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摘 要

為了適應(yīng)我 國(guó)增加原油地質(zhì)儲(chǔ)量和滿足新疆塔里木盆地沙漠 、海洋及與國(guó)外合作等深層石油勘探開(kāi)發(fā)的需要 ，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)對(duì)各種深井和超深井用抽油桿將有廣泛的需求。特別是我國(guó)東部油田的開(kāi)采現(xiàn)已步人后期 ，深井、超深井、含蠟井對(duì)抽 油 桿 的 強(qiáng) 度、韌 性 要 求 更 高 ，而 原 有20CrM o 等 D 級(jí)抽油桿因達(dá)不 到要求將被超高強(qiáng)度抽油桿替代。超高強(qiáng)度 (H 級(jí) ) 抽油桿 用于重 、超 重負(fù)荷 的抽 油井 (如稠 油井 、深井 和大泵強(qiáng)采井等) 是我國(guó)油 田急需的特種油桿。高性價(jià) 比且性能穩(wěn)定 的超高強(qiáng)度抽油桿用熱軋圓鋼目前 國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)供應(yīng)還是空白。超高強(qiáng)度抽油桿目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求量為1500萬(wàn) m／a，核算為超高強(qiáng)度抽油桿用鋼約為 5 萬(wàn) t／ a。如果再加上出口，需求量將會(huì)更大。SY ／ T5029-2006 《 抽油桿》 中超高強(qiáng)度抽 油桿的 主要 力學(xué) 性 能為 抗 拉強(qiáng) 度 為 965 —1195MPa，延伸率 6200≥10％ ，面縮率 ≥45％ ，沖擊功 A KU2t > 60 J。疲勞強(qiáng)度，循環(huán)周次大于 1 ×10 。H 級(jí)抽 油桿用鋼要求為冶煉質(zhì)量要求潔凈度較 高、化學(xué)成 分的波 動(dòng)范 圍較小 ；強(qiáng)度高 ，有一定 的綜合力學(xué)性能 、抗疲勞性能和抗腐蝕疲勞性能；經(jīng)濟(jì)性好，價(jià)格合理。首鋼結(jié)合市場(chǎng)根據(jù)超高強(qiáng)度抽油桿用鋼的需求 ，經(jīng)過(guò)近一年的試驗(yàn)研究 ，開(kāi)發(fā)了一種高性價(jià)比的新型超高強(qiáng)度抽油 桿用貝氏體鋼 (SSYH-1鋼) ，于 2007 年 5 月實(shí)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(shù)協(xié)議要求經(jīng)過(guò)適當(dāng)熱處理的 SSY H 一 1 鋼 的屈服強(qiáng)度 不 小 于 795 M Pa、抗 拉 強(qiáng)度不小于965MPa、伸長(zhǎng)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(xì)化的關(guān)鍵在于細(xì)化相變前的奧氏體晶粒 ，因?yàn)樨愂象w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(xì)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(jìn)行了熱模擬試驗(yàn)，摸索熱變形和軋后冷卻過(guò)程中奧氏體晶粒 的長(zhǎng)大趨勢(shì)，為工業(yè)生產(chǎn)制訂工藝參數(shù)提供技術(shù)依據(jù)。

1． 1 軋制過(guò)程的模擬

實(shí)驗(yàn)在Gleeble．2000熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)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(shí)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(xué)顯微鏡觀察奧氏體晶粒 。SSYH 一1鋼熱變形過(guò)程 中變形量為 60％的靜態(tài)再結(jié)晶軟化率如圖1所示。

由圖1可知，850—900℃ 為未再結(jié)晶區(qū)，1000℃以上為再結(jié)晶區(qū)。不同變形溫度雙道次變形后奧氏體晶粒情況見(jiàn)2所示。道次間隔時(shí)間為1S。

