5000mm管線鋼軋制規(guī)程設(shè)計

1、學(xué) 號： 0HEBEI POLYTECHNIC UNIVERSITY課程設(shè)計論文題目: 5000mm管線鋼軋制規(guī)程設(shè)計學(xué)生姓名： 專業(yè)班級：06成型2班 學(xué) 院：指導(dǎo)教師： 2010年03月12日 引 言管線鋼是指用于輸送石油、自然氣等的大口經(jīng)焊接鋼管用熱軋卷板或?qū)捄癜?。一般采用中厚板制成厚壁直縫焊管，而板卷用于生產(chǎn)直縫電阻焊管或埋弧螺旋焊管。我國國內(nèi)能生產(chǎn)符合API5L標(biāo)準(zhǔn)的管線工程設(shè)計要求的管線鋼僅有10多年的歷史，首推寶鋼，還有鞍鋼、武鋼、攀鋼、酒鋼、舞鋼等，穩(wěn)定生產(chǎn)X60X70級管線鋼并在國際市場上占有一定的地位，目前已投入生產(chǎn)的X80級管線鋼質(zhì)量也達(dá)到了國際先進(jìn)水平，X100級管線鋼

2、已經(jīng)研制出來，尚未投入批量生產(chǎn)。X80是高強度管線鋼的美國分類型號。其最小屈服值（MPa）為552；這一概念屬于材料力學(xué)范疇的概念，屈服值是指材料拉伸時在屈服階段的應(yīng)力值，屈服應(yīng)力是指屈服階段到勁縮階段的臨界值。X80即管線鋼管最小屈服強度80000 PSI（552MPa）。 PSI英文全稱為Pounds per square inch。P是磅pound，S是平方square，I是英寸inch。把所有的單位換成公制單位就可以算出：1bar14.5 PSI ，1 PSI =6.895kPa=0.06895bar 歐美等國家習(xí)慣使用PSI作單位管線鋼在使用過程中，除要求具有較高的耐壓強度外，還要求

3、具有較高的低溫韌性和優(yōu)良的焊接性能。管線鋼主要用于制造石油天然氣輸送鋼管,對強度、韌性、焊接性能、成型性能、抗疲勞性能等要求極為嚴(yán)格,其工藝復(fù)雜、生產(chǎn)難度大?，F(xiàn)代管線鋼屬于低碳或超低碳的微合金化鋼，是高技術(shù)含量和高附加值的產(chǎn)品，管線鋼生產(chǎn)幾乎應(yīng)用了冶金領(lǐng)域近20多年來的一切工藝技術(shù)新成就。目前管線工程的發(fā)展趨勢是大管徑、高壓富氣輸送、高寒和腐蝕的服役環(huán)境、海底管線的厚壁化。因此現(xiàn)代管線鋼應(yīng)當(dāng)具有高強度、低包申格效應(yīng)、高韌性和抗脆斷、低焊接碳素量和良好焊接性、以及抗HIC和抗H2S腐蝕。優(yōu)化的生產(chǎn)策略是提高鋼的潔凈度和組織均勻性，C009、S0005、P001、O0002，并采取微合金化，真空脫

4、氣CaSi、連鑄過程的輕壓下，多階段的熱機械軋制以及多功能間歇加速冷卻等工藝。目前國內(nèi)外管線規(guī)范中沒有管線用鋼材的韌性指標(biāo)，僅對管材有具體要求：（1）最低使用溫度下（5）DWTT85SA；（2）最低使用溫度下（5）夏比沖擊吸收功145J。 目 錄1 管線鋼的發(fā)展31.1 管線鋼使用31.1.1 管線鋼的高壓 輸氣管線的延性斷裂與止裂性能要求31.1.2管線鋼的技術(shù)要求41.1.3 管線鋼的標(biāo)準(zhǔn)與檢驗61.1.4 氫誘發(fā)裂紋（HIC）61.2 管線鋼的成分設(shè)計與生產(chǎn)工藝61.2.1 成分61.2.2 管線鋼生產(chǎn)工藝要求71.3 管線鋼種類81.3.1 超純凈管線鋼81.3.2 高強度高韌性管線鋼

5、81.3.3 易焊管線鋼91.3.4 高抗腐蝕管線鋼101.4管線鋼生產(chǎn)方式101.4.1 傳統(tǒng)半連續(xù)熱帶生產(chǎn)線的管線鋼生產(chǎn)111.4.2 ASP中板坯半連續(xù)熱帶生產(chǎn)線的管線鋼生產(chǎn)111.4.3 CSP熱帶生產(chǎn)線的管線鋼生產(chǎn)111.4.4 FTSR熱帶生產(chǎn)線的管線鋼生產(chǎn)112 坯料選擇102.1 坯料的種類102.2 坯料的尺寸102.3 坯料的材質(zhì)102.4 原料表面的缺陷清理103 軋機選擇123.1 軋機類型及其布置的比較123.1.1 中厚板軋機形式123.1.2 中厚板軋機的布置133.2 中厚板軋機選擇133.2.1 新型軋機133.2.2 軋機選擇143.2.3 高精度軋制技術(shù)1

6、54 壓下規(guī)程164.1 壓下規(guī)程設(shè)計方法164.2 典型產(chǎn)品壓下規(guī)程設(shè)計164.2.1 典型產(chǎn)品的軋制條件164.2.2 軋制道次確定164.2.3 典型產(chǎn)品X80高強度管線鋼軋機壓下規(guī)程設(shè)計174.3 輥縫計算235 軋輥強度及主電機能力校核245.1 軋輥強度校核245.1.1 支撐輥校核245.1.2 工作輥的校核275.1.3 接觸應(yīng)力計算285.2 主電機能力校核306 年產(chǎn)量計算346.1 軋制圖表346.1.1 研究軋機軋制圖表的意義346.1.2 軋制圖表的基本形式及其特征346.1.3 軋制圖表的計算356.2 年產(chǎn)量的計算366.2.1 軋機小時產(chǎn)量計算366.2.2 軋

