎来新一轮的增长，所需求的材料如低合金大直径厚壁无缝钢管也在不断增加。对于低合金高强度大直径厚壁无缝钢管产品，根据不同的强度级别要求及规格，其制造方法也有很大区别。对于大直径厚壁无缝钢管来说，一般的制造方法是在选定一定的化学成分下，经过热加工后，再通过调质热处理工艺达到所要求的强度级别，其综合性能可达到较好的水平。但调质热处理工艺相对复杂、成本较高；且厚壁钢管在淬火过程中内壁出现淬火裂纹的几率较大，容易造成产品报废。正火工艺较为简单，操作方便，生产周期短，成本较低［1］；因此，对于屈服强度级别为355 MPa的厚壁钢管提出了采用正火工艺处理。 S355J2H 是 BS EN 10210-1∶2006《非合金及细晶粒结构钢热成型结构管（空心材）第一部分：交货技术要求》中的钢种，相当于Q345D［2-3］，要求-20℃冲击功达到27 J以上，属于低合金高强度钢，具有好的塑性和冲击韧性［4］。目前，若国内需求正火态的Φ298.5 mm×70 mm规格S355J2H无缝钢管，仍主要从国外进口。 攀钢集团成都钢钒有限公司（简称攀成钢公司）根据自身的工艺装备情况并结合用户要求，通过研究化学成分设计及轧制工艺、热处理工艺，成功采用正火工艺开发出大直径厚壁Φ298.5 mm×70 mm规格S355J2H无缝钢管。本文将重点介绍该产品的生产工艺及特点。 1 主要技术条件经供需双方充分交流，并参照BS EN 10210-1∶2006标准，S355J2H无缝钢管的熔炼化学成分、正火后的纵向力学性能应满足BS EN 10210-1∶2006标准要求，具体见表1～2。 表1 S355J2H无缝钢管的熔炼化学成分（质量分数）要求值 %  注：①碳当量 CEV 计算公式为：CEV=w（C）+w（Mn）/6+w（Cr+Mo+V）/5+w（Ni+Cu）/15。 ≤0.2 2 C S i M n P S≤0.5 5 ≤1.6 0≤0.0 2 5≤0.0 2 0≤0.2 5 C r N i C u N b T i V M o≤0.5 0 ≤0.2 0 ≤0.0 7≤0.0 0 8 0.0 5～0.1 2 ≤0.1 0 A l B C E V①0.0 2 0～0.0 5 0 ≤0.0 0 0 5 ≤0.5 3 表2 S355J2H无缝钢管正火后的纵向力学性能要求值  注：①一组3个V型10 mm×10 mm试样的平均冲击值，允许有一个值低于平均值，但不得低于70%。 屈服强度/M P a 抗拉强度/M P a 伸长率/% -2 0℃冲击功/J①4 9 0～6 3 0 ≥2 2 ≥2 7≥3 3 5 2 生产工艺路线的设计根据客户要求设计生产工艺路线：铁水脱硫→电炉冶炼→炉外精炼→真空精炼→钢锭→锻制→环形炉加热→穿孔→Φ508 mm周期轧管机轧制→冷床冷却→正火处理→矫直→超声波探伤→外观检查→包装入库。 3 化学成分优化设计由于港口机械设备多低速、重载，有冲击负荷，长期在潮湿的环境中露天运转，工作压力大，运转中会受到振（颠）动和冲击载荷的作用；因此，要求使用的无缝钢管钢质纯净度高、强度高、低温韧性优异、几何尺寸精度高、表面质量好。为满足港口机械设备的使用要求，结合其工作环境和正火态交货的条件，需合理设计钢种的化学成分。攀成钢公司结合以往生产低合金高强度无缝钢管的经验，重点分析了Cr、V、Nb等合金元素的强化机理，优化设计了大直径厚壁S355J2H无缝钢管的化学成分。 （1）Cr元素在结构钢和工具钢中能显著提高其强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性［5］。 （2）通过添加适量的V和Nb元素，利用两种元素的细化晶粒和析出强化的复合作用，提高钢材的强度和低温冲击韧性。另外，在低合金钢中添加Nb元素，可提高钢材的抗大气腐蚀及高温下抗氢、氮、氨腐蚀的能力。 （3）冶炼时加入1 kg/t钢钛铁，进行微钛处理，主要目的是细化晶粒，提高钢的强度，改善钢的冷成形性能和焊接性能［6］。 （4）严格控制碳当量CEV在0.51%以下。 S355J2H无缝钢管的化学成分设计值见表3。 表3 S355J2H无缝钢管的化学成分（质量分数）设计值① %  注：①有害元素 w（As）≤0.030%、w（Sn）≤0.010%，As、Sn 一项不合格时，按 0.4w（As）+6w（Sn）≤0.072%控制；钢中w（N）≤0.009 0%。碳当量CEV≤0.51%。 C S i 0.1 7～0.2 1 0.3 0～0.5 0 N i≤0.3 0 C u B N b≤0.2 0 0.0 3～0.0 5 M n P S C r 1.4 0～1.5 5 ≤0.0 1 5 ≤0.0 1 0 0.1 5～0.2 5 T i V M o A l≤0.0 0 8 0.0 5～0.1 0 ≤0.1 0 0.0 2 0～0.0 5 0≤0.0 0 0 5 4 关键技术的控制4.1 冶炼工艺 针对港口机械设备用大直径厚壁高强度、高低温韧性无缝钢管的特点，采用“电炉冶炼→炉外精炼→真空精炼→模铸”冶炼工艺。 