楊志寧

（天津天鐵冶金集團(tuán)技術(shù)中心，河北涉縣056404）

天鐵26CrMo4圓管坯生產(chǎn)實(shí)踐

楊志寧

（天津天鐵冶金集團(tuán)技術(shù)中心，河北涉縣056404）

為滿足市場(chǎng)需求，天鐵研制開(kāi)發(fā)了P110鋼級(jí)石油套管用26CrMo4圓管坯。天鐵采取全程工藝控制，嚴(yán)格控制化學(xué)成分，LF爐加VD爐精煉，使產(chǎn)品的五害元素、氣體含量均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。生產(chǎn)出的26CrMo4圓管坯經(jīng)成分分析、低倍分析和力學(xué)性能檢驗(yàn)，均能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，滿足用戶需求。

圓管坯；精煉；石油套管

1 引言

石油套管是石油、天然氣開(kāi)采過(guò)程中的重要材料，主要用于油田鉆井過(guò)程中和完井后對(duì)井壁的支撐，以保證鉆井過(guò)程的進(jìn)行和完井后整個(gè)油井的正常運(yùn)行。隨著我國(guó)石油工業(yè)的持續(xù)、快速發(fā)展，對(duì)石油套管的需求量逐年增多。

天鐵集團(tuán)煉鋼廠2#圓坯連鑄機(jī)投產(chǎn)于2008 年10月，與之相匹配的有2臺(tái)LF精煉爐和1臺(tái)雙工位VD精煉爐。目前可生產(chǎn)的品種，包括各級(jí)別石油套管、石油管線管、各類非石油套管及鍛造用圓坯，但尚缺少生產(chǎn)高端CrMo系連鑄圓管坯的經(jīng)驗(yàn)。為進(jìn)一步開(kāi)拓市場(chǎng)，提高抵御市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)能力，充分發(fā)揮設(shè)備潛能，提高產(chǎn)品研發(fā)水平，于2011年7月研制開(kāi)發(fā)高級(jí)別石油套管用鋼26CrMo4、30CrMo等。

2 技術(shù)要求

高等級(jí)石油套管在使用過(guò)程中，井下受力狀態(tài)復(fù)雜，拉、壓、彎、扭應(yīng)力綜合作用于管體，這對(duì)套管本身的質(zhì)量提出了較高的要求。要求高強(qiáng)度、高沖擊韌性、高螺紋連接強(qiáng)度和高抗擠毀性。

CrMo系列鋼的特性，Cr元素有效地提高了鋼的淬透性。Mo元素在鋼中存在于固溶體相和碳化物中，可提高淬透性、熱強(qiáng)性、抗熱蝕性和防止回火脆性。Cr、Mo元素的適當(dāng)配合，可使鋼具有高強(qiáng)度和韌性，淬透性也較好，無(wú)明顯的回火脆性，調(diào)質(zhì)處理后有較高的疲勞極限和抗多次沖擊能力，低溫沖擊韌性良好，滿足高等級(jí)石油套管的性能要求。此外，鋼的成分要求穩(wěn)定、均勻，夾雜物、五害元素和氣體含量低。

天鐵根據(jù)API Spect 5CT標(biāo)準(zhǔn)以及下游管廠需求，為了保證成品鋼管的性能，對(duì)鋼的化學(xué)成分做了嚴(yán)格要求，最終確定了26CrMo4鋼的成分見(jiàn)表1。

3 工藝簡(jiǎn)介

天鐵生產(chǎn)26CrMo4鋼采用180 t混鐵爐→45 t氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐→LF精煉爐→VD真空精煉爐→R10m圓坯連鑄機(jī)→鑄坯檢驗(yàn)→出廠。

表1 26CrMo4鋼化學(xué)成分 /%

3.1 轉(zhuǎn)爐冶煉操作

冶煉條件：鐵水[S]＜0.035%，Sn、As、Sb、Pb、Bi五元素含量要低；廢鋼純凈，不得含有鎳、銅、鉛等有色金屬；裝入量為（46±1）t。為保證鋼水磷含量達(dá)到0.020%以下的控制要求，采取了雙渣法造渣，第1批加入石灰1 000 kg，白云石500 kg；吹煉約4 min倒掉前期渣后，加入第2批料，1 600～1 900 kg石灰，900 kg白云石。全程化渣，終渣流動(dòng)性良好，終渣堿度控制在3.0～3.5。終點(diǎn)成分控制在[C]0.05～0.08%，[P]≤0.015%，[S]≤0.030%，出鋼溫度控制在1 635～1 650℃。出鋼時(shí)間在2'50''以上，使用擋渣標(biāo)、擋渣球雙擋渣出鋼，杜絕大口下渣。鋼包采用磚砌精煉專用鋼包充分預(yù)熱，底吹通暢。