7、鋼機平均小時產(chǎn)量376.2.3 年產(chǎn)量的計算386.2.4 提高年產(chǎn)量的途徑397 板凸度407.1 板型控制理論407.2 板型控制策略417.3 板凸度計算427.4 影響輥縫形狀的因子計算447.5 板型控制量計算結(jié)果46參考文獻(xiàn)481 管線鋼的發(fā)展1.1 管線鋼使用世界第一條原油輸送管道是1865年建在美國賓西法尼亞州從油田到火車站的口徑2英寸長9754米的管道；到目前為止，世界石油和天然氣管道總長200萬公里以上，最大的口徑1420mm，壁厚25mm。世界著名的輸油、輸氣管道有美國的阿拉斯加輸油、輸氣管道、俄羅斯的友誼輸油管、沙特阿拉伯的東西輸油管、美國西東輸油管、北海油田的海底管線

8、等。本世紀(jì)60年代以前，采用X42、X46、X52、X56，1960年以后提高到X60，60年代后期采用X65，1973年開始使用X70，現(xiàn)在主要使用X70，并且開發(fā)出X80和X100等級別的管線鋼。現(xiàn)代管線的發(fā)展是高壓輸送，對強度、韌性要求高； 1870年 0.25MPa 1950-1960 6.2MPa 1970-1980 10MPa 1998 14MPa目前，管道運行壓力最高16MPa，我國西氣東輸工程為10MPa。常用管徑與厚度見表一。表1管道名稱位 置管徑 mm厚度mm輸送介質(zhì)Zeepipe挪威比利時121313.70天然氣Slabe Island加拿大112314.30天然氣Sou

9、ris alley美國加拿大102415.00CO2FLAGS蘇格蘭124514.01天然氣FLAGS蘇格蘭121414.01天然氣Ruhrgas德國123013.34天然氣Iroqnois加拿大美國9569.92天然氣Alliance加拿大美國133415.06天然氣另外由于采用富氣輸送策略，即在源頭不進(jìn)行分餾處理，將重?zé)N氣留在天然氣中輸送，到用戶地時再分餾，故對耐腐蝕性要求很高。1.1.1 管線鋼的高壓 輸氣管線的延性斷裂與止裂性能要求高壓輸送天然氣管線與輸油管線的最大區(qū)別在脆性斷裂和延性斷裂的擴展特點。原油的減壓速度為2,000 m/s 左右，管線一旦發(fā)生斷裂，內(nèi)壓立即降低，斷裂就停止了

10、。而輸氣管線對天然氣的壓縮比大，天然氣的減壓速度較慢為400 m/s 左右，在管壁以 5001000m/s 快速傳播的脆性斷裂時，輸氣管道的斷裂就容易長距離傳播。1.1.2管線鋼的技術(shù)要求1）強度 細(xì)化晶粒是唯一能增加強度并同時改善夏比沖擊韌性的強化機制，因此，在標(biāo)準(zhǔn)中有韌性要求時，細(xì)化晶粒是管線鋼最基本的要求。表2 API-5LX強度與屈強比標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格屈服強度 N/mm2抗拉強度 N/mm2屈強比X422904150.7X463204350.73X523604550.79X563804900.77X604155200.8X654455300.84X704805600.86X805506200.

11、89X855906550.92）屈強比 屈強比越低，鋼管從開始塑性變形到最后斷裂的變形容量越大，因而也越安全，國際上大部分石油公司對屈強比的要求小于等于0.9。對于高強度鋼管（特別是高強度低合金控制管線鋼生產(chǎn)的鋼管）屈強比較高，有時X70會超過0.93；屈強比高也有有利的一面，鋼管爆破壓力與屈強比成正比。表3 各種標(biāo)準(zhǔn)下強度與屈強比規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范名稱對屈強比的規(guī)定1API Spec 5LX80擴徑管：YR0.93，其他無要求2ISO3183-2X42-X52：YR0.85，X60-X80，YR0.93ISO3183-3X42-X52：YR0.90，X60-X80，YR0.924GB9711.1

12、無要求5CAN3-Z245.1-86無要求6TransCanada P-40YR無要求，但要求均勻延伸率大于107Snampragetti pc/TB-F-700高于X65的擴徑管YR0.90，其余0.858SHELL GROUP L-3-2/3YR0.909PEMEX TSA-001YR0.8510DNV 海上鋼管安全規(guī)范對擴徑管YR0.90，一般要求YR0.8511ARCO4957ALCSSL1001YR0.9012俄 7586對X65， YR0.903）韌性：細(xì)化晶粒在提高強度的同時也改善了韌性，盡管細(xì)化晶?？梢愿纳祈g性，并可獲得所要求的落錘撕裂試驗結(jié)果，但是若C、S含量高，脫氧不充分，

13、鋼的實際夏比沖擊功很低。韌性要求的作用：（1）避免通常的斷裂發(fā)生（2）防止脆性斷裂（3）限制延性斷裂指標(biāo)要求：落錘撕裂試驗（DWTT）；夏比沖擊值（CVNFTP、NDT、50FATT、80FATT）；積分試驗等 圖1 夏比沖擊功4）塑性 管線鋼的塑性用冷彎性能指標(biāo)評價，冷彎試驗要求：Rt 180o 外表面及內(nèi)側(cè)無裂紋；5）焊接性能 焊接性能用碳當(dāng)量Ce和裂紋敏感性系數(shù)Pcm評定Ce=C+Mn/6 +(Cr+Mo+V)/5 +(Ni+Cu)/15Pcm=C+(Mn+Cr+Cu)/20 +V/10 +Mo/15 +Si/30 +Ni/60 +5B6）抗腐蝕性能應(yīng)力腐蝕開裂（SCC）：SCC擴展速度

14、隨溫度的提高而加快，與冶金加工方法關(guān)系不大，采用噴丸處理可以大大改善SCC抗力，涂層也是有效的辦法7）止裂性能一般要求管子的DWTT試驗得到的斷口剪切百分比（SA）達(dá)到50或80（不同氣候條件規(guī)定不同），可以得到止裂效果；對于韌性材料，則要求管材的上限平臺能Cv達(dá)到某一數(shù)值時可得到止裂。加拿大ALLIANCE 管線對管道起裂韌性要求值的計算管徑914mm14.4 mm, X70，運行壓力 12 Mpa，容許的貫穿缺陷最大長度147mm, 要求最低韌性49J1980年代所進(jìn)行的輸氣管線全尺寸爆破止裂實驗發(fā)現(xiàn)，隨著輸送壓力增高，管徑加大，X70高強度管線鋼的應(yīng)用，管道所需要的止裂韌性達(dá)到對當(dāng)時鋼鐵

