稀土对X70管线钢的影响

1、稀土元素对X70管线钢的影响学院：材料与冶金学院指导教师：闫永旺学生姓名：邢玉松摘要近些年我国的高速发展下对于钢的需求越来越大，所以对X70钢进行稀土元素掺入下的组织及其力学性能分析进行研究和阐述。文献综述1钢的发展及其性能钢铁产业是国民经济的重要基础产业，是实现工业化的支撑产业，是技术、资金、资源、能源密集型产业，钢铁产业的发展需要综合平衡各种外部条件。我国是一个发展中大国，在经济发展的相当长时期内钢铁需求较大，产量已多年居世界第一，但钢铁产业的技术水平和物耗与国际先进水平相比还有差距，今后发展重点是技术升级和结构调整。为提高钢铁工业整体技术水平，推进结构调整，改善产业布局，发展循环经济，降

2、低物耗能耗，重视环境保护，提高企业综合竞争力，实现产业升级，把钢铁产业发展成在数量、质量、品种上基本满足国民经济和社会发展需求，具有国际竞争力的产业，依据有关法律法规和钢铁行业面临的国内外形势，制定钢铁产业发展政策，以指导钢铁产业的健康发展。钢材的分类：按钢材的用途可分为结构钢，工具钢，特殊性能钢。按钢的化学成分碳素钢和合金钢两大类。钢材的力学性能主要有：强度（屈服强度、抗拉强度），塑性、冲击韧性、耐疲劳性、硬度、良好的焊接性，冷弯。2稀土元素在钢中的作用机理稀土元素在钢中的作用主要集中在改善夹杂物形态、细化晶粒、强效微合金化以及净化作用等方面。1）改善夹杂物的性质、形态和分布稀土加人钢中能改

3、变夹杂物的性质、形态和分布。钢中夹杂物通常是影响钢性能的有害物质,人们在钢液精炼方面进行了大量研究,但只能最大限度减少夹杂,这是因为钢液在凝固过程中会析出氧化物、硫化物等形成二次夹杂,喷钙处理曾被认为是取得低杂质钢的较为经济而可行的工艺措施,但该工艺需要较高费用的钢包耐火材料、昂贵的钢包烟气收集系统、新的覆盖渣系等,而稀土处理钢则较为理想。目前,钢中使用的稀土有90%用于硫化物形态控制,10%用于其他(主要为净化或微合金化等)。稀土用于硫化物形态控制,主要集中在加人方法的研究,而作为合金元素使用,主要为研究最适宜的加人量。对加人方法的研究,目的在于使钢中保留一定量的残留稀土,稳定钢中最佳的【R

4、E/s比值,以实现夹杂物的形态控制;对加人方法的研究,目的是稳定钢中的残留稀土。夹杂物的“形态控制”是稀土在钢中的主要作用之一,稀土可控制硫、氧夹杂物的形态。如果用少量的Al终脱氧并加人稀土,则会形成高熔点的在晶内任意分布的球形夹杂,取代沿晶界分布的第二类硫化物。这种夹杂物全部为灰黑色的REZOZS,外层为浅灰色的稀土硫化物,而A12O:可以作为稀土硫化物的结晶核心,从而使群聚的A1203消失。根据钢液成分,包括不同的氧、硫以及其它微量元素的含量,要使硫化物完全球化,必须准确控制【RE/S比值。稀土化合物在钢热加工变形时,仍保持细小的球形或纺锤形,较均匀地分布在钢中,从而消除了原先存在的沿钢材

5、轧制方向分布的呈长条状MnS等夹杂。控制硫化物为主的夹杂形态所带来的好处,明显地表现在改善钢的横向韧性、高温塑性以及疲劳性能等。稀土夹杂物的热膨胀系数和钢近似,因而可以避免钢材热加工冷却时,在夹杂物周围产生大的附加应力,从而有利于提高钢的疲劳强度。2）细化晶粒稀土化合物微小的固体质点提供了异质晶核,或在结晶界面上偏聚,阻碍了晶胞长大,因而为钢液结晶细化,提供了较好的热力学条件,因此稀土加入钢中能细化钢的凝固组织,从而改善钢的性能。有研究认为采用稀土对不同含硫水平的铸钢的凝固特性、宏观和显微结晶组织等有影响,含硫较高时,加人适量稀土可明显减少结晶间距,促进最后枝晶间低熔点液膜迅速凝固,而在低硫条