脫氧合金化采用MnSi+高碳FeMn+高碳Fe-Cr+BaAlSi（100 kg）+Al餅（10 kg）的合金結(jié)構(gòu)。加完合金后向鋼包內(nèi)加預(yù)熔合成渣230 kg，石灰150 kg。

3.2 LF精煉爐操作

鋼包到位后軟吹3 min，測(cè)定鋼水溫度。向渣面加入鋁粒15 kg、多功能脫氧劑24 kg脫氧。加熱2 min后，加入石灰200 kg和適量螢石。第一次加熱完畢取第一個(gè)鋼樣，軟吹2 min后測(cè)溫，并加入FeMo合金，加入量134～136 kg。第二次加熱時(shí)，將剩余150 kg石灰分若干小批加入，第二次加熱完畢前3 min加完。第二次加熱完畢取第二個(gè)鋼樣，軟吹2 min后測(cè)溫。依據(jù)第一塊和第二塊成分，調(diào)整鋼中各元素至目標(biāo)值。LF爐精煉完畢后喂入50 m硅鈣線再上VD爐。

3.3 VD真空精煉爐操作

鋼包座在真空室后，打開(kāi)氬氣閥門，將流量調(diào)至渣面輕微蠕動(dòng)狀態(tài)，測(cè)溫后，蓋好真空蓋，開(kāi)始真空處理。逐級(jí)啟動(dòng)真空泵，使真空室內(nèi)真空度達(dá)到67 Pa以下。通過(guò)窺視孔觀察渣面高度和噴濺情況，調(diào)節(jié)氬氣流量。在包內(nèi)渣面趨向穩(wěn)定時(shí)，應(yīng)逐漸加大氬氣流量，以達(dá)到良好的脫氧效果。處理時(shí)間足夠后，將氬氣流量調(diào)至弱攪拌，然后再充氣破真空。之后喂入CaSi線60 m/爐，弱攪拌3 min以上，鎮(zhèn)靜5 min以上，再上連鑄澆注。

3.4 圓坯連鑄機(jī)操作

中間包烘烤溫度大于1 250℃，中包水口周圍異物必須清理干凈。大包保護(hù)使用鋁碳質(zhì)水口，加密封墊并使用氬氣密封。中包保護(hù)使用整體式鋁碳質(zhì)浸入式水口，結(jié)晶器使用專用保護(hù)渣。

結(jié)晶器振幅±4.5 mm。結(jié)晶器水流量100～110 t/h，壓力0.8～1.0 MPa。二冷比水量0.45 L/kg，壓力0.8～1.2 MPa。電磁攪拌電流為230 A，頻率為2.9 Hz。拉速1.2～1.3 m/min，矯直溫度要求在1 080℃左右。鑄坯在冷床冷卻后，再堆垛緩冷，嚴(yán)禁對(duì)鑄坯打水冷卻。

3.5 生產(chǎn)過(guò)程中遇到的問(wèn)題和改進(jìn)措施

3.5.1 鋼中全氧含量偏高

由于采用45 t氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐冶煉，冶煉完畢后鋼水中氧含量較高，為900×10-6～1 000×10-6，給后續(xù)工序脫氧帶來(lái)一定的壓力。通過(guò)高拉碳工藝適當(dāng)提高轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳含量，從而降低鋼水中的氧含量。轉(zhuǎn)爐采用純鋁脫氧劑，降低鋼中自由氧含量，并進(jìn)一步完善LF精煉爐頂渣脫氧操作和VD精煉爐抽真空操作，在滿足工藝和生產(chǎn)組織要求下，盡可能延長(zhǎng)軟吹時(shí)間，提高夾雜物去除效果。

3.5.2 Sn、As、Sb、Pb、Bi五元素之和含量偏高

鐵水中的Sn、As、Sb、Pb、Bi等五元素，主要是從原料礦石中帶來(lái)的，在轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程中不能被去除。當(dāng)前鐵前系統(tǒng)為了降低成本，礦石原料復(fù)雜多變，這就使鐵水中五害元素波動(dòng)大。為避開(kāi)五害元素超標(biāo)的鐵水，采取全工序協(xié)調(diào)冶煉前調(diào)整鐵前原料配比，降低鐵水中五害元素含量，滿足冶煉本鋼種的鐵水要求。