15、工業(yè)條件是相當(dāng)高的數(shù)值，從而提出，在保證管線鋼夏比沖擊韌性一定水平先提下采用止裂環(huán)的作法。到1990年代，超高韌性針狀鐵素體管線鋼進(jìn)入輸氣管線工程領(lǐng)域使輸氣管道有可能依靠自身的高韌性對延性斷裂止裂。1999年加拿大Alliance 管線對X70針狀鐵素體管道（外徑1016mm，管壁11.4mm，壓力8.2Mpa ）全尺寸富氣爆破實驗得出止裂韌性為215J。根據(jù)日本HLP經(jīng)驗關(guān)系(鐵素體-珠光體管線鋼試驗結(jié)果) 對西氣東輸X70管線鋼管道（外徑1016mm，管壁14.7mm，壓力10Mpa)的止裂韌性推算值為120J。根據(jù)BMI的TCM經(jīng)驗關(guān)系(針狀鐵素體管線鋼試驗結(jié)果)對西氣東輸X70管線鋼管

16、道的止裂韌性推算值為90J 110J。針狀鐵素體管線鋼所需的止裂韌性值略低于前一種管線鋼1.1.3 管線鋼的標(biāo)準(zhǔn)與檢驗表4鋼 級X52X56X60X65X70三個試樣的最小平均沖擊功(J)3639424549單個試樣最小沖擊功(J)27303234371.1.4 氫誘發(fā)裂紋（HIC）管線鋼對氫誘導(dǎo)開裂（HIC）有特殊要求。脫硫可以阻止HIC開裂，但是只采用該工藝并不能完全解決這一問題，1972年，阿拉伯Ummshaif含酸性原油管線破裂，該管線采用的是低碳微合金鋼，S小于0.005%，由于控軋工藝不良，終軋溫度為659680處于兩相區(qū)，形成了較嚴(yán)重的帶狀組織，為提高管線鋼抗HIC性能，現(xiàn)代管線

17、鋼要求（1）提高鋼的純凈度、采用精料、高效鐵水預(yù)處理、復(fù)合爐外精煉。達(dá)到S0.001%，P0.010, O20ppm，H1.3ppm；如NKK規(guī)定，高鋼級抗HIC鋼的S、P、N、H、O及Pb、As、Sn、Bi、10個元素之和應(yīng)小于80ppm；（2）提高成分和組織均勻性，在降低S含量的同時，進(jìn)行Ca處理、電磁攪拌、鑄坯輕壓下、多階段控軋、強制加速冷卻，限制帶狀組織形成；（3）細(xì)化晶粒，主要通過合金化和控軋控冷工藝達(dá)到；（4）盡量降低C含量（通常C0.06%），控制Mn含量，添加Cu。錳在鋼中主要起固溶強化作用,根據(jù)API標(biāo)準(zhǔn),管線鋼通常選擇Mn1.5%以彌補碳含量降低造成的強度損失。并且,近年來

18、的研究表明，Mn2.0%時鋼的強度隨錳含量的增加而提高,而沖擊韌性下降的趨勢甚小,且不影響其脆性轉(zhuǎn)變溫度,這為開發(fā)高韌性管線鋼創(chuàng)造了極為有利的條件。但是,錳含量過高會造成鋼板帶狀組織嚴(yán)重,韌性降低及各向異性等問題。1.2 管線鋼的成分設(shè)計與生產(chǎn)工藝1.2.1 成分1）管線鋼一般成分為CMn鋼，顯微組織為鐵素體珠光體，晶粒尺寸為68m。現(xiàn)代的管線鋼含多種微量元素，并且在軋制上，采用TMCP技術(shù)，最終多為X45-X60；2）珠光體鐵素體類型，珠光體15，C：0.06-0.09%，Nb+Ti+V0.12%，控制軋制，軋后時效硬化，鋼級為X52-X65；3）針狀鐵素體/貝氏體類型，超純、超低碳鋼，C：

19、0.02-0.05%，S0.003-0.005%，Mn-Mo-V鋼或Mn-Mo-Nb鋼，控制軋制后強制冷卻，X52-X80；多相鋼，X100-X120.在微合金管線鋼中的各種元素作用如下：Nb細(xì)化晶粒、析出強化，標(biāo)準(zhǔn)中Nb的下限為0.005%，實際上在鋼中都在0.030.05%之間，為標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的下限值的6.010.0倍；V作用同Nb，與Nb復(fù)合加入更有利；沉淀強化，提高強度；國外實物中V控制在0.05-0.10%之間。為API標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定下限含量的2.55.0倍；Ti可以提高鋼的晶粒粗化溫度，促進(jìn)晶粒細(xì)化，提高強度和韌性。固溶與析出強化，與S親合力強改變S化物形態(tài)；特別是對提高焊接熱影響區(qū)的韌

20、性有獨特的貢獻(xiàn)；C通常較低，（一般在0.20%以下，最低僅0.03%）Ce0.4%，甚至更低，Pcm0.20%，以提高韌性，改善焊接性；Mn管線鋼中的主要元素，有固溶強化，補償降碳造成的強度損失的作用，可以推遲鐵素體和珠光體的相轉(zhuǎn)變，并降低貝氏體轉(zhuǎn)變溫度，有利形成細(xì)晶粒組織。分析國外實物可以看出，錳在中上限；但是，錳含量過高，在制管時對焊接不利，會引起MnS夾雜和偏析，造成帶狀組織；S通常S0.005%，最低可達(dá)0.001%, 相當(dāng)于API標(biāo)準(zhǔn)上限的1/101/20。Mo有利針狀組織的發(fā)展，因而能在極低的碳含量下得到很高的強度管線鋼中加入鈣、鋯或稀土金屬，可以改變硫化物和氧化物的成分，使硫化物

