中包过热度、钙硫质量比、轧制变形量对中碳石油套管钢低温冲击韧性的影响.pdf

42收稿日期：2 0 2 2-0 3-2 7；修订日期：2 0 2 3-0 4-2 6DOI:10.1197gccl202306008MATERIALSFORMECHANICALENGINEERINGVol.47No.6 Jun.20232023年6 月第47 卷第6 期2023机械工程材料中包过热度、钙硫质量比、轧制变形量对中碳石油套管钢低温冲击韧性的影响熊雪刚，张开华，吕兵，陈述，周磊磊，周伟？（1.攀钢集团攀枝花钢铁研究院有限公司，钒钛资源综合利用国家重点实验室，攀枝花6 17 0 0 0；2.攀钢集团西昌钢钒有限公司，西昌6 150 0 0）摘要：通过改变中包过热度（2 0，40）、钢液中钙硫质量比（0 0.9）、粗轧单道次变形量（14%，2 0%）、中间坏厚度（49，52，53mm）、精轧后三道累积变形量（2 9%，34%）生产中碳石油套管钢，分析了中包过热度、轧制变形量和钙硫质量比对试验钢组织和一10 冲击功的影响。结果表明：在中包过热度为2 0 下连铸铸坏的中心偏析和碳元素偏析减轻，由线链状分布变为点状分布；轧制变形量越大，试验钢晶粒尺寸越小、带状组织级别越低、低温冲击功越大；随着钙硫质量比增加，试验钢低温冲击功提高。较优的生产工艺参数为中包过热度2 0、钙硫质量比不小于0.4、粗轧单道次变形量2 0%、中间坏厚度53mm、精轧累积变形量34%，该工艺生产的钢板中未观察到带状组织，低温冲击功远高于标准要求。关键词：中碳石油套管钢；冲击韧性；中包过热度；钙硫质量比；轧制变形量中图分类号：TG141文献标志码：A文章编号：10 0 0-37 38（2 0 2 3)0 6-0 0 42-0 6Effect of Tundish Superheat,Ca to S Mass Ratio and Rolling Deformation onLow Temperature Impact Toughness of Medium Carbon Steel for Oil CasingXIONG Xuegang,ZHANG Kaihua,LU Bing,CHEN Shu,ZHOU Leilei,ZHOU Wei?(1.Laboratory of Vanadium and Titanium Resource Comprehensive Utilization,Pangang Group Research Institute Co.,Ltd.,Panzhihua 617000,China;2.Pangang Group Xichang Steel&.Vanadium Co.,Ltd.,Xichang 615000,China)Abstract:Medium carbon steel for oil casing was manufactured by changing tundish superheat(20,40 C),mass ratio of Ca to S in the molten steel(0-0.9),roughing single pass deformation(14%,20%),intermediatebillet thickness(49,52,53 mm),and last three-pass cumulative deformation of finishing rolling(29%,34%).The effect of tundish superheat,rolling deformation and mass ratio of Ca to S on the microstructure and impactenergy at-10 C of the test steel was analyzed.The results show that at tundish superheat of 20 C,the centersegregation and carbon segregation of continuous cast billets were reduced,and the distribution of the segregationchanged from lines and chains to points.The higher the rolling deformation,the smaller the grains,the lower thebanded structure degree,and