管线钢的冶炼
管线钢的冶炼工序主要包括高炉炼铁，铁水预处理，转炉炼钢，炉外精炼，真空脱气，铸坯连铸。在冶炼过程中应满足API 管线铸坯的主要目标是严格控制化学成分，控制钢水的洁净度，降低铸坯中心偏析，良好的铸坯表面质量。每个工序都要严格控制。铁水预处理要进行深脱硫，使铁水中的硫含量降低到0.002%以下。转炉冶炼要严格控制成分、温度和渣量，降低钢水中氧氮含量，严格控制出钢温度。炉外精炼工序调整成分，防止钢水的增氮和增碳，对钢水进行搅拌，使大颗粒夹杂物上浮。真空脱气主要是降低钢中氢、氧、氮含量，保证钢水纯净。连铸全过程采用保护浇注，防止钢水增氮和二次氧化现象，控制拉坯速率，采用轻压下技术，有效控制连铸坯内部和表面的质量，改善中心偏析和中心疏松。
高强韧性管线钢的连铸坯厚度规格视轧机而定，一般宽厚板轧机连铸坯厚度在200mm以上，最大可达600mm，一般为炉卷轧制或热连轧卷板轧制的连铸坯厚度多在150mm 以下。目前，也有采用厚度50mm 的薄板坯，该工艺主要利用Nb、V 微合金化技术生产厚度小于12mm 钢带，弥补压缩比不足所导致的性能恶化。连铸坯厚度是保证钢板具有足够的压缩比，从而抑制轧制过程中奥氏体晶粒粗化，达到细化组织的目的，见图1.8。
图1.8 管线钢冶炼工艺示意图[1]
管线钢轧制
目前，生产API 管线钢板和钢带的轧机类型主要有三种：热连轧机、炉卷轧机和中厚板轧机。钢卷一般用热连轧机或炉卷轧机生产，而平板钢板一般利用往复式中板轧机生产，也可以用炉卷轧机生产。典型的中板轧机是双机架四辊可逆轧机，少量的采用可逆式单机架轧机。为提高轧机作业率，可通过添加初轧机架将铸坯厚度轧制到中间坯厚度，然后再进入精轧机架轧制。由于沿钢板长度方向的温度降低，常规中板轧机根据其终端产品的厚度，钢板的长度一般都在50m以内。热连轧机组一般由一架或两架四辊可逆初轧机架及4～7个机架四辊连轧构成。根据钢带的厚度规格变化，钢卷的长度甚至可达到800m。炉卷轧机的典型特征是在四辊可逆轧机的两端各添加一个热卷箱，因为缓解了温降问题，炉卷轧机也可生产像热连轧机组一样长度的钢带。目前，宽3m，厚22mm，重量达35～40 t的钢卷可通过这种工艺生产。所有这些轧机布局均可配备各种加速冷却装置。冷却能力可以从系统总能力1000～20000m3/hr，发展到使厚度大于50mm钢板的冷却速度达到15～20℃/s。
管线钢轧制技术的主要目标是控制钢板的平直度，保持加热和轧制过程中的温度控制来满足产品的要求——组织、力学性能。轧制过程首先是将钢坯加热到预定温度并使钢中微合金元素充分固溶，一般加热到1200℃左右，保温一定时间后进行轧制。目前普遍采用两种典型的轧制工艺之一进行控轧，这两种典型轧制工艺是常规轧制和热机械处理(TMCP)。根据钢的再结晶终止温度以下的变形程度，以及相对于钢的相变温度而设定的终轧道次的温度不同，这两种典型轧制工艺还可以分解出更为细致的轧制技术方案。各种轧制技术可能伴随或不使用某些形式的加速冷却方法。
常规热轧又分为热轧(HR)和控制轧制(CR)两种，二者的区别是：热轧过程中无须考虑终轧温度，只保证钢板形状和板厚尺寸控制，道次数量、道次压下率等仅以轧机能力为基础进行终端产品的几何形状控制。而控制轧制则需要控制终轧温度和精轧变形量(中间坯厚度应为钢板厚度两倍以上)。