21、、氧化物的塑性降低，塑性變形時保持球狀，以降低各向異性,稀土與硫的比例控制在2.0左右比較合適；控制非金屬夾雜物的體積百分?jǐn)?shù)、形狀及分布：管線鋼板的力學(xué)性能，特別是斷裂時總延伸和沖擊功都受非金屬夾雜物的體積百分?jǐn)?shù)、形狀及分布的影響。造成了冷彎時出現(xiàn)開裂，焊接時出現(xiàn)層狀撕裂，以及厚度方向上出現(xiàn)延性降低。鋼中的非金屬夾雜物主要是硫化物和氧化物。由于氧化物的體積百分?jǐn)?shù)是比硫化物的小得多，所以硫化物是主要問題1.2.2 管線鋼生產(chǎn)工藝要求表5 生產(chǎn)高質(zhì)量管線鋼的技術(shù)保證與工藝手段技術(shù)保證工藝手段煉鋼對主要元素（如C、Mn、Ti、Nb、B、Mo、Al等)含量的控制降低S、P、O、N、H等雜質(zhì)含量到合理水

22、平降低非金屬夾雜含量即夾雜物形態(tài)控制確定成分在性能上和經(jīng)濟上的最佳含量，通過精煉手段來實現(xiàn)鐵水脫硫，鋼包精煉和真空脫氣，注意耐火材料的雜質(zhì)滲出，改變鋼水成分，注意控制氮含量，減少Nb、AIN析出噴粉或喂絲處理澆鑄保證鋼液及鋼坯化學(xué)成分的均勻電磁破碎與攪拌，壓力澆注，注意水口耐火材料的雜質(zhì)滲出，減少保護(hù)渣雜質(zhì)熔入。板卷表面裂紋的發(fā)生根源在連鑄工序。連鑄薄板坯容易發(fā)生表面縱向裂紋，發(fā)生原因與鋼水成分、溫度、連鑄拉速、保護(hù)渣、連鑄設(shè)備等密切相關(guān)。通過對以上因素的控制，能有效地防止縱裂的出現(xiàn)，特別是有效地杜絕了成批的出現(xiàn)。加熱準(zhǔn)確控制加熱溫度和加熱時間，使鈮等元素充分溶解微機控制 人工智能軋鋼控制軋制

23、粗軋在再結(jié)晶條件下大變形軋制，充分破碎并充分回復(fù)，精軋在未再結(jié)晶區(qū)軋制，防止軋后晶粒長大。晶軋末兩道次大壓下，形成細(xì)小晶粒。妥善解決末道板形控制，確保板帶平直度卷取控制冷卻微機控制層流冷卻強度 保證低溫卷取后長時期冷卻過程中晶粒只恢復(fù)，不長大1.3 管線鋼種類1.3.1 超純凈管線鋼超純凈鋼一般是指鋼中總含氧量和S、P、N、H含量很低的鋼。雜質(zhì)元素對鋼材的性能產(chǎn)生不利影響，對鋼管來講，總含氧量高降低鋼的韌性與延展性；S降低鋼的沖擊韌性；P能顯著降低鋼的低溫沖擊韌性，提高脆性轉(zhuǎn)變溫度，使鋼產(chǎn)生冷脆；氮化物破壞鋼的焊接性能。要提高管線鋼的性能，必須系統(tǒng)地降低鋼中雜質(zhì)元素的含量。隨著現(xiàn)代冶金技術(shù)的發(fā)

24、展，已經(jīng)能夠確保 S、P、O、N、H 等雜質(zhì)元素和Pb、As、Sn、Sb、Bi等痕跡元素低或超低含量的管線鋼生產(chǎn)。通過鐵水預(yù)處理、轉(zhuǎn)爐精煉、鋼包冶金和連鑄等多步冶金新技術(shù)和新工藝，目前世界上最具有競爭力的管線鋼純凈度可達(dá)到S0.0005%、P0.005%、N0.002%、O0.001%和H0.0001%。然而，在工業(yè)上要完全消除夾雜物是不可能的。所以對夾雜物的形態(tài)進(jìn)行控制已成為獲取優(yōu)質(zhì)管線鋼的重要手段。其基本方法是向鋼中加入Ca、Zr、Ti、稀土等元素，控制夾雜物形態(tài)，提高管線鋼的韌性指標(biāo)13。1.3.2 高強度高韌性管線鋼1. 鐵素體珠光體管線鋼。20 世紀(jì)60年代以前，管線鋼的基本組織形態(tài)

25、為鐵素體和珠光體（X52以下），基本成分是 C-Mn，一般采用熱軋和正火熱處理。2. 少珠光體管線鋼。為避免珠光體對管線鋼韌性的損害，20世紀(jì) 60年代末出現(xiàn)了以 X56、X60 和X65 為代表的少珠光體鋼。少珠光體鋼含碳量一般小于 0.1%，Nb、V、Ti的總量小于0.1%。這類鋼突破了傳統(tǒng)鐵素體珠光體鋼熱軋正火的生產(chǎn)工藝，進(jìn)入了微合金化鋼控軋的生產(chǎn)階段。特別是近年來掌握了 Nb、V、Ti等碳化物在高溫變形過程中的沉淀動力學(xué)和基體再結(jié)晶之間的關(guān)系后，少珠光體管線鋼的強韌水平取得了新的進(jìn)展。然而，在保證高韌性和良好焊接性能條件下，少珠光體鋼強度的極限水平為 500550MPa。3. 針狀鐵素

26、體管線鋼。為進(jìn)一步提高管線鋼的強韌性，20世紀(jì)70年代研究開發(fā)了針狀鐵素體鋼，典型成分為C-Mn-Nb-Mo，一般碳含量小于0.06%。針狀鐵素體是在冷卻過程中，在稍高于上貝氏體溫度范圍內(nèi)，通過切變相變形成的具有高密度位錯的非等軸貝氏體鐵素體。針狀鐵素體管線鋼通過微合金化和控制軋制與控制冷卻，綜合利用晶粒細(xì)化、微合金化元素的析出相與位錯亞結(jié)構(gòu)的強化效應(yīng)，可使鋼的屈服強度達(dá)到650MPa，-60的沖擊韌性達(dá)到80J。4. 超低碳貝氏體管線鋼。為適應(yīng)開發(fā)北極和近海能源的需要，在針狀鐵素體鋼研究的基礎(chǔ)上，于20世紀(jì)80年代初開發(fā)研究出超低碳貝氏體鋼。超低碳貝氏體鋼在成分設(shè)計上選擇了C、Mn、Nb、M