the larger the low temperature impact energy of the test steel.With the increase ofmass ratio of Ca to S,the low temperature impact energy of the test steel increased.The optimal production processparameters were listed as follows:tundish superheat at 20 C,mass ratio of Ca to S no less than 0.4,roughingsingle pass deformation of 20%,intermediate billet thickness of 53 mm,and last three-pass cumulative deformationof finishing rolling of 34%.No band structure existed in the steel plate manufactured with the optimal process,andthe low temperature impact energy was much higher than the standard requirement.Key words:medium carbon steel for oil casing;impact toughness;tundish superheat;mass ratio of Ca to S;rolling deformation0引言作者简介：熊雪刚（19 8 8 一），男，江西抚州人，高级工程师，硕士石油套管的主要作用是在钻井过程中和完井后43机上程材料熊雪刚，等：中包过热度、钙硫质量比、轧制变形量对中碳石油套管钢低温冲击韧性的影响MATERIALSFORMECHANICALENGINEERING2023机械工程材料对井壁进行支撑，以保证钻井过程的进行和完井后整个油井的正常运行，属于一次下井、长期使用的石油专用管，在油井建成后无法进行更换。因此，石油套管在强度、刚度和低温韧性等方面都有着严格的要求 1-3。目前，有关石油套管钢的研究主要集中在微合金化、相变规律、组织转变和性能控制等方面 410 1。石油套管通常直接在油气井内垂直安装而成，成品钢管两端车削螺纹，钢管之间通过接箍连接。为了提高钢管的车削加工性能和抗粘扣性能，从而提高车削螺纹的硬度和强度，石油套管钢一般采用高碳、高锰元素含量的成分设计。然而，较高的碳和锰元素含量，会从以下两方面恶化石油套管钢的低温冲击韧性：一方面，碳、锰元素易在铸坏中形成偏析，在轧制过程中，钢板心部由于碳、锰元素的富集而易形成珠光体带，心部附近的碳、锰元素贫化区则形成铁素体带，最终形成铁素体带和珠光体带交替分布的带状组织，从而大大降低热连轧钢板的低温冲击韧性；另一方面，较高的碳含量使得珠光体含量增加，且容易形成偏聚，而相比于铁素体，珠光体的脆性更大、抑制裂纹扩展能力更差，因此钢板冲击韧性下降。目前，已有部分学者研究了中碳石油套管钢的低温冲击韧性，认为条带状硫化物夹杂及簇状的复合氧化物夹杂会降低横向冲击韧性门，改善热处理工艺如提高回火温度等有利于提高冲击韧性 2 。但是，相关研究还不全面。因此，作者采用连铸、热连轧等工业生产工艺得到中碳石油套管钢，研究了中包过热度、钙硫质量比、轧制变形量对中碳石油套管钢低温冲击韧性的影响，拟为工业试制出低温冲击韧性良好的石油套管钢提供参考。1试样制备与试验方法试验材料为工业试制的石油套管用中碳钢板，规格为7.34mm1830mm（厚度宽度）。根据宝鸡钢管ERW石油套管用热轧钢带技术协议（编号：BSZERW2016-001），该钢化学成分应满足表1要求，一10 横向冲击功应不小于7 5J。由于试验钢板厚度为7.34mm，只能加工成1/2 标准试样尺寸（1/2 厚度）的冲击试样，1/2 尺寸试样的冲击表1不石油套管用中碳钢板的化学成分Table1Chemical composition of medium carbon steelplate for oil casing元素CSiMnPS质量分数/%0.2 2 0.2 7 0.15 0.2 51.01.40.0 170.008功最小值不得低于规定值（平均值）的55%，因此采用1/2 尺寸试样测试得到的一10 横向冲击功应不低于41.2 5J。试验钢板的生产工艺为转炉冶炼精炼（钙处理)连铸板坏再加热粗轧精轧层流冷却卷取。