3.5.3 FeMo合金的加入時(shí)機(jī)

FeMo合金熔點(diǎn)較高，其完全熔化約需20 min。在LF精煉爐加入，影響成分調(diào)整時(shí)間。應(yīng)在轉(zhuǎn)爐出鋼時(shí)加入FeMo合金，再在LF爐進(jìn)行成分微調(diào)。

3.5.4 VD真空精煉爐溫降較大。

VD精煉爐長(zhǎng)期不用，再次使用時(shí)，應(yīng)提前預(yù)熱，預(yù)熱時(shí)間保證在1 h以上，避免VD精煉工序溫降過(guò)大。

4 結(jié)果分析

4.1 成分分析

首批天鐵生產(chǎn)5爐26CrMo4圓坯共計(jì)200 t，其主要化學(xué)成分見(jiàn)表2。

表2 26CrMo4鋼化學(xué)成分 /%

由表2可見(jiàn)，鋼水成分控制很好，碳的波動(dòng)范圍小于0.03%，P含量均控制在0.015%以下，S控制在0.005%以下，Cr、Mo的控制水平總體穩(wěn)定，Cr的波動(dòng)偏差大一些，有待進(jìn)一步提高操作水平。鋼中五害元素含量高，略低于標(biāo)準(zhǔn)要求，在后續(xù)生產(chǎn)中需進(jìn)一步調(diào)整。氣體元素含量控制穩(wěn)定見(jiàn)圖1，其含量達(dá)到技術(shù)要求。鋼水質(zhì)量能夠滿足鋼管的性能要求，并且能夠保證鋼管后續(xù)熱處理工藝的穩(wěn)定，從而得到性能穩(wěn)定的最終產(chǎn)品。

圖1 氣體元素含量

4.2 低倍分析

對(duì)連鑄坯表面質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，連鑄坯無(wú)凹坑、裂紋、結(jié)疤、針眼等缺陷。連鑄低倍組織檢驗(yàn)表明，鑄坯無(wú)明顯中心偏析和縮孔。存在的主要缺陷為中心疏松評(píng)級(jí)最高為1級(jí)，見(jiàn)圖2。還需進(jìn)一步優(yōu)化連鑄二冷配水工藝和結(jié)晶器電磁攪拌參數(shù)。

4.3 力學(xué)性能

首批試制的26CrMo4圓坯經(jīng)下游制管廠生產(chǎn)成P110級(jí)石油管，其主要性能指標(biāo)均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖2 鑄坯中心疏松

5 結(jié)語(yǔ)

天鐵采取全程工藝控制，LF爐加VD爐精煉，使產(chǎn)品的五害元素、氣體含量均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。經(jīng)用戶軋制后其性能也達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求。26CrMo4圓管坯的生產(chǎn)實(shí)踐，解決了雙渣法冶煉低磷鋼的問(wèn)題，以及CrMo鋼生產(chǎn)過(guò)程中合金加入時(shí)機(jī)的問(wèn)題。26CrMo4圓管坯的開(kāi)發(fā)，使天鐵集團(tuán)具備了生產(chǎn)高端CrMo系連鑄圓管坯的技術(shù)，并積累了經(jīng)驗(yàn)，在短時(shí)間內(nèi)相繼開(kāi)發(fā)了30CrMo、30Mn5Cr、30Mn2Cr等鋼種。

[1]王金海，尚明.P110鋼級(jí)光管產(chǎn)品研制開(kāi)發(fā)[J].山東冶金，2013 （2）：9-11.

[2]李炳一，王永然，蔡振勝.轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)P110級(jí)高抗擠毀石油套管鋼26CrMo4的實(shí)踐[J].天津冶金，2012（1）：4-6.

Production Practice of Tiantie 26CrMo4 Round Billet for Pipe Application

YANG Zhi-ning
(Technology Center of Tianjin Tiantie Metallurgy Group,She County,Hebei Province 056404,China)

In order to meet the requirement by the market,Tiantie developed 26CrMo4 round billet for P110 grade oil casing application.Adopting full process control,strictly controlling chemical composition and utilizing LF and VD refining,the content of five detrimental elements and gas content all reached design requirements.The produced 26CrMo4 round billet reached the requirement by the standard in composition analysis,microstructure analysis and mechanical property inspection and the customer's demands were met.

round billet for pipe application;refining;oil casing

10.3969/j.issn.1006-110X.2015.06.001

2015-08-15

2015-09-10

楊志寧（1981—），男，本科，工程師，主要從事專業(yè)技術(shù)管理和產(chǎn)品研發(fā)工作。