27、o、B、Ti的最佳配合，從而在較寬的冷卻范圍內(nèi)都能形成完全的貝氏體組織。在保證優(yōu)良的低溫韌性和焊接性的前提下，通過適當(dāng)提高合金元素的含量和進(jìn)一步完善控軋與控冷工藝，超低碳貝氏體鋼的屈服強度可達(dá)到700800MPa，因而超低碳貝氏體鋼被譽為21世紀(jì)的控軋鋼。5. 超細(xì)晶粒管線鋼。超細(xì)晶粒管線鋼的獲得首先歸結(jié)于微合金化理論的成功應(yīng)用。在管線鋼控軋再加熱過程中，未溶微合金碳、氮化物通過質(zhì)點釘扎晶界的機制而阻止奧氏體晶粒的粗化過程。同時在控軋過程中，應(yīng)變誘導(dǎo)沉淀析出的微合金碳、氮化物通過質(zhì)點釘扎晶界和亞晶界的作用阻止奧氏體再結(jié)晶，從而獲得細(xì)小的相變組織。超細(xì)晶粒管線鋼的獲取還有賴于控制軋制技術(shù)的應(yīng)用。

28、通過控制熱軋條件，在奧氏體基體中引入高密度的鐵素體形核點，包含奧氏體晶粒邊界、由熱變形而激發(fā)的孿晶界面和變形帶，從而細(xì)化相變后的組織。通過控軋鐵素體可細(xì)化到ASTM1113級，即鐵素體晶粒小于6m，甚至達(dá)到4m，強化作用達(dá)到210300MPa。目前工業(yè)生產(chǎn)的鐵素體晶粒尺寸可控制到34m，實驗室可獲得12m的鐵素體晶粒。對于針狀鐵素體或超低碳貝氏體管線鋼通過控制軋制和控制冷卻，可降低鋼中鐵素體板條束的大小，大大細(xì)化“有效晶粒”尺寸，提高管線鋼的強韌性指標(biāo)14。6. Ti-O新型管線鋼。20世紀(jì)90年代以后，一種Ti-O新型管線鋼研究開發(fā)。其原理是向鋼中加入粒度細(xì)小、均勻分布的Ti2O3質(zhì)點(12

29、m)。這種彌散分布的Ti2O3質(zhì)點除可以阻止奧氏體長大外，還可以在鋼的冷卻過程中作為相變的形核核心，促進(jìn)大量針狀鐵素體的形成，可明顯改善管線鋼的焊接韌性。1.3.3 易焊管線鋼焊接性是管線鋼最重要的特性之一。具備優(yōu)良焊接性的鋼可稱之為易焊鋼?，F(xiàn)代易焊管線鋼可分為焊接無裂紋鋼和焊接高熱輸入鋼。1. 焊接無裂紋管線鋼。冷裂紋是管線鋼焊接過程中可能出現(xiàn)的一種嚴(yán)重缺陷。大量生產(chǎn)實踐和理論研究表明，鋼的淬硬傾向、焊接接頭中含氫量和焊接接頭的應(yīng)力狀態(tài)是管線鋼焊接時產(chǎn)生冷裂紋的三大主要因素。就鋼的淬硬傾向而言，主要取決于鋼的含碳量，其它合金元素也有不同程度的影響。綜合這兩方面的因素，提出了以“碳當(dāng)量”作為衡

30、量鋼的焊接裂紋傾向性的依據(jù)。為適應(yīng)焊接無裂紋的要求，目前國外管線鋼碳當(dāng)量控制在0.40.48，用于高寒地區(qū)的管線鋼則要求碳當(dāng)量在0.43以下。為適應(yīng)焊接無裂紋的要求以及韌性的需要，現(xiàn)代管線鋼通常采用 0.1%或更低含碳量，甚至保持在0.01%0.04%的超低碳水平。微合金化和控軋控冷等技術(shù)的發(fā)展，使得管線鋼在碳含量降低的同時保持高的強韌特性，最新冶煉技術(shù)的發(fā)展，已為工業(yè)生產(chǎn)超低碳管線鋼提供了可能。2. 焊接高熱輸入管線鋼。采用高的焊接熱輸入可提高焊接的生產(chǎn)效率，但對熱影響區(qū)產(chǎn)生重要影響。高的焊接熱輸入一方面促使晶粒長大，另一方面使焊后冷卻速度降低，而導(dǎo)致相變溫度升高，從而形成軟組織，引起焊接熱

31、影響區(qū)的性能惡化。一般認(rèn)為由此引起熱影響區(qū)的韌性損失為20%30%。為控制管線鋼熱影響區(qū)在高熱輸入下的晶粒長大，可以通過向鋼中加入微合金元素來實現(xiàn)。據(jù)資料介紹，Ti是一種在焊接峰值溫度下能通過生成穩(wěn)定的氮化物，控制晶粒長大的有效元素。研究表明，即使在高達(dá)1400的溫度下，TiN仍表現(xiàn)了很高的穩(wěn)定性，從而有效地抑制在高熱輸入下的奧氏體晶界遷移和晶粒相互吞并的長大過程。目前管線鋼中推薦的最佳Ti含量為0.02%0.03%，并保持TiN65%），變形溫度在未再結(jié)晶以下。顯然，軋件需要在中間輥道上滯留，對軋機也提出極高要求。具有多邊形鐵素體珠光體組織的傳統(tǒng)X70管線鋼的強度、韌性隨著開始冷卻溫度SCT

32、和終軋溫度的降低而提高，故管線鋼通常在兩相區(qū)（奧氏體鐵素體）進(jìn)行軋制和冷卻，而針狀鐵素體管線鋼的強度和韌性隨終軋溫度和開始冷卻溫度的降低的變化規(guī)律還不同于傳統(tǒng)的X70管線鋼。在奧氏體單相溫度區(qū)終軋和開始冷卻可以獲得針狀鐵素體鋼，其終冷溫度必須控制在針狀鐵素體形成溫度和馬氏體形成溫度之間。1.4.1 傳統(tǒng)半連續(xù)熱帶生產(chǎn)線的管線鋼生產(chǎn)這類車間為保證粗軋正?？赡孳堉疲话愦周埖骄埦嚯x雖然設(shè)計較遠(yuǎn)，但沒有專門擱置副輥道，輥道邊又沒有水冷裝置，僅能空冷。一般需要停留3050秒。由于原料較厚（傳統(tǒng)厚度大于230mm），壓縮比較大，管線鋼產(chǎn)品厚度可達(dá)20mm。1.4.2 ASP中板坯半連續(xù)熱帶生產(chǎn)線的管線