钙处理后钢液中的钙硫质量比会影响夹杂物的数量和形态，连铸过程的中包过热度会影响元素偏析和带状组织级别，轧制变形量会影响钢的显微组织均匀性和带状组织级别；上述3个参数的调整会通过影响夹杂物和带状组织级别，进而影响钢的低温冲击韧性。故设计如表2 所示的工艺参数来生产钢板，对比不同工艺下钢板的组织和性能。板坏的再加热温度和钢板的卷取温度分别控制在1200，6 0 0；5种工艺使用的试验钢为同一炉冶炼，钙硫质量比相同，均为0.43。为了研究钙硫质量比对钢板组织和性能的影响，采用表2 中满足组织和低温冲击韧性的工艺进行工业批量试验，通过控制钙处理喂钙线的长度调整钢液中钙硫质量比，采用SparkCCD7000型直读光谱仪测定钙和硫的质量分数。表2试验钢生产工艺Table 2Production processes of test steel中包过中间坏粗轧单道次精轧后三道累积编号热度/厚度/mm变形量/%变形量/%140522034220532034320521434420492034520522029连铸所得铸坏的尺寸为2 50 mm1830mmX10000mm（厚度X宽度长度）。在试验钢铸坏上用火焰切割法切取尺寸为2 50 mm1830mm200mm的试样，再沿宽度方向锯成尺寸为2 50 mm610mmX200mm的小块，其中2 50 mm610mm的表面为检测面。通过铣床、磨床将试样检测面加工至表面粗糙度Ra不高于0.8 m，再在8 0 的体积分数为50%的盐酸溶液中浸泡30 min，使用Cannon数码相机拍摄铸坏低倍形貌，并根据YB/T4003一2 0 16 对低倍组织进行评定。在铸坏板宽中部位置上表面附近、心部和下表面附近各切取一尺寸为12 0 mm60mm10mm（12 0 m m 边沿铸坏宽度方向，6 0 mm边沿厚度方向）的小块试样，其中12 0 mmX60mm的表面为检测面。用磨床将试样表面磨平，并使用40 氧化锆44机械工柱材料熊雪刚，等：中包过热度、钙硫质量比、轧制变形量对中碳石油套管钢低温冲击韧性的影响MATERIALSFORMECHANICAL ENGINEERING机械工程材料砂带打磨检测面，采用OPA200型金属原位分析仪分析碳元素在检测面不同位置的分布情况。在轧制后的试验钢板板宽1/4位置切取尺寸为55mm10mmX5mm的冲击试样（1/2 尺寸试样，经铣床、磨床加工后，垂直于轧制方向制备V型缺口，根据GB/T229一2 0 0 7，使用RPSW-300型冲击试验机进行一10 低温冲击试验。在钢板板宽1/4位置切取尺寸为2 0 mm15mmX7.34mm的金相试样，依次进行镶嵌、粗磨、细磨、抛光，在无水乙醇中使用超声波清洗，在体积分数3%硝酸酒精溶液中腐蚀10 30 s，用AxioObserver.A1m型光学显微镜观察显微组织，根据GB/T34474.1一2017评定带状组织级别，根据GB/T6394一2 0 17 测定铁素体平均晶粒尺寸。将金相试样抛光后，用AxioObserver.Alm型光学显微镜观察夹杂物形貌。2试验结果与讨论2.1铸坏偏析形貌和碳元素分布由图1可以看出：当中包过热度为40 时，铸坏中心偏析明显，从板宽方向边部到中部均有线状的中心偏析；当中包过热度降低到2 0 时，铸坏中心偏析程度减轻，仅有零星的点状中心偏析。(a)40,边部(b)40,中部(c)40,另一侧边部(d)20,边部(e)20,中部(f)20,另一侧边部图1不同中包过热度连铸所得铸坏沿宽度方向不同位置的低倍形貌Fig.1 Low-magnification morphology at different positions along width direction of billet obtained by continuous casting underdifferent tundish superheat conditions:(a,d)edge side;(b,e)middle part and(c,f)another edge side由图2 可见：中包过热度为40 时，铸坏中的碳元素偏析严重，特别是心部富集严重，呈链状分布；当中包过热度降低到2 0 时，铸坏心部的碳偏析明显减轻，呈点状分布。这与图1所示的低倍形貌是相对应的。连铸坏在凝固过程中，柱状晶附着在铸坏表面激冷层向铸坏内部生长；在柱状晶生长过程中，液相中的溶质浓度不断增加，最终在铸坏心部等轴晶区获得过高的溶质浓度，导致形成成分偏析 11。中包过热度会影响柱状晶的生长，进而影响溶质元素的偏析。