管線鋼的冶煉工序主要包括高爐煉鐵，鐵水預(yù)處理，轉(zhuǎn)爐煉鋼，爐外精煉，真空脫氣，鑄坯連鑄。在冶煉過程中應(yīng)滿足API 管線鑄坯的主要目標(biāo)是嚴(yán)格控制化學(xué)成分，控制鋼水的潔凈度，降低鑄坯中心偏析，良好的鑄坯表面質(zhì)量。每個工序都要嚴(yán)格控制。鐵水預(yù)處理要進(jìn)行深脫硫，使鐵水中的硫含量降低到0.002%以下。轉(zhuǎn)爐冶煉要嚴(yán)格控制成分、溫度和渣量，降低鋼水中氧氮含量，嚴(yán)格控制出鋼溫度。爐外精煉工序調(diào)整成分，防止鋼水的增氮和增碳，對鋼水進(jìn)行攪拌，使大顆粒夾雜物上浮。真空脫氣主要是降低鋼中氫、氧、氮含量，保證鋼水純凈。連鑄全過程采用保護(hù)澆注，防止鋼水增氮和二次氧化現(xiàn)象，控制拉坯速率，采用輕壓下技術(shù)，有效控制連鑄坯內(nèi)部和表面的質(zhì)量，改善中心偏析和中心疏松。
高強韌性管線鋼的連鑄坯厚度規(guī)格視軋機(jī)而定，一般寬厚板軋機(jī)連鑄坯厚度在200mm以上，最大可達(dá)600mm，一般為爐卷軋制或熱連軋卷板軋制的連鑄坯厚度多在150mm 以下。目前，也有采用厚度50mm 的薄板坯，該工藝主要利用Nb、V 微合金化技術(shù)生產(chǎn)厚度小于12mm 鋼帶，彌補壓縮比不足所導(dǎo)致的性能惡化。連鑄坯厚度是保證鋼板具有足夠的壓縮比，從而抑制軋制過程中奧氏體晶粒粗化，達(dá)到細(xì)化組織的目的，見圖1.8。
圖1.8 管線鋼冶煉工藝示意圖[1]
目前，生產(chǎn)API 管線鋼板和鋼帶的軋機(jī)類型主要有三種：熱連軋機(jī)、爐卷軋機(jī)和中厚板軋機(jī)。鋼卷一般用熱連軋機(jī)或爐卷軋機(jī)生產(chǎn)，而平板鋼板一般利用往復(fù)式中板軋機(jī)生產(chǎn)，也可以用爐卷軋機(jī)生產(chǎn)。典型的中板軋機(jī)是雙機(jī)架四輥可逆軋機(jī)，少量的采用可逆式單機(jī)架軋機(jī)。為提高軋機(jī)作業(yè)率，可通過添加初軋機(jī)架將鑄坯厚度軋制到中間坯厚度，然后再進(jìn)入精軋機(jī)架軋制。由于沿鋼板長度方向的溫度降低，常規(guī)中板軋機(jī)根據(jù)其終端產(chǎn)品的厚度，鋼板的長度一般都在50m以內(nèi)。熱連軋機(jī)組一般由一架或兩架四輥可逆初軋機(jī)架及4～7個機(jī)架四輥連軋構(gòu)成。根據(jù)鋼帶的厚度規(guī)格變化，鋼卷的長度甚至可達(dá)到800m。爐卷軋機(jī)的典型特征是在四輥可逆軋機(jī)的兩端各添加一個熱卷箱，因為緩解了溫降問題，爐卷軋機(jī)也可生產(chǎn)像熱連軋機(jī)組一樣長度的鋼帶。目前，寬3m，厚22mm，重量達(dá)35～40 t的鋼卷可通過這種工藝生產(chǎn)。所有這些軋機(jī)布局均可配備各種加速冷卻裝置。冷卻能力可以從系統(tǒng)總能力1000～20000m3/hr，發(fā)展到使厚度大于50mm鋼板的冷卻速度達(dá)到15～20℃/s。
管線鋼軋制技術(shù)的主要目標(biāo)是控制鋼板的平直度，保持加熱和軋制過程中的溫度控制來滿足產(chǎn)品的要求——組織、力學(xué)性能。軋制過程首先是將鋼坯加熱到預(yù)定溫度并使鋼中微合金元素充分固溶，一般加熱到1200℃左右，保溫一定時間后進(jìn)行軋制。目前普遍采用兩種典型的軋制工藝之一進(jìn)行控軋，這兩種典型軋制工藝是常規(guī)軋制和熱機(jī)械處理(TMCP)。根據(jù)鋼的再結(jié)晶終止溫度以下的變形程度，以及相對于鋼的相變溫度而設(shè)定的終軋道次的溫度不同，這兩種典型軋制工藝還可以分解出更為細(xì)致的軋制技術(shù)方案。各種軋制技術(shù)可能伴隨或不使用某些形式的加速冷卻方法。
常規(guī)熱軋又分為熱軋(HR)和控制軋制(CR)兩種，二者的區(qū)別是：熱軋過程中無須考慮終軋溫度，只保證鋼板形狀和板厚尺寸控制，道次數(shù)量、道次壓下率等僅以軋機(jī)能力為基礎(chǔ)進(jìn)行終端產(chǎn)品的幾何形狀控制。而控制軋制則需要控制終軋溫度和精軋變形量(中間坯厚度應(yīng)為鋼板厚度兩倍以上)。