33、鋼生產(chǎn)這類車間使用150 mm中厚坯，粗軋單架可逆軋制，一般粗軋到精軋距離不很遠(yuǎn)就是熱卷箱，用來保持中間帶坯溫度。管線坯（大于40mm）軋制時，可以先半卷進(jìn)入熱卷箱再退出，在軋機兩邊悠蕩，待溫度降下來再進(jìn)熱卷箱均勻溫度，直到符合降溫要求（920）。由于原料中等厚度，壓縮比較大，管線鋼厚度達(dá)到1015mm時仍能保證晶粒足夠細(xì)化。1.4.3 CSP熱帶生產(chǎn)線的管線鋼生產(chǎn)CSP生產(chǎn)線也是粗軋到精軋有較遠(yuǎn)距離，但一般配有層流冷卻箱，故既可以空冷待鋼軋制，也可水冷強制降溫，再進(jìn)行精軋。這種工藝在包鋼2004年已經(jīng)成功實踐。由于原料較薄，為保證總壓縮比在7以上，最大管線鋼厚度為10mm左右。中間坯厚度達(dá)4

34、0mm，保證精軋有較大壓下量。1.4.4 FTSR熱帶生產(chǎn)線的管線鋼生產(chǎn)FTSR雖然稱為靈活軋制生產(chǎn)線，但無論1+6還是2+5的布局，粗軋到精軋僅僅三十米左右，粗軋到精軋，軋件沒有空冷滯留余地，因而只能噴水降溫冷卻，雖然不耽誤時間，但品種有些限制。這時也需要極大提高中間坯厚度。MPT2005第二期報道埃及FTSR廠在2005年試軋成功，投入批量生產(chǎn)。產(chǎn)品厚度為6、8，10mm。2 坯料選擇正確選用坯料對軋鋼生產(chǎn)具有重要影響。坯料選擇合理，不僅可使鋼材質(zhì)量得到保證，而且可使軋機生產(chǎn)能力得以發(fā)揮，金屬收得率也能提高。2.1 坯料的種類軋鋼生產(chǎn)用坯有三種：扁鋼錠、初軋板坯(簡稱初軋坯)、連鑄板坯(簡

35、稱連鑄坯)。目前，連鑄坯已成為中厚鋼板生產(chǎn)的主要原料。與傳統(tǒng)工藝相比連鑄坯具有下列優(yōu)點：1. 金屬收得率可提高612%；2. 每噸鋼大致可節(jié)約熱能14萬大卡；3. 降低產(chǎn)品成本可達(dá)10%；4. 連鑄坯的內(nèi)部組織比扁錠致密，厚度尺寸也比扁錠小，因此采用連鑄還為原料時，中厚板軋機的產(chǎn)量較高，而且成材率較高。受連鑄設(shè)備的限制，連鑄坯的寬度尺寸和厚度尺寸的規(guī)格不能太多，因而使得中厚板軋機的生產(chǎn)率和加熱爐的生產(chǎn)率稍有降低。2.2 坯料的尺寸連鑄工藝相比模鑄工藝具有極大的優(yōu)勢，本設(shè)計選用連鑄板坯。但任何鑄坯冷卻時，總是遵循特有的凝結(jié)規(guī)律。在外殼為激冷細(xì)晶層，然后是枝晶發(fā)達(dá)區(qū)，中部為等軸晶和低熔點偏析聚集區(qū)

36、，可見鑄坯性能不可能一致。鋼水質(zhì)量差、澆注夾雜多，組織性能不均越嚴(yán)重，造成鋼的力學(xué)性能極大的下降。必須用變形、再結(jié)晶的過程使鋼的組織均勻、偏析擴散，晶粒大小適中。以國內(nèi)目前鋼水質(zhì)量和澆注水平看，必須保證壓縮比達(dá)到10以上。所以中厚板坯最好在200mm以上，中厚產(chǎn)品壓縮比保證5以上。最終選用最后坯料300mm。2.3 坯料的材質(zhì)原料的材質(zhì)首先是要保證材料符合國家規(guī)定或冶金部規(guī)定的對該鋼種提出的化學(xué)成分的要求。在選擇中厚板坯料的化學(xué)成分時應(yīng)注意：第一，有害元素盡可能的低；第二，元素含量的上下限的范圍應(yīng)盡量小，特別是碳元素的含量；第三，非金屬夾雜物含量應(yīng)盡量少。2.4 原料表面的缺陷清理原料表面存在

37、的缺陷，除較輕微的缺陷因其在加熱過程中被氧化燒掉，不會影響鋼板質(zhì)量不需清理外，尺寸超過一定限度的缺陷都需采用某種方法將其出去，以免影響鋼板質(zhì)量或造成廢品。表面清理的方法很多，常見的有火焰清理、風(fēng)鏟清理、砂輪清理、機床加工、電弧清理等。選擇清理方法時，應(yīng)考慮原料的鋼種、加熱和軋制的具體情況和對成品鋼板表面質(zhì)量的要求等。3 軋機選擇軋鋼機是完成金屬軋制變形的主要設(shè)備，代表著車間的技術(shù)水平，是區(qū)別于其他車間類型的關(guān)鍵。因此，軋鋼車間主要設(shè)備選擇就是指軋機的選擇。軋機選擇的是否合理對車間生產(chǎn)具有非常重要的影響。軋機選擇的主要依據(jù)是：車間生產(chǎn)的鋼材的鋼種，產(chǎn)品品種和規(guī)格，生產(chǎn)規(guī)模的大小以及由此而確定的產(chǎn)