针对该无缝钢管壁厚大、容易产生白点的特点，重点研究VD真空处理和钢液静吹工艺，降低钢中氢含量，防止产生白点缺陷，有效去除钢中非金属夹杂物，提高钢质纯净度；研究圆坯连铸工艺和二次冷却制度，使钢水过热度、拉坯速度与比水量合理匹配，优化设计电磁搅拌工艺参数，保证连铸坯中心凝固组织，减少铸坯中心缩孔和裂纹，提高连铸坯的表面质量和内部质量，满足轧管对管坯钢的质量要求。 4.2 锻制管坯 采用模铸钢锭→锻造→退火制成管坯，采用此工序的目的是增大变形量，保证特厚壁钢管具有足够的变形量，使钢管最终的晶粒细小，保证大直径厚壁钢管正火处理后的力学性能满足要求。 4.3 制管工艺 由于港口机械设备用无缝钢管的工作环境特殊，不仅要求外表面质量按较高级控制，还对管体几何尺寸精度要求也高；因此，制定以下生产要求。 （1）开轧前认真检查轧辊、导盘、顶头、芯棒等变形工具的表面质量，并加强芯棒润滑。轧制时，环形炉加热温度为1 230～1 270℃，均热段加热温度为1 220～1 260℃，为确保壁厚均匀，坯料的保温时间要足够。 （2）终轧后的钢采用较快的冷却速度进行冷却，可细化晶粒，从而改善冲击韧性［4］。因此，要求管坯轧制后快速输送到冷床冷却，冷床匀速运行，同时采用风冷+雾冷加强冷却，为产品后序正火处理后力学性能满足要求提供有利条件。 4.4 热处理工艺 因开发的Φ298.5 mm×70 mm规格S355J2H无缝钢管为大直径厚壁钢管，其内孔小，要求采用正火处理，热处理后的屈服强度≥335 MPa，-20℃冲击功≥27 J，不仅要求强度和低温冲击韧性高，而且要求内表面、中间、外表面的性能均匀。随着冷却速度的增大，铁素体平均晶粒尺寸减小［7］；因此，需合理制定热处理工艺和冷却措施，确保冷却速度足够大且均匀冷却。 4.4.1 相变点计算 根据具体的投料熔炼成分，通过经验公式（1）～（2）［8］计算 S355J2H 钢种的 Ac1和 Ac3：  由公式（1）～（2）可计算出 S355J2H 钢种的 Ac1为740.7℃，Ac3为846.3℃。 4.4.2 热处理工艺和主要控制措施 根据相变点制定的正火工艺为：Φ508 mm周期轧管机组再加热炉逐齿布料，步进周期（每走一齿）14 min，第22、23齿不布料；加热段炉温按（930±20）℃中上线控制，均热段按（945±15）℃中上线控制，保证出炉管温（930±10）℃；用测温枪测量炉内无缝钢管的内、外表面温度，确保钢管出炉前温度均匀；出炉时还应测量内表面温度，若内孔温度低于920℃或高于960℃，需调整步进周期。 由于Φ298.5 mm×70 mm规格S355J2H无缝钢管壁厚大，内孔小，加热不容易均匀，且冷却速度相对慢，采用正火处理保证其性能的难度较大；因此，必须控制好各个关键工艺参数，特别是加热、保温和冷却，均匀加热和充分保温，使钢全部奥氏体化是确保得到理想组织和性能的前提，而冷却速度是它们的保障。结合攀成钢公司的装备情况，优选Φ508 mm周期轧管机组的再加热炉加热，利用冷床端的6台风机和冷床上方的雾冷装置加强冷却，同时要求合理控制链式冷床的传动速度，减小钢管周向冷却不均，保证出雾冷区钢管内孔的温度在500～600℃，避免产生过多的贝氏体组织影响低温冲击韧性，确保钢管周向性能均匀稳定。 5 性能检验结果按相关技术协议，检验攀成钢公司生产的Φ298.5 mm×70 mm规格S355J2H港口机械设备用厚壁无缝钢管的机械性能、金相组织及非金属夹杂物等级等，并与国外进口同规格同钢种实物进行对比。 Φ298.5 mm×70 mm规格S355J2H无缝钢管正火后的纵向力学性能对比情况见表4，非金属夹杂物对比结果见表5；正火处理后的金相组织如图1～2所示，攀成钢产品组织均为铁素体+珠光体+少量贝氏体。 表4 Φ298.5 mm×70 mm规格S355J2H无缝钢管正火后的纵向力学性能对比情况  注：①冲击试验温度-20℃，试样尺寸10 mm×10 mm，V型。此处的平均值指的是单个批次的平均值。 项目检验部位内表面屈服强度/M P a 抗拉强度/M P a 3 7 6～4 0 6 5 5 2～5 8 7屈强比 伸长率/% 冲击功平均值/J①0.6 7～0.6 9 3 2.0～3 4.0 1 1 7～1 6 5攀成钢产品中间壁厚 3 8 7～4 1 0 5 9 4～6 0 0外表面 3 9 0～4 1 9 5 7 2～5 8 0 0.6 8～0.7 0 3 1.5～3 4.0 1 2 5～1 3 7内表面 3 9 4 5 7 5 0.6 9 2 9.0 1 2 7 0.6 6～0.6 9 3 1.0～3 3.5 1 1 7～1 2 5国外进口产品 0.6 9 3 0.5 1 7 9中间壁厚外表面4 0 5 5 8 5 3 8 4 5 5 4 0.6 9 3 4.0 1 3 5 表5 Φ298.5 mm×70 mm规格S355J2H无缝钢管非金属夹杂物对比结果 级  项目攀成钢产品国外进口产品A