6、件下,上述作用则不明显。稀土对高硫铸钢的结晶组织的影响主要使晶粒变细、等轴晶率提高,其机制是稀土的化合物作为结晶的非自发核心。稀土对低硫铸钢结晶组织的影响主要表现为细化二次枝晶间距。还有人采用定向凝固工艺研究稀土元素Ce对低硫16Mn钢一次结晶的影响,认为Ce使胞晶间距增加、二次臂间距变小、柱状晶区缩短、等轴晶粒细化,此外还使C、Mn元素的显微偏析减少。研究稀土对超低碳铸钢晶粒尺寸的影响仁川发现稀土处理后的超低碳铸钢中形成大量的高熔点化合物,其组成主要为稀土氧化物Ce203,这些高熔点化合物作为非均匀形核核心,增加了液固相变形核位置,使铸态晶粒尺寸明显减少,从而使材料的屈服强度显著提高。稀土模

7、具钢的研究是一项新课题,对热作模具钢(35Cr3Mo3WZVRE)、冷作模具钢(Cr12RE)、高温奥氏体模具钢等三种类型的模具钢进行稀土处理,得出了如下主要结论”:稀土对钢材冶金质量有影响。稀土加人后,夹杂物在0.5一1级波动,晶粒度细化一级左右,对碳化物均匀度有所改善,特别在高温区脱碳层减少30%,另外用电解法测定夹杂物,其总量和分量都有减少的趋势;SCrMnMo钢是我国长期沿用的热锻模具钢,用这种钢制成的热作模具在服役过程中,由于进行频繁的加热冷却,极容易发生热疲劳。在SCrMnMo钢加人0.050%RE,可以使钢的奥氏体晶粒细化,从而降低了热疲劳裂纹的形核率,此外钢中加入稀土后,能降低

8、裂纹的扩展速率,且扩展方式有从沿晶向穿晶转变的趋势。因此稀土显著提高了SCrMnMo钢的热疲劳抗力,另外还显著地提高了材料的塑性、冲击韧性,但强度提高不多。3）微合金化作用稀土对钢的许多性能的影响与其微量固溶与合金化有关。我国许多研究单位和大学对稀土在钢中的固溶量和合金化问题进行了较深入的研究。目前固溶量测定采用电化学分离与计量法。研究表明,虽然稀土原子半径远较铁为大,但从内耗测定及稀土对钢铁的某些性能影响来看,稀土在钢中是很少能固溶的,其在钢铁中分布不均匀。用自射线照相和内耗方法证明,稀土金属偏聚于晶界,从根本上说,稀土元素的合金化作用主要是稀土原子在晶界上偏聚或与其它元素的交互作用,引起晶

9、界组织、化学成分和晶界能的变化,并影响其它元素的扩散和新相的成核与长大,最终导致钢的组织与性能的变化。4）净化作用微量稀土元素在钢中的净化作用主要表现在:可深度降低氧和硫的含量,降低磷及低熔点等元素的有害作用。由于稀土金属的化学性质异常活泼,在钢液的温度下(1550一1600,同氧、硫等有害杂质分别作用,生成密度小、熔点高的化合物,并作为夹杂物从钢液中排除,从而导致钢液内杂质含量减少。稀土元素在钢中的净化作用研究取得了一些成果,如耐热钢中添加高斓混合稀土金属有强的净化钢液作用;在钢中添加稀土元素,能够改变夹杂物形态,降低钢中夹杂物的尺寸和数量,提高钢的洁净度,因此提高了碳素工具钢的冲击韧性和使