38、品生產(chǎn)工藝過程。對軋鋼車間工藝設(shè)計而言，軋鋼機選擇的主要內(nèi)容是：確定軋鋼機的結(jié)構(gòu)形式，確定其主要技術(shù)參數(shù)，選用軋機的架數(shù)以及布置方式。在選擇軋鋼機時一般要考慮下列各項原則：1. 在滿足產(chǎn)品方案的前提下，使軋機布置合理，既要滿足當(dāng)前生產(chǎn)又要考慮未來的生產(chǎn)發(fā)展。2. 有較高的生產(chǎn)效率和設(shè)備利用系數(shù)。3. 能獲得質(zhì)量良好產(chǎn)品的同時還要盡可能多地軋制多品種。4. 有利于軋機機械化，自動化的實現(xiàn)，有助于改善勞動條件。5. 軋機結(jié)構(gòu)型式先進(jìn)合理，操作簡單，維修方便。6. 有良好的綜合技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)。3.1 軋機類型及其布置的比較生產(chǎn)中厚板的軋機型式很多。按機架結(jié)構(gòu)分類，可分為二輥式、三輥勞特式、四輥式、復(fù)合

39、式及萬能式幾種。按機架布置分類，可分單機架，并列式和順列式雙機架等幾種。3.1.1 中厚板軋機形式有四種常用于中厚板生產(chǎn)的軋機：二輥可逆式軋機、三輥勞特式軋機、四輥逆式軋機和萬能式軋機。目前，四輥可逆式軋機應(yīng)用較為廣泛。1870年美國投產(chǎn)了世界上第一臺四輥可逆式軋機。它是由一對小直徑工作輥和一對大直徑支持輥組成，由直流電機驅(qū)動工作輥，軋制過程與二輥可逆式軋機相同。它具有二輥可逆軋機生產(chǎn)靈活的優(yōu)點，又由于有支持輥使軋機輥系的剛度增大，產(chǎn)品精度提高。而且因為工作輥直徑小，使得在相同軋制壓力下能有更大的壓下量，提高了產(chǎn)量。這種軋機的缺點是四輥可逆軋機將要求有更高的廠房，這些增大了投資。圖1 四輥可逆

40、式軋機軋制過程示意圖（a）第一道軋制 （b）第二道軋制1 支持輥 2 工作輥3.1.2 中厚板軋機的布置中厚板車間的布置形式有三種，即單機座布置、雙機座布置和半連續(xù)或連續(xù)式布置。單機座布置形式的產(chǎn)品質(zhì)量比較差，軋輥壽命短，產(chǎn)品規(guī)格范圍受到限制，產(chǎn)量也比較低；雙機座布置形式的產(chǎn)品的表面質(zhì)量、尺寸精度和板形都比較好，還延長了軋輥使用壽命；半連續(xù)或連續(xù)式布置形式的產(chǎn)品厚度和寬度都受到限制，不能軋制要求產(chǎn)品。故采用雙機座布置形式。雙機架軋機有兩個工作機座，第一架為粗軋機，第二架為精軋機。它不僅能選擇粗軋和精軋最有利的軋制速度，更重要的是可以選擇不同的軋輥材料。以鋼軋輥低速粗軋，可以改善咬入條件，增大壓

41、下量，使軋制總道次減少，從而提高生產(chǎn)率。3.2 中厚板軋機選擇3.2.1 新型軋機精軋機架采用的新技術(shù)：1) 采用了連續(xù)可變凸度（CVC）和垂直面雙軸承座工作輥彎輥系統(tǒng)（WRB）配合的板形控制技術(shù)，可實現(xiàn)板凸度和板平直度的綜合控制，有利于提高鋼板的成材率和厚度的均勻性。2) 采用了多功能厚度控制技術(shù)。如高精度多點式設(shè)定模型、厚度液壓自動控制（AGC）（包括：高響應(yīng)液壓AGC、監(jiān)控AGC、絕對AGC技術(shù)等）、近距離布置的射線測厚儀，可以生產(chǎn)變厚度（LP）鋼板。當(dāng)今新型熱軋板帶軋機主要有：HC軋機、CVC軋機、PC軋機、F2CR軋機等。從國外情況來看，目前熱軋鋼板軋機選型用的最多的還是CVC軋機與

42、PC軋機兩種機型，其中CVC軋機采用高次曲線有利于控制板凸度，控制能力強，軋機結(jié)構(gòu)簡單，易改造，能實現(xiàn)自由軋制，操作方便，投資較少。而且已被用于中厚板生產(chǎn)。CVC(Continuously Variable Crown)軋機具有較好的軋制質(zhì)量應(yīng)用廣泛6。CVC軋機是SMS公司在HCW軋機的基礎(chǔ)上于1982年研制成功的。近年來廣為采用的CVC軋機是德國技術(shù)和其他國家專利的結(jié)合物，它被世界各國認(rèn)為是一個能對輥型進(jìn)行連續(xù)調(diào)整的理想設(shè)備。CVC輥和彎輥裝置配合使用可調(diào)凸度達(dá)600微米，CVC精軋機組的配置一般是前幾個機架采用CVC輥主要控制凸度，后幾個機架采用CVC輥主要控制平直度。3.2.2 軋機選

43、擇本次設(shè)計經(jīng)過綜合對比和實際考察并結(jié)合設(shè)計目的和產(chǎn)品大綱要求，軋機具體的數(shù)據(jù)如下：1. 粗軋機：類型:四輥可逆軋機最大軋制力/MN：108軋制速度/ms-1：7.3工作輥尺寸/mmmm：11105300支撐輥尺寸/mmmm：21004950每測最大彎輥力/MN：4軋機開口度/mm：550主電機功率/kW：210000AC主電機轉(zhuǎn)速/rmin-1：050/120主電機額定力矩/MNm：210牌坊重量/t：約3902. 精軋機精軋機架采用大力矩、高剛度、高軋制速度，以滿足低溫控軋要求。主要從控制板型（板凸度，平直度等）方面考慮，而最終精軋機選用德國西門子的CVC軋機。類型：CVCPLUC四輥可逆式

44、軋機最大軋制力/MN：108軋制速度/ms-1：7.3工作輥尺寸/mmmm：11105300支撐輥尺寸/mmmm：21004950工作輥竄動行程/mm：150每測最大彎輥力/MN：4軋機開口度/mm：550主電機功率/kW：210000AC主電機轉(zhuǎn)速/rmin-1：050/120主電機額定力矩/MNm：210牌坊重量/t：約3903. 立輥軋機立輥軋機安裝在精軋機前面，用于除鱗及寬度控制。立輥機架與水平機架呈近接布置，采用寬度自動控制（AWC）短行程（SSC）技術(shù)，進(jìn)行平面形狀控制，可大幅度提高成材率和鋼板寬度控制精度。最大軋制力/MN：5最大側(cè)壓量/mm：50輥身直徑/mm：1000/900