B C粗 细粗 细粗 细0 1.0 0 1.0 0 0 0 0.5 0 0.5 0 0 0 0 0 0 0 0粗 细D S 0 1.5 0 D 0 1.5 0 1.5 0 0.5  图1 Φ298.5 mm×70 mm规格S355J2H无缝钢管正火处理后的金相组织（攀成钢产品）  图2 Φ298.5 mm×70 mm规格S355J2H无缝钢管正火处理后的金相组织（国外进口产品） 6 结 论（1）攀成钢公司采用“电炉+LF精炼+VD真空精炼+锻制+Φ508 mm周期轧管机组轧管+正火处理”工艺生产的大直径厚壁Φ298.5 mm×70 mm规格S355J2H无缝钢管，其钢质纯净，具有高强度和优良的低温冲击韧性，产品质量水平与国外进口产品相当，可替代进口同类产品。 （2）通过合理的成分设计和热处理工艺研究，并采取严格的热处理控制措施，保证了大直径厚壁Φ298.5 mm×70 mm规格S355J2H无缝钢管正火后内表面、中间壁厚、外表面的性能和组织均匀，且屈强比较低，均在0.70以下，使用安全性更高。 （3）设计碳当量CEV≤0.51%，采用正火工艺生产大直径厚壁无缝钢管，避免采用调质工艺生产，提高了生产效率，降低了生产成本。 7 参考文献 ［1］刘永铨.钢的热处理［M］.北京：冶金工业出版社，1981：136. ［2］李国忠，曹红福，惠荣，等.钛铝含量对低合金高强度钢 Q345D 低温韧性的影响［J］.特殊钢，2002，23（1）：53-54. ［3］马凤杰，包石磊，王忠英，等.热处理工艺对Q345D低合金高强度钢低温冲击韧性的影响［J］.现代冶金，2011，39（4）：8-10. ［4］万五霞，潘先明，彭俊，等.S355J2H厚壁管提高低温冲击功的工艺试验［C］//2010特钢年会论文集：154-158. ［5］路妍.低合金超高强度钢组织性能的研究［D］.昆明：昆明理工大学，2009. ［6］林发驹，吴红，王西江，等.海洋平台结构用大口径厚壁X70Q PSL2无缝钢管的研制［J］.四川冶金，2016，38（4）：26-31. ［7］朱红一，程永固，王景.冷却速度对低合金钢室温组织的影响［J］.河南冶金，2007，15（5）：24-28. ［8］侯志国，刘希琴，刘子利，等.正火处理对新型低温钢组织和力学性能的影响［J］.钢管，2015，44（2）：11-17. R&D of Large-sized Heavy-wall S355J2H Seamless Steel Tube for Port Machinery Service LIN Faju Abstract：The Φ298.5 mm×70 mm large-sized heavy-wall，S355J2H seamless steel tube for port machinery service is successfully developed via studies on the chemical composition design，the melting process，the rolling process and normalization treatment process.Results from relevant analysis and inspections demonstrate that the said seamless steel tube as produced with the process series of“EAF+LF+VD+forging+pipe-rolling with Φ508 mm pilger mill+normalization treatment” is in possession of clean steel quality， high strength， excellent low temperature impact toughness，homogenous post-normalization properties and structure，and yield ratio under 0.70 in any case.Quality level of the tube is equal to that of the similar product as imported from abroad. Key words：seamless steel tube；port machinery；large-sized；heavy-wall；normalization；low temperature impact toughness；structure 中图分类号：TG335.71 文献标志码：B 文章编号：1001-2311（2017）03-0050-04 （收稿日期：2016-12-01；修定日期：2017-02-10） 林发驹（1985-），男，工程师，主要从事无缝钢管新产品开发和轧钢工艺研究工作。 |
|
|