熱機(jī)械控制(TMCP)軋制是目前高鋼級管線鋼生產(chǎn)普遍采用的工藝，也叫控軋控冷工藝。熱機(jī)械軋制的工藝特點是在鋼板的軋制過程中，通過控制板坯的加熱溫度、控制軋制開始和結(jié)束溫度，以及采用軋制后加速冷卻的方式控制鋼板開冷溫度、終冷溫度和冷卻速率的特殊軋制工藝。TMCP工藝可以在獲得超細(xì)化組織的同時，使鋼中合金元素添加量大為降低，另外也不需要后續(xù)的熱處理即可獲得高強度高韌性的管線鋼，TMCP工藝被認(rèn)為是一種節(jié)約資源、環(huán)境良好的工藝，近年來得到了快速發(fā)展，特別是在高等級管線鋼中得到了全面應(yīng)用。TMCP軋制時嚴(yán)格控制中間坯厚度與終端鋼板厚度的比值在3～5之間，終軋溫度應(yīng)接近于鋼的Ar3溫度。在Ar3 溫度50℃以上實施所謂的兩階段軋制，可通過位錯強化來進(jìn)一步提高鋼的強度。
由TMCP工藝演化而來的是高溫軋制工藝，也叫HTP軋制工藝，新一代高溫軋制工藝(HTP)是生產(chǎn)可焊接的高強度低合金鋼中厚板和板卷的經(jīng)濟(jì)型技術(shù)。國際上成功的生產(chǎn)和應(yīng)用實踐經(jīng)驗證明，HTP工藝可用于高強度管線鋼(X70～X120)和高強度建筑、造船等結(jié)構(gòu)鋼的生產(chǎn)。HTP工藝原理是通過降低碳含量(一般低于0.06%)的同時提高鈮含量(高達(dá)0.11%)的合金設(shè)計，使鋼在TMCP軋制過程中，利用固溶鈮提高奧氏體的再結(jié)晶溫度，使控制軋制可以在更高的溫度進(jìn)行，從而降低了軋機(jī)的負(fù)荷，尤其適合軋機(jī)壓下力不足的軋機(jī)生產(chǎn)高強度鋼;同時配合合適的軋后冷卻工藝，利用固溶鈮對相變的影響，促進(jìn)針狀鐵素體或低碳貝氏體組織的形成，從而可以替代或部分替代價格昂貴的鉬，達(dá)到最終提高強韌性、焊接性能和抗硫化氫應(yīng)力腐蝕性能的目標(biāo)。對于HTP軋制工藝，必須根據(jù)所需微觀組織、軋制規(guī)程、出料長度、最終力學(xué)性能以及軋機(jī)能力來決定總的Nb加入量，從而保證獲得最優(yōu)的性能配合。HTP也采用控軋的中間坯厚度與終端鋼板厚度的比值為3～5 的軋制技術(shù)，但溫度范圍比TMCP高，一般為 925～1020 ℃。因為含Nb 量高，終軋溫度一般在Ar3的80℃左右。
加速冷卻系統(tǒng)是控軋控冷工藝生產(chǎn)管線鋼的重要工序，加速冷卻一般應(yīng)用在X60以上高級別管線鋼中，加速冷卻工藝是提高管線鋼力學(xué)性能的重要途徑，通過加速冷卻抑制了軋后奧氏體再結(jié)晶和晶粒長大，同時使微合金元素鈮和鈦的碳氮化物在較低的溫度析出，通過晶粒細(xì)化和析出強化機(jī)制提高了鋼材的力學(xué)性能。加速冷卻在不降低管線鋼韌塑性指標(biāo)的前提下提高了鋼的強度指標(biāo)。與只采用熱軋工藝相比，控軋后采用加速冷卻工藝，如果冷卻速度提高到10℃/s，鋼的屈服強度可增加20～50MPa。但是對含鈮鈦微合金管線鋼，采用較佳的控制軋制和加速冷卻工藝后所得到的性能是控制軋制和加速冷卻的綜合結(jié)果。在控制軋制和加速冷卻過程中，使添加的微合金元素產(chǎn)生顯著的晶粒細(xì)化和中等的沉淀強化作用，能夠更好地發(fā)揮微合金元素的作用。
在傳統(tǒng)加速冷卻工藝的基礎(chǔ)上，日本的JFE鋼鐵公司通過改進(jìn)加速冷卻設(shè)備，開發(fā)了一種新的加速冷卻系統(tǒng)，業(yè)內(nèi)稱之為Super-Olac超快冷技術(shù)[5]，該技術(shù)的特點是利用新的水流控制技術(shù)使冷卻速度達(dá)到理論極限速度，實現(xiàn)鋼板上下表面以及寬度和長度方向上的冷卻一致性，同時可以保證終冷溫度的精確控制。該技術(shù)在日本鋼鐵企業(yè)高鋼級管線鋼的生產(chǎn)中得到了充分應(yīng)用，通過該技術(shù)管線鋼可以獲得良好的強韌性能，通過相變強化和組織細(xì)化提高強度和韌性，見圖1.9。
圖1.9 JFE超快冷工藝?yán)鋮s能力與普通ACC冷卻工藝的對比[5]