45、輥身長度/mm：8003.2.3 高精度軋制技術(shù)采用的高精度軋制技術(shù)包括：厚度控制技術(shù)、平面形狀控制技術(shù)、板形控制技術(shù)。1. 多功能厚度控制技術(shù)采用多精度多點式設(shè)定模型，高響應(yīng)液壓AGC技術(shù)，具有監(jiān)控AGC、絕對AGC等功能；并在水平機架出口側(cè)近距離布置射線測厚儀，減小監(jiān)控AGC控制盲區(qū)，改善鋼板頭尾厚度精度。同時利用絕對AGC及模型多點設(shè)定功能，軋制變厚度(LP)鋼板，以滿足橋梁及造船界的特殊要求。2. 平面形狀控制技術(shù)采用日本川崎公司水島廠開發(fā)的MAS軋制法，以控制鋼板的平面形狀。同時配置與水平機架近距離布置的立輥機架，采用立輥機架的寬度自動控制(AWC)短行程(SSC)功能，進(jìn)一步改善鋼

46、板平面形狀，提高寬度絕對精度。3. 板形控制技術(shù)采用了CVCPLUS和工作輥彎輥板形控制技術(shù)。工作輥竄動在道次間歇時間內(nèi)完成，由于采用高次CVC曲線方程，因此凸度調(diào)節(jié)能力能滿足生產(chǎn)要求。常規(guī)軋制時可減少軋制道次，提高產(chǎn)量；采用控軋工藝時，最終數(shù)道次上可實施積累大壓下，以進(jìn)一步改善鋼板性能；利用CVC軋機大板凸度調(diào)節(jié)能力，可采用低平凸度生產(chǎn)控制方式，有利于提高成材率及提高厚度均勻性。為使鋼板具有較好的平坦度和極小的內(nèi)應(yīng)力，寬厚板軋機熱矯直機采用強力機型，采用預(yù)應(yīng)力立柱及高剛性框架，轎直輥上輥系采用高響應(yīng)伺服閥液壓壓下裝置，具有動態(tài)控制功能，同時能矯直連續(xù)變厚度鋼板；上輥系能整體前后傾動、左右傾動

47、，預(yù)設(shè)定正、負(fù)彎輥，以盡可能改善平直度；出入口輥可單獨調(diào)整，保證矯直后鋼板平直地離開熱矯直機。4 壓下規(guī)程4.1 壓下規(guī)程設(shè)計方法壓下規(guī)程是軋制制度（規(guī)程）最基本的核心內(nèi)容，直接關(guān)系著軋機的產(chǎn)量和產(chǎn)品的質(zhì)量。壓下規(guī)程的主要內(nèi)容包括：坯料尺寸選擇；粗軋機組壓下量分配及速度制度選擇；精軋機組壓下量分配及速度制度確定；粗軋及精軋各道力能參數(shù)計算及設(shè)備能力校核。制定軋制規(guī)程的原則：1. 在設(shè)備能力允許的條件下盡量提高產(chǎn)量；2. 在保證操作穩(wěn)便的條件下提高質(zhì)量。所謂的經(jīng)驗的方法是生產(chǎn)中往往參照現(xiàn)有類似軋機行之有效的實際壓下規(guī)程，亦即根據(jù)經(jīng)驗資料進(jìn)行壓下分配及校核計算。本設(shè)計即采用經(jīng)驗方法制定壓下規(guī)程。制

48、定壓下規(guī)程的方法和步驟為：1. 在咬入能力允許的條件下，按經(jīng)驗分配各道次壓下量；2. 制定速度制度，計算軋制時間并確定逐道次軋制溫度；3. 計算軋制壓力、軋制力矩及總傳動力矩；4. 校驗軋輥等部件的強度和電機功率；5. 按制定規(guī)程的原則和要求進(jìn)行必要的修正和改正7。4.2 典型產(chǎn)品壓下規(guī)程設(shè)計4.2.1 典型產(chǎn)品的軋制條件典型產(chǎn)品為X80高強度管線鋼，其軋制條件為：原料規(guī)格：300mm2300mm4200mm鋼 種：DH40產(chǎn)品規(guī)格：60mm3000mm16000mm開軋溫度：11504.2.2 軋制道次確定軋制道次用下式確定：(1)式中：N軋制道次；z有坯料到成品的總延伸系數(shù)；p各道次的平均

49、延伸系數(shù)。總延伸系數(shù)為：5平均延伸系數(shù)：1.15代入數(shù)據(jù)計算：則軋制道次取12道次。初步壓下量分配如表6表6 壓下量分配道次123456789101112延伸率1.15 1.16 1.16 1.19 1.23 1.13 1.13 1.16 1.15 1.15 1.13 1.00 壓下量40353131301514141210804.2.3 典型產(chǎn)品X80高強度管線鋼軋機壓下規(guī)程設(shè)計1. 軋制方法：采用平面形狀控制軋法，即MAS軋制法。軋制過程可分為三步，首先是整形軋制，縱軋一道以平整板坯。然后轉(zhuǎn)90進(jìn)行橫軋展寬，最后再轉(zhuǎn)90進(jìn)行縱軋成材。2. 分配壓下量：采用按經(jīng)驗分配壓下量再進(jìn)行校核及修訂的

50、設(shè)計方法：先按經(jīng)驗分配各道次壓下量，排出壓下規(guī)程如表7。3. 校核咬入能力：熱軋鋼板時咬入角一般為1522，低速咬入可取為20，故hmax =D(1-cos)=66m，故咬入不成問題（D取1110mm）。4. 確定速度制度：中厚板生產(chǎn)中由于軋件較長，為操作方便，可采用梯形速度圖（圖2）。根據(jù)經(jīng)驗資料取平均加速度a40r/(mins-1)，平均減速度b60r/(mins-1)。由于咬入能力很富余，故可采用穩(wěn)定高速咬入，對15道次，咬入速度取n1=30rmin-1，對69道次，咬入速度取n1=50rmin-1，對10、11、12道次，咬入速度取n1=60rmin-1，為減少反轉(zhuǎn)時間，一般采用低速拋出，取n2=20rmin-1。當(dāng)間隙充足時，拋出速度可略高。如1、3、6道次取n2=n1。表