优秀QC成果提高西气东输配套管线钢的低温韧性自主管理.docx

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优秀QC成果提高西气东输配套管线钢的低温韧性自主管理

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宝山钢铁股份有限公司制造管理部

二零零五年七月

小组简介:

课题名称

提高西气东输配套管线钢的低温韧性

课题类型

管理型

成立时间

2003年3月

小组名称

制造部薄板二室热轧JK小组

活动日期

2003年3月至

2004年3月

姓名

性别

文化程度

职称

职责

陆敏

女

本科

工程师

组长

欧鹏

男

硕士

工程师

质量设计、分析

杨佳

男

硕士

助工

质量设计、分析

张兰

女

本科

助工

质量设计、分析

胡会军

男

本科

高级工程师

炼钢工艺

杨晓臻

男

本科

高级工程师

轧钢工艺

黄旭亮

男

大专

助工

生产计划

郑磊

男

博士

首席

技术指导

本小组成员来自公司内四个不同部门，涵盖研发、质量管理、生产计划、炼钢工艺和热轧工艺等管线钢产品实现的重要过程。

作为一个跨部门的团队，小组紧紧围绕公司战略产品的经营思路，充分发挥团队协作和专业优势，开展QC活动，多次为供应西气东输的管线钢产品解决质量难题。

本小组多人获得“国家西气东输工程先进个人”的荣誉称号。

西气东输工程概况：

西气东输工程管道全长4200公里，管径1118毫米，管线由新疆塔里木至上海及长江三角洲地区，途经新疆、甘肃、宁夏、陕西、山西、河南、安徽、江苏、上海等9个省市自治区。

工程固定资产投资384亿元，加上城市管网、工业利用等相关项目建设，整个工程于2004年底投入商业运营，可年输送天然气120亿立方米。

宝钢股份作为西气东输工程主要的管材供应商，先后为西气东输工程供应管线钢达47万吨，占合同总量的60％以上，为西气东输工程的按期完工和国产化作出了应有的贡献。

管线钢生产工艺简介：

管线钢的制造过程主要由以下几个关键工艺过程组成：

铁矿冶炼→铁水→转炉、精炼→钢水→连铸→板坯→热轧轧制→钢卷→制管焊接→钢管。

宝钢出厂的成品是钢卷，在出厂时经试验室检验，符合性能要求的产品发货至制管厂；制管厂验收合格后，再经成型焊接等工序制成可输送天然气的钢管，成型的钢管再次接受制管厂的检验，符合性能要求的钢管方能在工程中使用。

因此，宝钢的管线钢产品既要保证出厂钢卷的性能符合工程要求，也要保证经制管厂生产的钢管同样符合工程的要求。

这给管线钢的生产和质量提出了相当高的要求。

一、选题理由

上海外环天然气管网是连接西气东输管线的下游工程，设计选用壁厚为15.9mm，管径为φ813mm，钢种为X60的螺旋焊管。

由于为西气东输工程配套使用，其技术条件均参照西气东输管线标准。

因其规格较厚，韧性指标要求高，生产初期，没意识到此类管线钢的脆性转变温度较高，尽管出厂外圈检验合格，但内圈或其它部位存在波动及不稳定，因此生产的板卷经用户制管后，对钢管的位置不固定抽检常发生钢管落锤撕裂试验（以下简称DWTT）结果不满足工程要求，严重影响了工程进度及宝钢产品形象。

因此我们选择提高此类管线钢的低温韧性作为我们小组的活动课题，通过活动，改进与提高同类产品的实物质量。

二、现状调查

从2002年开始，我们为上海外环线生产15.9mm的X60管线钢，共生产钢卷2000吨。

制管后管厂反映有近1/5的钢管－5℃的DWTT剪切面积比（SA%）在10%－80%之间，不满足工程要求（≥85%），造成钢管降级，改作它用。

我们对2002年生产的15.9mm的X60钢卷试验室检验数据进行了抽样调查，结果如图1所示。

图1X60DWTT现状分析

从图中可看出，生产的钢卷有约20％的DWTT性能不合（该部分产品未出厂），该产品的整体低温韧性富余量不大。

三、确定目标

管线钢制管后DWTT性能100%合格。

可行性分析：

1.从工艺上：

至2002年底，宝钢已成功为西气东输工程主线供应高韧性X70钢卷25万吨，其管线服役环境、钢级和对钢管的要求都比上海外环线X60要求高，只要合理设计成分、工艺，可以达到控制目标。