10、用寿命。5）其他方面的作用稀土元素在钢中的作用很多,如稀土金属有很强的吸氢作用,形成稀土氢化物,因而抑制了钢中氢引起的脆性,此外还可作为共渗元素和催渗元素进行应用等。3管线钢的概述管线钢是指用于输送石油、天然气等的大口径焊接钢管用于热轧卷板或宽厚板。管线钢在使用过程中，除要求具有较高的耐压强度外，还要求具有较高的低温韧性和优良的焊接性能。耐酸性气体的管线钢酸性环境下使用的管线钢是管线用钢系列中质量要求最为严格的一类品种,因其使用环境的特殊性,对钢的成分设计、冶炼技术和轧制工艺及冶金装备水平均提出十分严格的要求,在焊管的设计和生产及标准的选用上也与常规的输油管线用钢不同。目前国内对于输送酸性气体

11、的管线钢不论是板卷生产还是焊管制造均缺乏实际应用的经验。随着西部管线工程的发展,对酸性环境下使用的输气管线用钢将提出需求。因此,国内冶金企业与管线建设部门应加强合作,加快酸性环境下使用的输气管线用钢的研制与应用。X70高强度高韧性管线钢的生产国际上钢级X70的高强度高韧性管线钢在长输管线上已使用多年,而国内对批量生产和工程使用该钢的经验较为缺乏。随着“西气东输”管线和拟建的“中俄”管线向大口径、高压输送发展的建设需要,也将对X70钢级的高强度高韧性管线钢提出一定的需求。因此,国内应在已有的X65管线钢的经验基础上尽早地进行X70管线钢的研制工作,进行小批量的试制和部分试验段应用,做好工程的前期

12、技术准备工作。管线钢的力学性能要求：1）高强度为了提高输送效率,对大型油、气田的输送和管线设计而言,倾向于提高工作压力和输送管径,因此,对管线钢的强度要求越来越高。目前,管线钢的强度已由最初的RsE289 MPa(X42),提高到RsE482 MPa (X70)、RsE551 MPa(X80),而X100也在开发之中。管线钢的强度包括拉伸强度(Rb)和屈服强度(Rs)。强度随材料成分的不同变化很大,而处理状态不同,强度变化也很大。一般来说,钢的屈服强度增加其塑性、夏比冲击功等将减少,这给输送高压介质并要求韧性、HIC等性能良好的高强钢生产带来了矛盾,因此,促使人们通过固溶强化、晶粒细化等强化手

13、段来使管线钢达到要求的性能。2）高韧性韧性是管线钢的重要性能之一,它包括冲击韧性、断裂韧性等。由于韧性的提高受到强度的制约,因此管线钢生产常常采用晶粒细化这种唯一既可提高强度又能提高韧性的强韧化手段,另外,夹杂物对管线钢的韧性具有严重的危害性,因此,降低钢中有害元素含量并进行夹杂物变性处理是提高韧性的有效手段。为预防管线脆性断裂,一般要求管子的落锤撕裂试验(DWTT-Drop Weight Tear Test)得到的断裂剪切百分比达到50或80,可得到止裂效果。而对于韧性材料,则要求管材的上平台能CVN达到某一数值可得到止裂,这就需要提高材料的韧性值。这样,随着管径和环向应力的增加,对材料韧性

14、提出的要求越来越高。33）良好的焊接性钢材良好的焊接性对保证管道的整体性和野外焊接质量至关重要。近代管线钢的发展最显著的特征之一就是不断降低钢中的 C 含量，随着C含量的降低，钢的焊接性得到明显的改善。钢的化学成分对高强度钢的焊接性有直接的重大影响，提高焊接性能的有效措施是降低 C、P、S 含量和选择适当的合金元素。其次，适当控制 Ti、Al 等的氮化物和 Ti 的氧化物，对降低淬硬性和防止冷裂纹及提高韧性也有好处，加Ca、Re等对防止裂纹和层状撕裂及提高韧性也有效果。1.实验名称稀土元素对X70管线钢的组织和性能的影响2.实验目的稀土元素的添加对钢组织和性能的影响；稀土元素的含量对钢的组织和

