龙川钢管大口径无缝钢管TMCP.doc

龙川钢管大口径无缝钢管TMCP工艺产业化1、概述扬州龙川钢管有限公司新上720大口径无缝钢管生产线，成品组矩219-800mm，壁厚15-120mm，年产钢管20万吨。生产线主体装备有：环形加热炉、压力穿孔机、穿孔机、皮尔格轧机、再加热炉、高压水除磷装置、廻转定径机、控温冷却装置、在线热处理线、冷床、矫直机等。TMCP常以其轧材钢种的复合微合金化设计为基础，凭藉对轧件在整条轧线上不同工序环节(位置)处实施形变与温变的精确控制(其实质是调控材料的物理冶金反应)实现特定产品质地与性能上的宽幅在线调节，从而成为当今低成本、高效率生产诸多类别优质、高附加值轧材所必不可少的工艺技术。热轧钢材生产中采用TMCP可获得以下利益:用轧件余热进行热处理，直接和间接地大幅降低产品成本与费用;把细晶强化和相变强化揉为一体，轧材性能兼获量与质的显著提升;热变形与热处理有机结合，利用工艺参量的不同组合对产品性能指标实施高效灵活的宽幅在线调控，使工艺控制与质量控制相统协，令生产调度简化而具有柔性;拓展产品结构和新品研发技术空间，增强企业面向市场的生产应变能力;有效节约资源、减少对环境的侵扰。2、 TMCP基本工艺原理 2.1 基本点通常的结构用钢，铁素体的晶粒大小经奥氏体到铁素体相变后，晶粒比奥氏体更加细化。铁素体相变核在奥氏体晶界上大量生成，并向奥氏体晶粒内生长，直至铁素体晶粒与晶粒之间互相接触后停止生长。TMCP首先调整奥氏体状态，以便控制轧制时增加铁素体相变核，再经控制冷却降低相变温度，促进铁素体相变核的增加，以获得相变组织的微细化。在900一950以上对奥氏体加工后再结晶以某种速度生长。在再结晶温度区的低温侧轧制，奥氏体再结晶形成微细晶粒，其结果是铁素体晶粒也被细化。如果在再结晶温度以下使奥氏体变形，则奥氏体晶粒伸长，由于单位体积的结晶界面积增加，铁素体核的生长点也增加，铁素体晶粒被细化。并且，奥氏体晶粒内大量引入被称为“变形带”的线状微观结构，同奥氏体晶界一样，这些变形带中也生成铁素体核，所以奥氏体未再结晶区的轧制对铁素体晶粒细化起到很大作用。其效果与未再结晶区的累积变形量成正比，机械性质的改善也与之成正比。 对再结晶后的奥氏体进行控制冷却时，铁素体发生某种程度的晶粒细化，但效果并不显著。如果对未再结晶奥氏体进行控制冷却，则不仅在变形后的奥氏体晶界面或变形带产生晶核，在奥氏体晶粒内也生成铁素体核，实现了铁素体的大幅度晶粒细化。控制冷却是将空冷时生成的珠光体变成微细分散的贝氏体，在提高强度的同时改善延伸性。例如:妮(Nb)可以使奥氏体的再结晶温度上升，强化未再结晶区的轧制效果。由于固溶在奥氏体中的妮(Nb)能提高淬火性，因此，它具有细化铁素体晶粒、增加贝氏体比率的效果。因钒(V)在这方面的效果不好，因此它专门用于析出硬化目的。 2.2 控制轧制本质控制轧制是一项人为地使奥氏体中尽可能大量地形成铁素体相变核的晶格异质(Heterogeneity)，并有效地将铁素体晶粒细化的技术，控制轧制技术的要点可具体归纳如下: (l)尽可能降低加热温度，即将开始轧制前的奥氏体晶粒微细化。 (2)使中间温度区(例如900以上)的轧制道次程序最佳化，通过反复再结晶使奥氏体晶粒微细化。(3)加大奥氏体未再结晶区的累积压下量，增加奥氏体每单位体积的晶粒界面积和变形带面积。 2.3 控制冷却本质对控制轧制后的奥氏体用高于空冷的速度从Ar3以上的温度控制冷却至相变温度区域，进行控制冷却铁素体将使其进一步晶粒细化。控制冷却引起的Ar3降低虽然对铁素体的晶粒细化有一定作用，但是根据实际经验，对再结晶奥氏体进行水冷的效果并不很大。在对未再结晶奥氏体进行控制冷却时，会产生明显的铁素体晶粒细化效果。冷却速度的影响，以10/s左右的控制冷却与空冷相比较，可以不改变转变温度而提高强度。控制冷却从Ar3以上的温度开始，在相变终了温度附近(550500)结束，然后进行空冷。控制轧制后进行控制冷却时的组织是细晶粒铁素体和微细弥散型贝氏体的混合组织。空冷时生成的珠光体在控制冷却下变成具有带状结构的贝氏体的比率增加。铁素体晶粒细化和贝氏体比率的增加使强度增大，铁素体的晶粒细化引起的转变温度降低与贝氏体比率上升的效果相平衡，结果转变温度不变。 