2.从设备上：

宝钢从炼钢到热轧的装备良好，具备生产同级别、同规格的管线钢的设备能力。

3.从人员上：

小组成员中既有质量管理人员，又有生产管理人员和现场工程师，能从各方面分析问题，只要充分发挥团队精神，密切各部门之间的配合，可以达到目标要求。

四、原因分析

五、要因论证

1.设计炼钢硫含量偏高：

硫偏高，直接导致条状硫化物多，其存在于轧制后的钢中，破坏钢的连续性，显著降低钢的韧性。

我们对抽样的检验数据分析其对应的S含量,分析结果如图2对应所示。

从图中可看出，DWTT检验合格的钢卷其S含量都在原内控上限-20ppm的水平。

图2DWTT与S含量的对应关系

因此硫含量偏高是主要因素。

2.热轧出炉温度偏高：

管线钢为微钛含铌的微合金钢，奥氏体晶粒尺寸随加热温度的升高而粗化。

当板坯加热温度大于1050℃，铌的析出相开始溶入奥氏体中，大于1200℃后，铌的析出相基本消失，而具有高温稳定性的钛化物开始溶解，在1250℃时，只剩下较大尺寸的氮化钛，对奥氏体晶粒无显著的阻碍作用，使原始奥氏体晶粒得以长大。