15、性能的影响3.实验材料本实验是研究稀土La-Ce加入量对X70管线钢的力学性能的影响。实验选用工业纯铁、中碳锰铁、硅铁、磷铁、碳粉作为实验原料，进行冶炼X70管线钢，病在冶炼过程中通过喂丝的方法加入La-Ce稀土合金。X70管线钢设计成分如表2.1，实验原料化学成分见表2.2表3.1 X70管线钢设计成分表（wt%）X70管线钢CSiMnPSTiVNbAlMoNi Fe取值0.060.251.650.010.010.020.030.050.030.300.2097.39表3.2 实验原料化学成分表（wt%）元素CSiMnPSAlNiFe纯铁0.0030.010.160.0080.0050.41

16、0.0199.36中碳锰铁1.981.475.20.280.01721.12硅铁0.1771.30.0360.0228.47磷铁0.782.218.10.4378.49吸收比80%90%80%99%99%配料计算配料计算如下：设冶炼钢锭质量为M1） 加入中碳锰铁的量为a，则有a75.2%80%=M1.65%;S=a0.017%99%=0.00046%M2) 加入磷铁的量b，则有18.1%99%=M0.01%;b=(M0.01%)/(18.1%99%)=0.0558%MP=b18.1%99%=0.00998%MC=b0.78%80%=0.%MSi=b2.2%90%=0.00105%MS=b0.4

17、3%99%=0.%M3) 加入硅铁的量为c，则0.035%M=0.00105%M+C71.3%90%=0.25%M;C=0.34%MSi=c71.3%90%=0.215%MC=c0.17%80%=0.00046%MS=c0.02%99%=0.%MPc0.36%99%=0.0012%M4) 加入石墨的量为e则e=(0.06-0.003)%M-0.043%M-0.00046%M/(99.99%80%)=0.017%M5） 加入纯铁的量dd=99.39%+2.74%M21.12%+0.0558%M78.49%+0.340%M28.47%=97.34%M设加入的纯铁的量为 x Kg，d=97.34%M

18、=x; M=x/97.34%=1.027x综上计算得配料方程为：当纯铁的量为 x Kg时；中碳锰铁：2.74%M=0.028x磷铁 ：0.0558%M=0.00057x硅铁 ：0.340%M=0.0035x石墨 ：0.017%M=0.00017x4实验钢冶炼设备、原理步骤及稀土加入的方法（1）实验设备ZG-0.01型真空感应炉是冶炼试验钢所用的设备，实验采用践行的MgO坩埚，其单炉 容量是为了在实验过程中做大限度的减少Mn、C元素在原料融化的过程中所造成的烧损。在实验中将实验用钢段在成长条状主要是为了使炉料融化及缩短炉料的融化时间，同事为了防止架桥，因此在装料时，采取的原则是“下紧上松”、“梯

19、度装料”的原则。1）真空冶炼实验所用的钢材使有ZG-0.01型真空感应炉进行冶炼的，此感应炉真空度在大约5Pa除去去反应室中的氧化性气体是调制真空感应炉内真空条件的目的，防止钢水在冶炼过程中被氧化。在真空冶炼理论基础上，形成了钢液真空处理的原理，即当生成的反应物使气体时，如果系统内的压力得到减少，就能使化学平衡朝着气态增多的方向移动，即反应还能在已经达到已经平衡的脱氧、脱碳及脱气的真空环境中持续进行，因而有效的改善了钢液的质量。处于真空环境下，O和C的亲和力与气相压力成反比，尤其是他们生成的气体“CO”，在不污染钢水的同时又能有效的从钢水中溢出，并且在钢水受到搅拌以及沸腾的作用的时候，既能有效

