一種值得大力開發(fā)的鋼材
作者 陳 濤
摘 要
為了適應我 國增加原油地質(zhì)儲量和滿足新疆塔里木盆地沙漠 、海洋及與國外合作等深層石油勘探開發(fā)的需要 ，國內(nèi)外市場對各種深井和超深井用抽油桿將有廣泛的需求。特別是我國東部油田的開采現(xiàn)已步人后期 ，深井、超深井、含蠟井對抽 油 桿 的 強 度、韌 性 要 求 更 高 ，而 原 有20CrM o 等 D 級抽油桿因達不 到要求將被超高強度抽油桿替代。超高強度 (H 級 ) 抽油桿 用于重 、超 重負荷 的抽 油井 (如稠 油井 、深井 和大泵強采井等) 是我國油 田急需的特種油桿。高性價 比且性能穩(wěn)定 的超高強度抽油桿用熱軋圓鋼目前 國內(nèi)外市場供應還是空白。超高強度抽油桿目前國內(nèi)市場需求量為1500萬 m／a，核算為超高強度抽油桿用鋼約為 5 萬 t／ a。如果再加上出口，需求量將會更大。SY ／ T5029-2006 《 抽油桿》 中超高強度抽 油桿的 主要 力學 性 能為 抗 拉強 度 為 965 —1195MPa，延伸率 6200≥10％ ，面縮率 ≥45％ ，沖擊功 A KU2t > 60 J。疲勞強度，循環(huán)周次大于 1 ×10 。H 級抽 油桿用鋼要求為冶煉質(zhì)量要求潔凈度較 高、化學成 分的波 動范 圍較小 ；強度高 ，有一定 的綜合力學性能 、抗疲勞性能和抗腐蝕疲勞性能；經(jīng)濟性好，價格合理。首鋼結合市場根據(jù)超高強度抽油桿用鋼的需求 ，經(jīng)過近一年的試驗研究 ，開發(fā)了一種高性價比的新型超高強度抽油 桿用貝氏體鋼 (SSYH-1鋼) ，于 2007 年 5 月實現(xiàn)工 業(yè)試制 ，且規(guī)格 為19 ，22 ，25mm的SSYH-1鋼共供貨 160 t。技術協(xié)議要求經(jīng)過適當熱處理的 SSY H 一 1 鋼 的屈服強度 不 小 于 795 M Pa、抗 拉 強度不小于965MPa、伸長率6不小于 15％、斷面收縮率不小于 45％ 、室溫U型缺 口沖擊功不小于60 J。
1 軋制工藝的確定
軋材貝氏體組織細化的關鍵在于細化相變前的奧氏體晶粒 ，因為貝氏體鋼解理斷裂面的有效尺寸直接依賴于原奧氏體晶粒尺寸。細化奧氏體晶粒的有效方法是控 制軋制及軋后的冷卻速度。為了制訂新鋼種的軋制工藝 ，進行了熱模擬試驗，摸索熱變形和軋后冷卻過程中奧氏體晶粒 的長大趨勢，為工業(yè)生產(chǎn)制訂工藝參數(shù)提供技術依據(jù)。
1． 1 軋制過程的模擬
實驗在Gleeble．2000熱模擬試驗機上進行 。將試樣以 30℃／s的速度加熱到1150℃ ，保溫5 m in，然后以 10℃／s的速度冷卻到變形溫度 ，變形溫度 分別 為 850 ，900 ，950 ，1 000 ，1 050℃。第一道次變形量為 60％、變形速率為 20 s～，變形間隙保溫時間為 1，5 ，10 ，20 ，50 s；第二道次變形 量為 20％ ，變形速率 為 10 s～，變 形后立即淬火 。淬火試樣用苦味酸溶液腐蝕后 ，用光學顯微鏡觀察奧氏體晶粒 。SSYH 一1鋼熱變形過程 中變形量為 60％的靜態(tài)再結晶軟化率如圖1所示。
由圖1可知，850—900℃ 為未再結晶區(qū)，1000℃以上為再結晶區(qū)。不同變形溫度雙道次變形后奧氏體晶粒情況見2所示。道次間隔時間為1S。
由圖 2 可知 ，900 ℃未再結晶區(qū)變形后 ，奧氏體 晶粒 由于變形積累 ，晶粒被壓扁變形 ，形成了形變帶 ；950 ℃ 變形后 ，由于奧氏體晶粒發(fā)生部分再結 晶 ，出現(xiàn)混 晶，1 000 ，1 050 ℃ 變形后 ，奧氏體 晶粒 完全 再結 晶。如 1 000~ C 變形后，奧氏體晶粒大小為 9．4 um 。因此 ，終軋階段在未再結晶區(qū)控制軋制 ，奧氏體晶粒內(nèi)產(chǎn)生大量的位錯亞結構和形變帶 ，使奧 氏體 向貝氏體轉(zhuǎn)變時具有大量形核點 ，細化 了貝氏體組織 ，抑制 了貝氏體鐵素體針的長大 。1． 2 軋后冷卻模擬SSY H—1 鋼為貝氏體鋼 ，相變溫度較低 ，終軋后至相變前的過程中奧氏體晶粒的長大趨勢將決定貝氏體組織 的細化情況 。將試樣 以 30℃／s速度加熱到 1 150℃，保溫5 m in ，然后以10℃／s冷卻到開軋溫度 1 000℃，進行變形量60％ ，變形速率為 20 S～，5 S 冷卻 到終軋溫度800 ，850 ，900 ，950℃變形量為 30％ ，以 3℃／s 分別冷卻0，3，10，30，60S后淬火，用光學顯微鏡觀察奧 氏體 晶粒。圖 3 為不 同變形溫度變形后冷卻過程中晶粒長大趨勢。