由圖 2 可知 ，900 ℃未再結(jié)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(jié) 晶 ，出現(xiàn)混 晶，1 000 ，1 050 ℃ 變形后 ，奧氏體 晶粒 完全 再結(jié) 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(jié)晶區(qū)控制軋制 ，奧氏體晶粒內(nèi)產(chǎn)生大量的位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)和形變帶 ，使奧 氏體 向貝氏體轉(zhuǎn)變時(shí)具有大量形核點(diǎn) ，細(xì)化 了貝氏體組織 ，抑制 了貝氏體鐵素體針的長(zhǎng)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(guò)程中奧氏體晶粒的長(zhǎng)大趨勢(shì)將決定貝氏體組織 的細(xì)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(kāi)軋溫度 1 000℃，進(jìn)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(xué)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(guò)程中晶粒長(zhǎng)大趨勢(shì)。

由圖3可知 ，變形后相變前冷卻過(guò)程中奧氏體晶粒的長(zhǎng)大趨勢(shì)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(xì)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(zhǎng) 大趨 勢(shì)明顯 ，3s后晶粒 長(zhǎng)大趨勢(shì)減慢，10S時(shí)晶粒長(zhǎng)大停止。綜上所述，結(jié)合首鋼精棒車間的設(shè)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(guò)雙渣法脫磷，吹煉終點(diǎn)使用鋁合金脫氧，高堿度合成渣洗渣，最后進(jìn)行合金化 ；

(2 ) LF 爐精煉。鋼包到 LF 爐工位 后進(jìn)行底吹氬氣對(duì)鋼液進(jìn)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(kuò)散脫 氧促進(jìn)脫硫 效果 ，避免使 用si． Fe 粉 ，確保 白渣 的保持 時(shí)間及 軟吹時(shí)間 ，以保證夾雜物充分上浮、獲得潔凈鋼 ；一精煉過(guò)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(zhǎng)水 口，中間包采用整體式水口，實(shí)現(xiàn)全程保護(hù)澆注；過(guò)熱度控制在 20 — 30℃；保持拉速穩(wěn)定 ；采用結(jié) 晶器電磁攪拌來(lái)改善鑄坯 內(nèi)部質(zhì)量；二冷 自動(dòng)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(dāng)提高加熱溫度 ；為確保軋材綜合強(qiáng)韌性 ，采用控制軋制工藝并軋后空冷。

3 試制結(jié)果與討論

3． 1 夾雜與低倍

SSY H -1鋼材金相檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，低倍檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

由表 1 ，2 可見(jiàn) ，SSYH—1 鋼材金相夾雜物和低倍達(dá)到 了抽油桿用熱軋圓鋼YB／T054-94 標(biāo)準(zhǔn)要求 。

3． 2 金相組織

SSY H—1 鋼軋材金相組織見(jiàn) 表3、金相照片見(jiàn)圖4 。

由表 3 ， 4 可知 ，由于采用控 制軋制 ，鋼材的金相組 織 細(xì)小 ，鐵 素 體 晶粒 度 達(dá) 到 10． 5 一l1． 0 級(jí)。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(shí)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(jiàn)圖 5。

由圖 5 可見(jiàn) ，在 工業(yè)生產(chǎn) 大變形量條 件下進(jìn)行控軋 ，粒狀貝氏體組織得到明顯的細(xì)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(qiáng)韌性的良好配合 ，在組織形態(tài)上要求小島弦長(zhǎng)較小¨ ，小 島總量適中，盡可能降低碳含量 ，同時(shí)應(yīng)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(xì)化，粒狀貝氏體小島的平均弦長(zhǎng)減小 ，小島總量也有降低。

3． 3 力學(xué)性能

分別對(duì) SSYH—1鋼材進(jìn)行了調(diào)質(zhì)和非調(diào)質(zhì)熱處理工藝條件下的力學(xué)性能檢驗(yàn) ，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)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(xiàng)力學(xué)性能都可滿足技術(shù)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(qiáng)度指標(biāo)富裕量不大 ，沖擊功指標(biāo)隨著終軋溫度的降低而有上升趨勢(shì)。

非調(diào)質(zhì)工藝條件下 ，強(qiáng)度指標(biāo)保持較高的水平 ，抗拉強(qiáng)度為 1 050 —1 180 M Pa，延伸率最高達(dá)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(dá)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(qiáng)韌塑性。

4 結(jié)論

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)與開(kāi)發(fā),我公司第一次試制的SSYH一1桿件用鋼,各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到了技術(shù)條件要求.對(duì)于占領(lǐng)市場(chǎng)具有重大意義.