20、去除在钢种的C、O和其他的气体，又能有效的使各种夹杂物上浮。ZG-0.01型真空感应炉2）充氩保护 RexSy、Re2O2S等稀土脱氧脱硫产物当它们遇到空气中的氧使，可产生如下反应：2ReS+2O Re2O2S+S,回硫现象是由于Re2O2S+O Re2O3+S,使得稀土硫化物邢台控制的效果遭到了降低。因此在真空冶炼的时候，为了防止稀土氧化，充入一定量的氮气来用作实验钢的保护气体。（2）实验步骤 烘干装料将稀土La-Ce吊挂在待浇钢锭铸模中抽真空升高温度待钢料完全融化后充入氩气浇筑。冷却水要在实验钢冶炼前通入，且通入的冷却水水压应该大于等于0.2Mpa，同时药哦恩烦的检查炉盖、炉体、线圈及控制

21、柜的通水情况。保证水路正常后，再加入X70钢的小长条原料，然后慢慢开启机械泵和罗茨泵进行抽真空的步骤，直到颅内的真空度小于5Pa后，按着调节钮，然后开始加热炉料。颅内的真空度在原料融化时应该保持较高并且足够长的时间，这样有益于排除有害杂质、非金属夹杂物和气体。逐步升高功率在融化的过程中采用的方法，采用较慢融化的工艺制度，这样不但可以保证避免局部过热，炉料充分预热而且可以使炉料能够在不产生喷溅的情况下充分除气。待炉料完全融化后通过入足量的氩气，使得炉内压力略大于常压，保持两分钟左右将钢液导入钢锭模中。在浇筑前搅拌时应当使用大功率送电，进行可使得钢液的温度和成分更加均匀，教师应该把握一快一慢的原则

22、。（3）稀土La-Ce的加入方法钢种稀土的加入方法主要以喂丝法为主，其次是包内喂入稀土硅铁合金包芯线法，稀土金属棒吊挂法，保内加入稀土硅铁合金法。各厂因设备不同、钢种、浇注工艺的不同而选择不同的方法。使用RE的目的以及炼钢工艺不同,所采用的RE加入方法也应不同。用于脱氧或深脱氧、硫的RE,可在出钢后,将RE块或粉投入、压入或喷入钢包中,并伴以充分的搅拌。模铸时采用中铸管喂RE丝或模内吊挂RE棒可实现RE对钢液的净化、变性和合金化。为达到这一目的,连铸大板坯结晶器喂RE丝也已经取得许多成功经验。但对于多流方坯或圆坯连铸机来说,由于现场操作不便,结晶器喂RE丝的方法受到一定程度的限制。包钢已在大方

23、坯结晶器内进行两轮喂丝试验,在RE元素的均匀分布以及对钢材性能的影响等方面取得了肯定效果,但在喂丝机的速度控制、RE丝的加入数量、RE对结晶器保护渣性能影响等方面还在作进一步调整或研究。3）X70#1钢的锻造实验用钢的锻造试样熔炼之后，进行锻造，已消除钢锭中孔洞、微裂痕等缺陷。所用设备为空气锤，主要工作过程为空行程、悬空、压紧、打击。5.实验步骤1）取样分别将锻造好的1*、2*、3*棒状材料用金相试样切割机切割为约为1立方厘米的正方形块。切割机型号为QG-1型，转速为2800r/min，最大切割截面为3535mm，砂轮片规格250232mm。图为QG-1型金相切割机2）磨制磨制可分为粗磨、倒角

24、和细磨三步。（1） 粗磨：用砂轮机磨平。砂轮机应利用砂轮侧面，试样不断用水冷却，以防温度高造成内部组织发生变化。所用仪器型号：S25T-KW-2000砂轮线速度：40m/s功率：500W（2） 倒角：将粗磨耗的样品进行倒角。倒成45度，以防在抛光中划破抛光布。（3） 细磨：用手持式样直接用纱布和晶相砂纸在玻璃板上进行。我所用的砂纸为绿碳化 硅干湿两用晶相砂纸，所用型号为120#、240#、400#、600#、800#、1200#。注意事项： 磨面与砂纸完全接触，保证试样磨面平整不产生弧线。 每更换一道砂纸应将试样旋转90度再磨，使磨制方向与上一道磨痕方向垂直，一边管产前一道磨痕是否被消除。 更

