N80级非调质油井管用钢的研制开发——节能减排型特殊钢品种的开发实践

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摘要莱钢采用UHP EAF冶炼一LF(VD)精炼一连铸一轧制短流程工艺路线开发生产N80级36 Mn2 V非调质油井管用钢，通过采取精料、严格控制电炉终点(TPC)、强化预脱氧、合理调整精炼炉渣、连铸保护浇注、钢管轧后控冷等工艺措施，使生产出的产品具有成分均匀、残余元素含量低、氧含量低、夹杂物少、晶粒细小的特点，较好地满足了石油工业对高质量油井管的要求。

关键词油井管精炼保护浇注

1 前言

36 Mn2 V是生产N80级石油套管的专用钢种，属钒微合金化非调质钢，该钢适宜于采用控温、控冷和控制变形量等方法加工，钢管勿需调质即可达到要求的性能，由此简化了生产工艺，降低了钢管制造成本，是国家鼓励开发、生产的高效经济、节能减排型特殊钢品种之一。莱钢根据市场需求和公司新产品开发计划，经研究决定在特殊钢厂电炉生产线研制N80级油井管用36 Mn2 V钢，2007年3月一次试制成功，经检验，莱钢集团烟台钢管有限公司制成的无缝管各项性能指标优异，完全满足API规范及用户使用要求，新疆油田、胜利油田等用户应用情况良好。

2 工艺流程

N80级36 Mn2 V油井管用钢生产工艺流程：50吨电炉冶炼→LF精炼→VD真空处理→合金钢连铸(260 mm×300 mm)→大型车间成材→精整检查→入库。

3 成分设计及残余元素控制

3．1 成分设计原则

API SPEC 5CT规范中对N80级油井管的材质没有具体规定，只规定S、P≤0．025％及钢管力学、工艺性能等指标，各生产厂需根据加工工艺和内在质量要求，结合自身工艺装备实际情况设计钢种成分和制定相应生产工艺。成分设计原则如下：

(1)降碳提锰，合理控制Mn／C比。

N80级36 Mn2 V油井管用钢属中碳非调质锰钒钢，主要依靠碳、锰、钒元素固溶强化。钢中碳、锰元素含量与J55级37 Mn5接近，但强度级别大幅上升(约200 MPa)。金相组织中珠光体量较多，铁素体少且易于沿晶界呈网状分布，并可能有少量贝氏体存在，这些组织因素都对韧性有损害。由于不经调质处理，36 Mn2 V钢管常出现韧性不足的问题。

采用“降碳提锰”的技术思路，降低碳含量、适当控制Mn／C比，可增加钢中多边形铁素体体积分数，最终得到珠光体铁素体组织类型的非调质钢，消除网状铁素体和贝氏体等异常组织，同时细化晶粒，提高钢的韧性。因降碳而引起的强度下降由提高锰含量及微合金化沉淀强化所弥补。增加锰含量可起到固溶强化作用，还可降低珠光体生成温度、细化珠光体片层间距及珠光体球团尺寸。

统计结果表明，碳含量控制在技术条件中下限、锰含量控制在中上限、Mn／C比值控制在4～5，可确保钢管组织、强度、韧性均控制在理想水平。

(2)加入微合金化元素V，利用电炉钢氮含量高的特点，形成钒的碳氮化物。其既可在加热过程中有效阻止奥氏体晶粒长大，又在铁素体、珠光体中铁素体片层析出，起析出强化及细化晶粒作用。

(3)为了减少夹杂物的影响，提高钢的洁净度。S、P尽可能低，采用真空脱气冶炼工艺使氧含量≤20ppm，氢含量≤2．0ppm。

(4)提高成分控制精度及控制各元素匹配关系。

3．2 有害残余元素控制

油井管要求严格控制钢中S、P及Zn、Pb、Sb、Cu、As、Sn、Bi、H等有害元素，以免造成无缝钢管表面裂纹及降低钢的塑韧性和高温强度。通过严格控制钢水中的硫、磷及Mn／S比，可提高管坯的塑韧性，减少对管坯加工使用性能的影响。钢中Zn、Pb、Sb等残余元素具有较高的蒸汽压，在炼钢温度下较易蒸发而除去，为易去除元素；而Cu、Sn等元素由于其氧化位能比铁元素低，用正常的炼钢方法很难去除，需采取有效措施。一般采用精料原则：选用400A以上的铁水和优质生铁、DRI等废钢代用品对其进行“稀释”处理，充分利用电炉热装铁水降低残余元素的含量。

4 冶炼一连铸一轧制过程控制

4．1 配料要求

因为36 Mn2 V油井管对非金属夹杂物、气体含量等要求较严格，同时从化学成分要求看，S、P含量要求较低，因此要求入炉原材物料和浇注系统干燥、洁净、烘烤良好，人炉钢铁料要求含S、P量低。根据相应要求，制定了表1的配料结构。

4．2 电炉工艺控制

因为36 Mn2 V油井管化学成分要求P含量较低，因此电炉控制的重点是氧化前期做好去P操作，造好泡沫渣，氧化终点碳大于0．10％，出钢时用硅锰合金进行预脱氧，在出钢至1／3时随钢流一次加足A1块，进行合金化时应该选用低磷合金，用中锰合金进行合金化操作。通过一系列技术措施的制定，精炼炉到位分析一次样成分见表2。

4．3精炼工艺控制

由于电炉过程控制较好，精炼炉到位炉渣流动性良好，精炼过程深脱氧变渣较快，通过含量调整炉渣状况，炉渣碱度平均为3．5，∑(FeO)≤0．5％，白渣保持时间在30min以上，脱氧充分，熔炼成分控制理想，见表3。

其它残余元素Zn、Pb、Sb、Cu、As、Sn、Bi等的含量均≤0．006％。

LF出钢前进行喂Ca－Si线操作，出钢后进行VD真空处理，真空度(小于67 Pa)保持时间大于15分钟，破空后软吹氩时间不少于10分钟，进一步去除钢中气体、夹杂物。

4．4连铸工艺控制

连铸过程采用全程保护浇注、低过热度浇注、中间包高液面和恒拉速操作，减少了钢中夹杂物含量。中间包过热度均控制在25℃以内，拉速稳定在0．65 m／min；采用优质保护渣和结晶器电磁搅拌技术，有利于提高铸坯的实物质量，防止各种表面和低倍组织缺陷的产生。

由于N80含有V、N等裂纹敏感元素，造成高温脆性区间扩大，铸坯极易出现裂纹。若铸机二冷水控制不当，会造成在高温区间热应力发布不均，或矫直温度处于脆性温度区间，而使铸坯表面产生裂纹。图1示出N80非调质油井管试样的断面收缩率随温度的变化关系。可见，N80油井管钢在750~920℃出现第三脆性温度区间。为此二冷采用弱冷，确保矫直温度大于920℃，防止出现应力裂纹。