2.4 原理 TMCP技术依据按产品性能及所用材料的成分而预先制订的工艺制度，通过控制轧件在设定的温度区间以适当的变形速率完成所需的轧制变形量，并随即按照事先确立的温度时间工艺曲线实施在线热处理，利用量化调节这一过程中钢在形变与温变交互作用下的组织变化和相转变的物理冶金技术手段，进而获得具有预期组织结构和性能指标的最终产品。 TMCP的技术特征在于联合控制金属材料的形变和相变、综合实施产品组织的细晶强化与相变强化，是将各阶段热轧制变形、道次间快速冷却、轧后在线热处理相结合，令材料随工艺制度的不同而产生不同程度的组织晶粒细化、位错密度提高和晶界畸变增加，从而达到显著改善、宽幅调控产品综合机械性能目的的一种“热机械”强韧化加工处理工艺;这种对于产品性能的调整与控制方式，更因其多元性而灵活和自由，因其在线性而经济和高效。TMCP轧制以管材金属的晶粒尺寸及再结晶程度、析出相的粒度及体积分数、奥氏体分解前的组织结构为其工艺控制目标;而TMCP热机械处理则按钢管产品的轧后冷却曲线、奥氏体分解转变的类型及程度、最终组织结构及性能指标实施工艺控制。二者的结合体现了当今对轧钢生产实施物理冶金调控的高技术特征。它改变了传统热轧条件下材料成分与性能之间的原有关系，使产品指标可以更多地通过调节工艺参量这一经济灵活的方式获得满足。2.5 TMCP流程要点纯净钢冶炼；夹杂物形态控制；HAZ显微组织控制；降低坯料中心偏析；轧件加热温度控制；控制轧制；织构的演变；加速冷却。细化贝氏体组织的关键在于细化相变前的奥氏体晶粒，因为贝氏体钢解理断裂面的有效尺寸直接地依赖于原奥氏体晶粒尺寸，细化奥氏体晶粒的有效方法是控制轧制、控制轧后的冷却速度及Nb、Ti的微合金化。选择较低的钢坯加热温度(一般在1200以下)，并利用NbN和TiN析出颗粒控制奥氏体晶粒长大。在完全再结晶区，利用反复的形变再结晶和微合金化元素的溶质拖曳作用及析出颗粒的钉扎作用使奥氏体晶粒充分细化到10 um左右，奥氏体晶粒的细化可降低贝氏体的相变点Bs，导致贝氏体组织的细化。采用未再结晶区控轧，使细化了的奥氏体晶粒进行多道次的变形积累，总压下量应大于65 ，以便在奥氏体晶粒内产生大量的位错亚结构和形变带，后者既能促使贝氏体转变时大量形核，又能抑制贝氏体铁素体板条的长大。尽可能地降低终轧温度(一般控制在700左右)和提高轧后冷却速度，促使奥氏体晶粒内的位错亚结构的有效遗传和阻止析出颗粒粗化，以便充分发挥位错亚结构和析出相的强化作用。3、钢管生产工艺及特点3.1工艺流程管坯下料冷定心加热机械除鳞穿孔喷硼砂延伸/皮尔格轧管再加热（控温）高压水除鳞回转定径/轧管定径控制冷却热处理（在线）矫直切断取样人工检查内外磨 二次检查涡流、超声波探伤及全长测厚测长、称重、标记、包装入库3.2工艺特点工艺柔性化：根据无缝钢管的规格品种确定：l 冲孔穿孔延伸/皮尔格轧管回转定径l 穿孔延伸回转定径l 穿孔皮尔格轧管回转定径再加热：对延伸/轧管后的荒管进行再加热，对定径前的荒管进行控温；回转定径：对荒管进行定径的同时实施有效形变；控制冷却：对定径后钢管进行喷雾/喷水控制冷却，得到期望的钢管组织和性能；在线热处理：对特殊要求的钢管进行在线热处理，通过控温控冷（喷雾、喷水、水淬）进一步调控钢管组织与性能。4、TMCP工艺TMCP轧制以管材金属的晶粒尺寸及再结晶程度、析出相的粒度及体积分数、奥氏体分解前的组织结构为其工艺控制目标;而TMCP热处理则按钢管产品的轧后冷却曲线、奥氏体分解转变的类型及程度、最终组织结构及性能指标实施工艺控制。二者的结合体现了当今对轧钢生产实施物理冶金调控的高技术特征。它改变了传统热轧条件下材料成分与性能之间的原有关系，使产品指标可以更多地通过调节工艺参量这一经济灵活的方式获得满足。4.1 TMCP轧制关键点：“奥氏体状态的控制”和进一步的“由这种状态受到控制的奥氏体发生的相变的控制” 控制轧制的要点：奥氏体状态的控制（晶粒尺寸、硬化状态） 控制冷却的要点：奥氏体相变条件的控制（开始温度（过冷度）、冷却速率、终止温度） 由于采用常规轧制，终轧温度较高，如果不加控制，材料会由于再结晶而迅速软化，失去硬化状态。因此，在终轧温度和相变开始温度之间的冷却过程中，应努力设法避免硬化奥氏体的软化，即设法将奥氏体的硬化状态保持到动态相变点。近年出现的超快速冷却技术，可以对钢材实现每秒几百度的超快速冷却，因此可以使材料在极短的时间内，迅速通过奥氏体相区，将硬化奥氏体“冻结”到动态相变点。