热机械控制(TMCP)轧制是目前高钢级管线钢生产普遍采用的工艺，也叫控轧控冷工艺。热机械轧制的工艺特点是在钢板的轧制过程中，通过控制板坯的加热温度、控制轧制开始和结束温度，以及采用轧制后加速冷却的方式控制钢板开冷温度、终冷温度和冷却速率的特殊轧制工艺。TMCP工艺可以在获得超细化组织的同时，使钢中合金元素添加量大为降低，另外也不需要后续的热处理即可获得高强度高韧性的管线钢，TMCP工艺被认为是一种节约资源、环境良好的工艺，近年来得到了快速发展，特别是在高等级管线钢中得到了全面应用。TMCP轧制时严格控制中间坯厚度与终端钢板厚度的比值在3～5之间，终轧温度应接近于钢的Ar3温度。在Ar3 温度50℃以上实施所谓的两阶段轧制，可通过位错强化来进一步提高钢的强度。
由TMCP工艺演化而来的是高温轧制工艺，也叫HTP轧制工艺，新一代高温轧制工艺(HTP)是生产可焊接的高强度低合金钢中厚板和板卷的经济型技术。国际上成功的生产和应用实践经验证明，HTP工艺可用于高强度管线钢(X70～X120)和高强度建筑、造船等结构钢的生产。HTP工艺原理是通过降低碳含量(一般低于0.06%)的同时提高铌含量(高达0.11%)的合金设计，使钢在TMCP轧制过程中，利用固溶铌提高奥氏体的再结晶温度，使控制轧制可以在更高的温度进行，从而降低了轧机的负荷，尤其适合轧机压下力不足的轧机生产高强度钢;同时配合合适的轧后冷却工艺，利用固溶铌对相变的影响，促进针状铁素体或低碳贝氏体组织的形成，从而可以替代或部分替代价格昂贵的钼，达到最终提高强韧性、焊接性能和抗硫化氢应力腐蚀性能的目标。对于HTP轧制工艺，必须根据所需微观组织、轧制规程、出料长度、最终力学性能以及轧机能力来决定总的Nb加入量，从而保证获得最优的性能配合。HTP也采用控轧的中间坯厚度与终端钢板厚度的比值为3～5 的轧制技术，但温度范围比TMCP高，一般为 925～1020 ℃。因为含Nb 量高，终轧温度一般在Ar3的80℃左右。
加速冷却系统是控轧控冷工艺生产管线钢的重要工序，加速冷却一般应用在X60以上高级别管线钢中，加速冷却工艺是提高管线钢力学性能的重要途径，通过加速冷却抑制了轧后奥氏体再结晶和晶粒长大，同时使微合金元素铌和钛的碳氮化物在较低的温度析出，通过晶粒细化和析出强化机制提高了钢材的力学性能。加速冷却在不降低管线钢韧塑性指标的前提下提高了钢的强度指标。与只采用热轧工艺相比，控轧后采用加速冷却工艺，如果冷却速度提高到10℃/s，钢的屈服强度可增加20～50MPa。但是对含铌钛微合金管线钢，采用较佳的控制轧制和加速冷却工艺后所得到的性能是控制轧制和加速冷却的综合结果。在控制轧制和加速冷却过程中，使添加的微合金元素产生显著的晶粒细化和中等的沉淀强化作用，能够更好地发挥微合金元素的作用。
在传统加速冷却工艺的基础上，日本的JFE钢铁公司通过改进加速冷却设备，开发了一种新的加速冷却系统，业内称之为Super-Olac超快冷技术[5]，该技术的特点是利用新的水流控制技术使冷却速度达到理论极限速度，实现钢板上下表面以及宽度和长度方向上的冷却一致性，同时可以保证终冷温度的精确控制。该技术在日本钢铁企业高钢级管线钢的生产中得到了充分应用，通过该技术管线钢可以获得良好的强韧性能，通过相变强化和组织细化提高强度和韧性，见图1.9。
图1.9 JFE超快冷工艺冷却能力与普通ACC冷却工艺的对比[5]