由圖3可知 ，變形后相變前冷卻過程中奧氏體晶粒的長大趨勢隨著終軋溫度的降低而減緩終軋 ，溫度越低奧 氏體 晶粒越 細小。800 ，850 ， 900 ，950 ℃變形后 10 s，奧 氏體 晶粒大小 分別為 19 ，13 ，11，9． 4 I xm 。奧氏體 晶粒在變形后 3S 內(nèi)晶粒長 大趨 勢明顯 ，3s后晶粒 長大趨勢減慢，10S時晶粒長大停止。綜上所述，結合首鋼精棒車間的設備情況，控制終軋溫度 850 —900 ℃，軋后空冷 。
2 工業(yè)試制
SSY H -1 圓鋼的生產(chǎn)工藝為鐵水包脫硫一轉(zhuǎn)爐煉鋼一LF 爐精煉一連鑄一棒材連軋。
(1) 轉(zhuǎn)爐煉鋼。煉鋼廠采用 80 t 氧氣頂 吹轉(zhuǎn)爐冶煉， 并通過雙渣法脫磷，吹煉終點使用鋁合金脫氧，高堿度合成渣洗渣，最后進行合金化 ；
(2 ) LF 爐精煉。鋼包到 LF 爐工位 后進行底吹氬氣對鋼液進行攪拌 ，使成分均勻 ，并加鋁粒脫氧；之后造高堿度渣脫硫 ，分批加入電石和鋁粒 ，渣面擴散脫 氧促進脫硫 效果 ，避免使 用si． Fe 粉 ，確保 白渣 的保持 時間及 軟吹時間 ，以保證夾雜物充分上浮、獲得潔凈鋼 ；一精煉過程中微調(diào)各元素成分至最佳值，并調(diào)整溫度保證連續(xù)生產(chǎn) ；
(3) 連鑄。鋼包 采用帶 氬封長水 口，中間包采用整體式水口，實現(xiàn)全程保護澆注；過熱度控制在 20 — 30℃；保持拉速穩(wěn)定 ；采用結 晶器電磁攪拌來改善鑄坯 內(nèi)部質(zhì)量；二冷 自動配水冷卻。因 SSYH—1 鋼合金含量高 ，故連鑄坯 下冷床后人緩冷坑緩冷，充分釋放材 中的氫氣 ；
(4 ) 棒材連軋。SSY H -1 鋼合金含量高 ，需適當提高加熱溫度 ；為確保軋材綜合強韌性 ，采用控制軋制工藝并軋后空冷。
3 試制結果與討論
3． 1 夾雜與低倍
SSY H -1鋼材金相檢驗結果見表1，低倍檢驗結果見表2。
由表 1 ，2 可見 ，SSYH—1 鋼材金相夾雜物和低倍達到 了抽油桿用熱軋圓鋼YB／T054-94 標準要求 。
3． 2 金相組織
SSY H—1 鋼軋材金相組織見 表3、金相照片見圖4 。
由表 3 ， 4 可知 ，由于采用控 制軋制 ，鋼材的金相組 織 細小 ，鐵 素 體 晶粒 度 達 到 10． 5 一l1． 0 級。西19 m m 規(guī)格 SSY H ． 1 鋼材 的組織為粒狀貝氏體組織。較大規(guī)格 ( 22 m m 、 25 r a m ) SSY H ． 1 鋼材 的組織主要 為貝氏體 ，同時出現(xiàn)極少量的鐵素體�？剀埮c非控軋 SSY H ． 1 鋼材 的金相組織比較見圖 5。
由圖 5 可見 ，在 工業(yè)生產(chǎn) 大變形量條 件下進行控軋 ，粒狀貝氏體組織得到明顯的細化。粒狀 貝氏體是由板條狀鐵素體和板條間呈方向性分布的馬氏體 + 奧 氏體 (M + A ) 小島組成的。為了獲得粒狀貝氏體強韌性的良好配合 ，在組織形態(tài)上要求小島弦長較小¨ ，小 島總量適中，盡可能降低碳含量 ，同時應盡量降低終軋溫度。由圖 5 可知 ，隨著控軋終軋溫度的降低 ，貝氏體組織細化，粒狀貝氏體小島的平均弦長減小 ，小島總量也有降低。
3． 3 力學性能
分別對 SSYH—1鋼材進行了調(diào)質(zhì)和非調(diào)質(zhì)熱處理工藝條件下的力學性能檢驗 ，檢驗結果見表4 ， 5 。
由表 4 ，5 可知，在調(diào)質(zhì)工藝 、非調(diào)質(zhì)工藝條件下 ，鋼材的各項力學性能都可滿足技術協(xié)議要求。
與非調(diào)質(zhì)工藝相 比，調(diào)質(zhì)工藝條件下抗拉強度指標富裕量不大 ，沖擊功指標隨著終軋溫度的降低而有上升趨勢。
非調(diào)質(zhì)工藝條件下 ，強度指標保持較高的水平 ，抗拉強度為 1 050 —1 180 M Pa，延伸率最高達到了 20％ 以上 ，面縮率均在 50％以上 ，沖擊功更穩(wěn)定 ，也有較大的富裕量，達到80 —120J。非調(diào)質(zhì)工藝條件下的SSYH一1 鋼材表現(xiàn)出優(yōu) 良的綜合強韌塑性。
4 結論
經(jīng)過試驗與開發(fā),我公司第一次試制的SSYH一1桿件用鋼,各項性能指標達到了技術條件要求.對于占領市場具有重大意義.