这就为保持奥氏体的硬化状态和进一步进行相变控制提供了重要基础条件。4.2 TMCP热处理在线可控热处理的作用可大致概括为以下几点:控制热轧后组织基体相变的质与量;抑制在较高温区发生组织粗化;调整组织中的溶解与析出;调控产品组织和性能。4.3 TMCP工艺参数4.3.1 热札变形工艺中的基本参量及其相互关系热机械轧制工艺的制定，要求既能满足对产品性能的控制、又不会超出设备能力，进而构成高效、连续、稳定运行的作业基础;而轧制(变形)过程中的所有工艺参数(如轧下力、轧制扭矩、芯棒限动力、电机功率等)无不由轧件材料的热变形抗力所支配，因此，研究材料的热变形抗力及其主要影响因素、认识它们之间的相互关系与变化规律，自然成为TMCP赖以实现的前提。 利用热机械模拟的物理手段，可以较为方便、直观地得出针对不同材料的综合而量化的实验结果，其中就包括热变形抗力与变形量、变形温度、变形速率等基本热轧工艺要素间的对应关系。在制订无缝钢管热机械轧制工艺的过程中，除需要考虑轧制设备的能力之外，另一显著影响成材率的重要因素材料的热加工塑性同样须予高度关注。实验结果表明，材料的热压缩变形抗力和热流变延伸塑性这两个TMCP工艺中的核心变量与材料的变形量、变形温度及变形速率等其它基本工艺参量之间具有以下主要关系:材料的热压缩变形抗力分别随变形量及变形速率的增大而提高;随变形温度的升高而降低。 变形量是对材料热压缩变形抗力影响最为剧烈的因素，变形温度的影响程度仅次之，而变形速率的影响程度则又次之。 在热轧工艺区间内，材料的热流变延伸塑性分别随变形温度和变形速率的提高而改善。4.3.2 在线可控热处理工艺中的基本要素及控制参量TMCP在形式上似乎只是将材料的热轧变形与热处理这两道原本各自独立的工序高效地合二为一，然而得到的却远不止是一加一的效果。TMCP成长至今，已不满足于常相为伴的一般控制冷却，而要追寻日渐剧烈的强化冷却;不仅需要在线冷却，甚至苛求在线加热。因此，“在线可控热处理”较为名符其实。无缝钢管在线可控热处理的任务是保持和利用热机械轧制所赋予材料的组织优势，并在此基础上通过进一步调控其后续的相变履历，从而使产品实现预期的综合性能。在线可控热处理从工艺上要解决的实质性核心问题，就是必须按照轧制节奏的要求，在任一轧件所允许占有的最小在线时间周期内，从容地实现轧件与在线热处理装备之间可控的热量传递，以此保证在线运行轧件的任一横断面上的任何部位都能获得状态一致的均匀冷却，并使之温度随时间的变化轨迹尽可能地与热处理工艺曲线相吻合。轧件温度、传递热量、节拍周期、组织相变是在线可控热处理工艺设计的四大要素;换言之，在线可控热处理的工艺制订须考虑以下基本因素:材料自身的物理冶金性质; 产品最终的综合使用性能; 线上轧件的传移节奏速率; 控温对象的断面规格尺寸; 轧件需导出或导入的热值; 在线加热的有效升温能力; 换热介质的可控降温能力。5、工艺实践5.1管线管在高强度和高韧性管线管的开发中充分利用了TMCP技术，同时还广泛应用于耐酸性气体的管线管的生产。为降低酸性环境下的氢诱发裂纹(HIC)，应减少会导致HIC产生的S，并通过添加Ca来控制硫化物的形态，同时减少对HIC敏感的硬化组织区。采用TMCP可进行低C和低合金的成分设计，进而在连铸时可降低Mn等在板厚中心部的合金偏析量，尤其是在生产厚板时采用加速冷却可以抑制C向板厚中心部的扩散等，因此TMCP对提高抗HIC能力是不可或缺的工艺，TMCP钢已应用于许多耐酸性气体的管线管项目。用控轧控冷技术生产的X70管线钢，钢板组织以针状铁素体为主，综合性能完全符合管线工程要求，已成功应用于国内的西气东输工程上。高强管线管的应用，使我国天然气干线工作压力从6.4MPa提高到10MPa，极大地节约了材料成本并提高了管线输送压力，凸现了高钢级管线管建设长距离管线的经济优势。在西气东输二线工程中，运用TMCP工艺优势，将会生产更高级别的管线钢，使天然气干线输送压力可能达到12MPa或更高，进一步体现使用高强管线钢的经济优势。5.2机械管S355J2H是BS EN 10210-1: 2006标准中的钢种，相当于国内的Q345D要求-20冲击功达到27J以上，属于低合金高强度钢，具有好的塑性和冲击韧性，主要用于制造桥梁、船舶、车辆、锅炉、高