吳國(guó)璽 陳韌 李曉亮 孫野 劉承軍 姜茂發(fā)

【摘 要】本文采用理論分析的方法計(jì)算了不同鈮、碳含量條件下，鈮微合金在管線鋼中的溶解析出溫度，結(jié)合理論計(jì)算結(jié)果，采用實(shí)驗(yàn)室冶煉不同成分管線鋼并進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)，確定了不同鈮微合金在管線鋼中的賦存形式，結(jié)果表明，鈮微合金溶解析出行為與鋼種碳含量和鈮含量關(guān)系密切，管線鋼中添加過多的碳和鈮，將導(dǎo)致加熱過程中鈮不能充分溶解，最終嚴(yán)重影響管線鋼的韌性。最終，提出管線鋼中合理的碳含量和鈮含量設(shè)計(jì)方案。

【關(guān)鍵詞】管線鋼 鈮微合金 溶解析出

1 引言

鋼中微合金的概念早在20世紀(jì)60年代就已經(jīng)提出，通常認(rèn)為在原有鐵基金屬基礎(chǔ)上添加微量的Nb、V、Ti等碳氮物形成元素，從而對(duì)組織和力學(xué)性能起有利作用的一類鋼材。其中，Nb微合金的使用最為廣泛，是最重要的微合金。其中最具代表性的微合金即高鋼級(jí)管線鋼，Nb是其中不可或缺的元素[1，2]。

高鋼級(jí)管線鋼對(duì)綜合力學(xué)性能要求很高，同時(shí)要求兼顧高強(qiáng)度、高韌性、良好的焊接性能、一定的耐腐蝕性能等，其中對(duì)韌性的要求尤為突出，通常需要低溫條件下，進(jìn)行全尺寸斷裂測(cè)試（DWTT），因此，高鋼級(jí)管線鋼組織應(yīng)滿足兩個(gè)條件，一方面，組織均勻細(xì)小，另一方面，具有良好止裂性能組織，通常為針狀鐵素體為主的混合組織。為了獲得細(xì)小均勻的組織，需要依據(jù)Nb在不同溫度的溶解和析出行為，采用TMCP軋制工藝[3]。因此，Nb在管線鋼中的溶解析出行為顯得非常重要，本文對(duì)此進(jìn)行深入研究。

2 鈮賦存形式的理論計(jì)算

眾所周知，Nb在鋼中主要以Nb（C，N）形式存在，因此，Nb在鋼中的賦存形式主要與Nb、C、N合金含量有關(guān)，管線鋼中N含量相對(duì)穩(wěn)定，因此，合金設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮C和Nb的含量變化即可。

采用理論分析的方法對(duì)管線鋼中不同Nb和C含量條件下Nb的溶解析出溫度進(jìn)行計(jì)算，依據(jù)溶度積公式進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同Nb和C條件下Nb的溶解析出溫度

理論分析結(jié)果表明，隨著鋼中Nb和C含量的增加，Nb的溶解溫度不斷提高，當(dāng)C含量增加至0.05%，而Nb含量增加至0.09%時(shí)，鋼中Nb的溶解溫度已經(jīng)提高至1100℃以上，正常情況下，管線鋼的加熱溫度在1150℃～1200℃之間，很難實(shí)現(xiàn)Nb的充分溶解。

3 中試試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證Nb在鋼中的溶解析出溫度，采用實(shí)驗(yàn)室小爐冶煉的方法制備不同Nb和C含量管線鋼試樣，成分如表1所示。

表1試制鋼板的化學(xué)成分

NO.

C

Si

Mn

Mo+Cr

Nb

Ti

1

0.05

0.23

1.76

0.45

0.081

0.015

2

0.05

0.24

1.75

0.41

0.095

0.016

將不同成分實(shí)驗(yàn)鋼分別加熱到900℃～1250℃保溫1小時(shí)，淬火，然后重新加熱到575℃保溫1小時(shí)，空冷到室溫，對(duì)得到的組織顯微硬度進(jìn)行分析測(cè)試表征Nb的溶解行為[4]，結(jié)果如圖2所示。

圖2測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)鋼中Nb含量達(dá)到0.095%而C含量0.05%以后，加熱溫度在1150℃以上Nb才能完全溶解。而Nb含量為0.081%的試樣，則加熱溫度1100℃以上，即可滿足Nb溶解條件。

圖2 不同成分試樣熱處理后顯微硬度

上述兩成分試樣經(jīng)過再加熱，并采用TMCP軋制以后，制備成18mm厚DWTT試樣，測(cè)試結(jié)果表明，2號(hào)試樣，即Nb含量較高試樣韌性指標(biāo)反而很低，但Nb含量0.081%的樣品，DWTT結(jié)果相對(duì)較好。

分析認(rèn)為，爐膛溫度與鑄坯溫度存在一定溫度差，盡管設(shè)定加熱溫度在1150℃，但若鑄坯心部也滿足Nb溶解要求，則需要提高加熱溫度并延長(zhǎng)保溫時(shí)間，可是，隨著加熱溫度的進(jìn)一步提高，管線鋼組織將嚴(yán)重粗化，對(duì)最終管線鋼綜合性能影響明顯。因此，實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程中，建議Nb含量應(yīng)適當(dāng)降低，不宜采用0.095%的設(shè)計(jì)方案。本研究中采用的C含量0.05%，Nb含量0.08%的合金設(shè)計(jì)更趨合理。

4 結(jié)語

管線鋼中Nb的溶解析出溫度不僅與鋼中Nb含量有關(guān)，與C含量也有密切關(guān)系。理論分析結(jié)果表明，隨著鋼中Nb和C含量的增加，Nb的溶解析出溫度呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。

當(dāng)C含量為0.05%，Nb含量0.095%時(shí)，鑄坯心部溫度大于1150℃才可實(shí)現(xiàn)Nb的溶解，中試試驗(yàn)結(jié)果也表明，該成分制備的管線鋼DWTT性能不合格。

建議研發(fā)管線鋼時(shí)，采用C含量0.05%，Nb含量0.08%的成分設(shè)計(jì)方案。

參考文獻(xiàn)：

[1]付俊巖.Nb微合金化和含鈮鋼的發(fā)展及技術(shù)進(jìn)步[J].鋼鐵，2005，40（8）：1-6.

[2]鄭中，劉宏亮，黃健 等.22mm厚X80管線鋼試制1[J].中國(guó)科技縱橫，2014，（4）：103-103.

[3]董毅，許云波， 肖寶亮 等.含Nb微合金鋼動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)自然科學(xué)版，2008， 29（10）：1431-1434.

[4]劉宏亮，劉承軍，王云盛 等.稀土對(duì)X80管線鋼中鈮元素賦存狀態(tài)的影響[J].稀土，2011，32（5）：6-11.

通訊作者：陳韌（1970-），工學(xué)博士，教授，研究方向：冶金反應(yīng)工程及冶金資源綜合利用。E-Mail：toughold@163.com。