25、换啥指示应把试样、工作台和手洗干净，防止把粗沙粒带到下一道砂纸上去，摸样时要经常把砂纸上的磨粒抖掉。 在用600#、800#、1200#砂纸时用水磨，以免沙粒嵌入金属内。（4） 抛光抛光的目的是去除试样磨面上经细磨后的细磨痕及微量变形层，最终使磨面呈光亮而无磨痕的镜面。本实验所用抛光方法为机械抛光，抛光机型号为PG-2，抛盘直径为220mm，抛盘转速为900r/min。 所用抛光布为红色细尼抛光布，抛光机为绿色、颗粒极细、硬度很高的氧化铬粉抛光剂。抛光注意事项： 抛光粉都要做成抛光液使用 抛光时应使试样磨面均衡的压在旋转抛光盘上，压力不宜太大，并应使试样沿抛光盘的半径方向从中心到边缘来回移动，

26、试样要拿稳，以防飞出伤人。 抛光过程中药不断注入适量抛光液，若抛光布上抛光液太多，会使钢种夹杂物及铸铁中的石墨脱落，抛光后质量也不好；若太少将使抛光面变得晦暗而有黑斑。3）腐蚀 （1）配置硝酸酒精腐蚀剂 （2）将金相试样用清水冲洗，应棉球沾上腐蚀剂，轻擦抛光面，过5S后用酒精冲洗，然后用吹风机烘干。金相试样夹杂物和显微组织的观察 夹杂物和县委组织的观察所用仪器为蔡氏显微镜。通过金相显微镜可以清楚看到夹杂物、晶界和晶粒大小，用分析比较式样1*、2*和3*以及热处理后的组织和性能的差异，从而分析出稀土加入量对X70#1钢组织和性能的影响以及热处理对X70#1钢组织和性能的影响。（1）显微镜操作步骤

27、打开显微镜电源病打开电脑降幅是好的试样置于载物台上，对准物镜，调整粗调、微调旋钮进行调距知道观察台的图像清晰为止。调整载物台位置，找到所需的视场。点击“输入”按钮进入拍摄页面，点击“capture”得到图像，然后保存。（2）尺寸标注照片拍摄完后，关闭实时采集窗口，图片自动出现在软件主界面，用工具栏中的“缩小”将其缩小到显示器1/4的尺寸，点击“标尺”，选择同晶放大倍数一致的标尺，加载。点击“标注”，选择“插入/标尺”，在图片右下角用鼠标拉出标注的图层，修改数字，选择合适的标尺长度。长度选择的原则上：放大倍数标尺长度（微米）=10000.点击空白处，出现标尺，拖动，拖到合适位置。同事在“显示栏”

28、中设置字体为出号，笔宽为10. 选择“合作”，保存。4）X70管线钢钢硬度的测定 所用仪器为洛氏硬度机。 通过对比加入稀土元素与不加稀土元素后试样的县委硬度变化，分析讨论不同稀土元素含量对X70#1钢硬度的影响。 操作步骤：（1）将试样放在工作台上，顺时针方向转动手轮，使工作台上升至压头接触。（2）继续转动手轮，带动指示器的表盘转动，小指针从黑点对准红点后停止转动，转动指示器表盘，使大针对准“0”。（3）向前搬动加卸实验力手柄，加载荷，停留10S。（4）搬回搬动加载力手柄，卸载，此时指针所指的读数即为钢的硬度值。6.实验数据及分析 1） X70管线钢经腐蚀后在金相显微镜下拍出的实验金相组织图：由显微组织图可以看出：组织均以铁素体为主,且铁素体晶界不平直,呈明显的不规则形变特征,可以看到铁素体内部存在形变带,在针状铁素体上分布着M-A组织,在光学显微镜下为黑色小点或亮灰色圆点，组织粗大且不均匀。X70钢经淬火加高温回火处理后,得到回火索氏体组织,它是铁素体加碳化物的珠光体类组织,其中碳化物是呈颗粒状的1形成上述变化的原因是由于回火温度较高为550e,使淬火后的马氏体针状形态消失,形成多边形铁素体1随着马氏体中过饱