东北大学RAL重点实验室本质细晶钢研究进展 ——热轧无缝钢管、大线能量焊接钢板工业化生产应用

发布人:  发布时间:2021-01-20  浏览次数:17

东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室(RAL)本质细晶钢研究团队,近来在热轧无缝钢管、大线能量焊接钢板领域的工业化生产应用中取得新的突破性进展。

RAL本质细晶钢研究在王国栋院士指导下,青年教师王超博士开展了大量基础研究与工业化技术研究工作,并组成研究团队,不断推动研究成果落地转化实施。本质细晶钢技术主要是针对热轧厚规格钢板、大线能量焊接用钢、热轧钢管/长型材等产品在高温变形或焊接条件下组织难以均匀细化问题,突破传统组织调控与强韧化机制以及工艺条件限制,开展成分−冶炼−轧制−冷却全流程一体化工艺控制,在钢中引入高热稳定性析出相粒子,通过微/纳米第二相颗粒调控细晶转变,协同提升材料综合服役性能,实现先进钢材产品的高性能绿色化高效制造。

(1)热轧无缝钢管领域研究进展

热轧无缝钢管是油气钻采、能源化工、装备制造等领域不可替代的重要基础材料。钢管成形过程经历管坯穿孔、轧管以及定径等工序,变形抗力大,需要在高温下完成。通常管坯加热温度在1250~1300℃,钢管终轧温度在950~1100℃,远高于板带钢1150~1200℃加热、800~850℃终轧。这导致低温控轧细晶技术难以应用,往往靠在线常化或后续离线热处理来改善组织和性能,给高品质管材开发以及生产成本、制造效率和能源消耗等带来诸多不利影响。


热轧无缝钢管加工工艺与常规控轧控冷工艺示意图


研发团队与宝钢合作,开展了本质细晶钢热轧无缝钢管的工业化研发工作。结合实际生产,选取以16Mn为代表的基础成分体系,按本质细晶钢技术路线改进工艺方法,组织管坯冶炼生产,开发出高韧性Q355结构管、N80-Q套管产品,实现典型无缝钢管产品一钢多级、减量化生产。

各工艺下钢管的室温拉伸性能和3/4尺寸冲击韧性如下图。强度方面,常规钢与改进工艺钢在各冷却工艺下均处于同一水平;冲击功方面,在不同冷却工艺条件下,改进工艺钢均优于常规钢,特别是对控冷态的低温冲击和在线淬火态冲击功改善明显。弥散高温析出相的引入显著细化了控冷态的F/P组织和淬火态的B/M组织,提升了热轧钢管基材的综合力学性能,为高品质管材开发生产提供了新的技术手段。


控冷条件下两种钢管的强度和冲击韧性

在线淬火条件下两种钢管的强度和冲击韧性

(2)大线能量焊接钢板领域研究进展

在造船、建筑等行业的大型钢质结构建造中,采用大线能量焊接工艺可显著提高施工效率,节约制造成本。常规钢材在大线能量焊接条件下热影响区HAZ韧性严重恶化以至无法满足使用要求,因此必须采用具备耐大线能量焊接特性的钢材。针对这一问题,日本钢铁领域曾提出氧化物冶金技术,我国也开展了大量相关研究。截至目前,综合国内外研发和生产现状来看,氧化物冶金技术已经取得了显著进展,但仍存在尚未克服的缺陷和问题。

氧化物冶金技术的炼钢工艺窗口较窄,对冶炼过程各工序的合金加入方法、氧位控制以及成品钢中的总氧含量、氧化物分布都有较严格限制,这增大了现场实施难度和对操作人员的技术要求。用于大线能量焊接场合的钢板一般需要精炼脱硫脱气处理,然而氧化物冶金需要进行留氧操作,不利于钢水的短时间内深脱硫。这样,对炼钢原料又提出了较高要求,同时往往需要加入一些贵重的特殊合金添加剂,造成控氧、脱硫、合金化的工序更为复杂,对生产节奏制约较大,因此对成本、功耗、产能和现场调度均带来不利影响。此外,氧化物冶金钢的大线能量焊接性能依赖于钢中夹杂物的分布,不同炉次间以及同板坯内的性能波动性问题也不容忽视。

本研究团队在前期对氧化物冶金技术研发的基础上,提炼出大线能量焊接热影响区组织调控机制,沿用了其高温奥氏体晶粒钉扎细化和晶内铁素体相变形核的调控思路,开发出新型成分工艺技术体系,并在鞍钢成功实现工业化生产应用。新技术不依赖于氧化物冶金工艺路线,不存在上述各类问题的困扰,实现了在不改变冶炼工序、不影响生产节奏、不添加特殊合金、不增加冶炼成本的条件下进行大线能量焊接钢板的开发生产。

工业生产选用Q355B普板,基本成分体系为0.17%C-Si-Mn-Nb系,冶炼工艺基于转炉流程,LF精炼时间≤30min。钢板采用高效轧制工艺,在1000℃以上进行高温终轧,提高了生产节奏,轧制厚度为30mm和40mm两种规格。钢板取样进行了焊接评定实验,采用气保焊和气电立焊两种焊接方法,焊接实验过程与参数如下。

焊接实验工艺参数

焊接实验及试样加工过程

不同焊接条件下焊接接头各位置的冲击实验结果如下列各图所示。显然,各条件下冲击韧性均能满足标准要求。同时发现,对于焊缝金属(WM),气保焊条件下冲击功高于气电立焊,线能量的提高使冲击韧性下降;而对于FL+1mm位置的热影响区,与气保焊相比,大线能量气电立焊下冲击韧性未见下降反而得到明显提升。

对40mm厚钢板气电立焊的各焊接接头位置进行了低温冲击测试,在-40℃时整个焊接接头仍具有较高韧性水平,但温度降至-60℃后,熔合线附近位置呈完全脆断状态,已无法使用。但考虑到在0.17%C含量的Q355B基材成分下,大线能量焊接接头就已达到E级韧性水平,充分体现出其性能进一步提升的空间和在高级别品种钢中的良好应用前景。受板厚限制,焊接线能量不能进一步提高,更高线能量的实验通过热模拟机完成,400kJ/cm焊接热模拟实验仍表现出良好的低温韧性,目前正在开展更高线能量热模拟实验研究。

测试温度

目前,已围绕本质细晶钢技术申请专利19项,已授权11项,发表论文17篇,为该技术在各产品领域的推广应用奠定了良好基础。