因此，管线钢的再加热温度为1200℃以下，使高温稳定的氮化钛粒子阻碍原始奥氏体晶粒长大，有利于获得细小的最终组织，提高强度和韧性。

对已生产的宝钢管线钢板坯加热温度调查，其直方图如图3所示。

图3X60加热温度直方图

从图中可以看出，板坯加热温度控制良好，因此板坯出炉温度偏高非主要因素。

3.粗轧坯厚度偏薄：

细晶强化是钢中既能提高强度又能显著改善韧性的一个重要强韧化机制。

铁素体的形核率随未再结晶区的积累变形量的增加而增加，因此增加积累变形量有助于组织的细化。

同时增加粗轧坯的厚度，屈服强度变化很小，而脆性转变温度急剧下降，表现出较好的低温韧性。

如图4，对15.9mm产品，当粗轧坯控制在50～54mm左右时，有相当一部分产品DWTT低于85％，整体水平不高。

但随着粗轧坯厚度的提高，产品DWTT有提高的趋势。

85％

图4粗轧坯厚度与DWTT对应关系

同时，对厚规格管线钢，精轧区变形量达到4.0倍以上时，才能有效改善板芯的韧性。

因此，粗轧坯厚度偏薄是主要因素。

4.热轧终轧、卷取温度偏高：

在奥氏体未再结晶区的低温大压下，使溶入奥氏体中的碳氮化合物粒子在变形组织中快速产生细小弥散的析出物，阻碍转变为铁素体的晶粒长大。

因此微合金的细晶强化、析出强化和弥散强化都在低温轧制下发挥作用，提高性能。

图5X60卷取温度直方图图6X60终轧温度直方图

我们到现场对管线钢的终轧温度和卷取温度调查结果显示：

管线钢的低温轧制、低温卷取，现场控制良好，因此，终轧、卷取温度偏高是非主要因素。

5.未对头尾坯取样分析：

由于钢水浇铸到开始或最后，液面波动、拉速不稳定，板坯存在卷渣、夹杂物多、疏松、内裂的可能性很大，造成该部位韧性低。

为保证所有板坯都具有高韧性，对最后板坯加强检验是必要的，避免低韧性板坯流入下工序。

我们对现有DWTT不合格的产品进行分析，发现不合的坯子大多为头尾坯，具体见图7：

图7DWTT与头尾坯对应关系

因此，未对头尾坯取样分析是主要因素。

六、制定对策

小组成员针对要因制定了对策，并策划了实现对策的措施，设定了目标，明确了责任人及完成时间。

具体见表1：

表1制定对策表

№

要因

对策

措施

目标

责任人

完成日期

1

设计炼钢硫含量偏高

通过与同类管线钢的分析比较，制定合适的硫控制范围

通过LF炉处理，降低硫含量，降低氧含量，并喂钙丝进行夹杂物形态控制

熔炼硫含量内控降低20ppm

陆敏

胡会军

欧鹏

20034.30

2

热轧粗轧坯厚度偏薄

在设备能力下尽量提高粗轧厚度

放慢轧制节奏；调整与优化精轧负荷分配

所有粗轧坯厚度提高到成品厚度4倍以上

杨佳

杨晓臻

黄旭亮

20035.30

3

未对头尾坯取样分析

每CAST每流头尾坯取样分析偏析、内裂

通过下发技术通知单，工艺卡下传，规定取样代码，对头尾坯取样分析

质量不稳定板坯不流入到下工序

张兰

胡会军

20034.30

七、组织实施

实施一：

降低硫含量

1．制订新工艺卡，对硫含量的生产控制要求在原基础上进一步降低20ppm。

2．为了达到降S目的，在原精炼处理工艺上增加LF炉脱S处理，并喂钙丝进行夹杂物形态控制。

实施结果：

硫含量均控制在目标要求以下，通过钙处理，成品夹杂物控制在2.0级以下。

达到目标要求。

实施二：

增大粗轧坯厚度

1．在高温区轧制时，为保证轧制中有足够的压下量，粗轧由7道次改为5道次轧制，提高粗轧坯厚度。

2．对精轧F1-F3加大轧制压下量，F4-F5投入机架冷却水，保证低温大压下、控轧效果，以达到合理的韧性指标。

实施结果：

粗轧坯厚度提高到成品厚度4倍以上。

达到目标要求。

实施三：

对头尾坯进行取样分析

1．下发技术通知单，规定取样代码为6（规定头尾坯取低倍样进行分析），并通过工艺卡下传；

2．检测中心对炼钢厂取的头尾坯进行偏析、内裂分析，及时发送报告给质量管理部门；质量管理部门通过判定，对偏析、内裂超标等不合格板坯进行改钢处理。

实施结果：

通过全过程监控与精心操作，迄今为止，没有一块不合格板坯流入下工序。

达到目标要求。

八、效果检查

通过活动的开展，上海外环天然气管网用15.9mm的X60管线钢的低温韧性明显提高。

从03年6月开始至04年2月共生产1万吨，出厂各项性能100%合格，用户制管后DWTT性能均满足工程要求，未发生因性能不合而降级的钢管，受到用户好评。

同时，我们对不同工艺制度下的钢卷进行取样分析（试验计划见表2），试验结果证明本次活动达到了目标的要求。

表2成品取样分析试验计划表

试验温度

－60℃

－40℃

－20℃

0℃

20℃

试验方向

纵向

横向

45o向

纵向

横向

45o向

纵向

横向

45o向

纵向

横向

45o向

纵向

横向

45o向

冲击

√

√

√

√

√

√

√

√

√

√

√

√

√

√

√

DWTT

√

√

√

√

√

√

√

√

√

√

√

√

√

√

√

拉伸

√

√

√

冷弯

√

金相

√

硬度

√

Ø

效果一：

－20℃冲击功及－5℃DWTT经本次活动后均有所提高，具体效果如图8、图9所示：

图8–20℃冲击功改进对比图9-5℃DWTT改进对比

Ø效果二：

X60的金相组织由改进前的普通铁素体加珠光体组织已经改进为针状铁素体加少量珠光体组织（见图10、11），各类夹杂物均在2.0级以下，晶粒度达13级。

图10改进前组织图11改进后组织

Ø

效果三：

改进后对钢卷进行了各向系列温度的冲击及DWTT检测，结果如图12、13所示：

图12改进后系列温度冲击图13改进后系列温度DWTT

改进后，在－50℃时，各向冲击都在冲击平台上，只有最薄弱的45°方向冲击在－60℃时略有下降。

DWTT达到85%剪切面积比时的温度为－40℃，留有35℃的富余量，远低于工程要求的-5℃，表现了很好的低温韧性。

Ø效果四：

在提高低温韧性的同时，其余性能均保持了原有较高的水平。

具体见表3：

表3其余性能情况

项目

屈服强度

抗拉强度

屈强比

延伸率

要求

465－565

≥520

≤0.90

≥24

改进前

510

611

0.83

45

改进后

517

617

0.84

45

Ø效果五：

经过本活动的开展，形成技术秘密一项，编号为KH20050812，并取得了比较明显的经济效益，主要是消除了产品性能不合格而产生的直接经济效益。

经公司经济效益评审委员会评审，总经济效益为209.83万元.

九、标准化

通过本次活动，认识到用普通的铁素体加珠光体组织的管线钢热连轧生产工艺，生产厚度在14mm以上、X60以上级别管线钢时，其脆性转变温度较高，冲击韧性不稳定，不适合用在高压输气的三四类地区，为我们产品设计提供了很多经验与教训。

为了巩固本次活动成果，通过下发生产技术通知单和在宝钢管理计算机上下传质量设计内容等手段来规范生产质量管理。

1.新增工艺卡JU5714A6，针对14mm以上X60/X65和12mm以上X70，在低温韧性要求严格（－20℃的冲击功大于100J以上，且有－10℃的DWTT要求）的长输气管线工程上应用该工艺，该工艺中包括二次精炼，钙处理，对气体成分有规定，头尾板坯取低倍样，按最严格的标准判定等。

2.下发技术通知单，对硫含量内控小于50ppm的所有钢种改硫印为低倍检验，并对类似重点工程用高要求管线钢规定头尾坯取样，加严判定。

技术通知单号BZAO2004-029。

3.制订专用冶金规范491126，通过宝钢管理计算机下发质量设计指令，明确加热、粗轧、终轧、卷取等各工艺制度。

4.形成热轧技术规程YADA09801011~041，规定类似钢种及规格的生产注意事项。

十一．下步打算

针对汽车酸洗板的性能不稳定，下一步将开展“改进与提高汽车酸洗板的性能合格率”的自主管理活动。