较高的中包过热度会促进柱状晶生长，铸坏中心等轴晶区较小，溶质元素富集在等轴晶区形成偏析；当中包过热度较低时，铸坏中的柱状晶比例降低，且低温有利于游离晶的形成，从而促进铸坏中心等轴晶区的生长，降低溶质元素富集，减轻偏析。2.2轧制态钢板显微组织由图3可以看出，5种工艺生产的试验钢板的显微组织均为铁素体和珠光体。采用工艺2 生产试验钢的显微组织均匀细小，不存在带状组织；其他4种工艺生产的试验钢中铁素体、珠光体均呈带状分布，且晶粒尺寸比工艺2 粗大，其中工艺1的带状组织最宽，珠光体带最大宽度达到50 m。由表3可知，工艺2 生产的试验钢板晶粒尺寸最小，带状组织级别为0，其余工艺生产的试验钢板晶粒尺寸较大，且存在2.0 级的带状组织，当中包过热度控制在40 时（工艺1），铸坏中的偏析程度较高，轧制后显微组织中出现严重的带状组织；当中包过热度控制在2 0 时（工艺2），铸坏中偏析减弱，轧制后的显微组织未发现带状组织。由此可见，降低中包过热度有利于减轻铸坏中心偏析和成分偏析，从而减轻甚至消除带状组织。工业生产时会在降低中包进站温度的同时，增加中包覆盖剂，从而提高中包保温效果，使得中包过程中温降控制在10以内，中包过热度稳定控制在152 5范围。对比工艺2 与工艺3，在相同中包过热度下连铸后，铸坏组织中的偏析程度相近，但当粗轧单道次45MATERIALSFORMECHANICALENGINEERING熊雪刚，等：中包过热度、钙硫质量比、轧制变形量对中碳石油套管钢低温冲击韧性的影响2023机械工程材料0.387 00.361 20.335 40.309 60.28380.25800.232 20.20640.18060.15480.1290(a)40,上表面附近(b)20,上表面附近0.38700.36120.33540.309 60.283 80.25800.23220.20640.18060.154 80.1290(c)40,心部(d)20,心部0.387 00.361 20.33540.30960.28380.258 00.23220.20640.18060.154 80.129 0(e)40,下表面附近(f)20,下表面附近图2 不同中包过热度连铸所得铸坏不同位置的碳元素分布Fig.2Distribution of carbon element at different positions in billet obtained by continuous casting under different tundish superheat conditions:(a,b)near upper surface;(c,d)at core and(e,f)near bottom surface40um40um40um(a)工艺1(b)工艺2(c)工艺340um40um(d)工艺4(e)工艺5图3不同工艺生产试验钢板的显微组织Fig.3 Microstructures of test steel plates manufactured by different processes:(a)process 1;(b)process 2;(c)process 3;(d)process 4 and(e)process 546机械工柱材科熊雪刚，等：中包过热度、钙硫质量比、轧制变形量对中碳石油套管钢低温冲击韧性的影响MATERIALSFORMECHANICAL ENGINEERING2023机械工程材料表3不同工艺生产试验钢板的平均晶粒尺寸和带状组织级别Table3Average grain size and band structure grade of teststeel platebydifferent production processes编号铁素体平均晶粒尺寸/um带状组织级别/级16.83.025.9037.72.046.42.056.22.0变形量由2 0%降低到14%后，试验钢坏心部变形不足，使得奥氏体发生不完全再结晶，导致晶粒尺寸较大，并且钢坏内部的中心偏析、成分偏析等无法消除，易遗传到成品钢中形成带状组织对比工艺2 与工艺4，采用较大厚度中间坏进行轧制时，精轧累积变形量增加，使得铁素体组织发生细化，并且较大的精轧累积变形量能够累积更高的能量，促进碳和合金元素扩散，从而减轻带状组织对比工艺2 与工艺5，随着精轧后三道累积变形量由34%降低到2 9%，晶粒尺寸增大，且易形成铁素体带状组织。这是由于精轧三道次后的温度较低，低于奥氏体再结晶终了温度，在精轧三道次后，奥氏体不再发生再结晶，只会随轧制而扁平化；奥氏体的扁平化为后续相变过程提供了更多的形核点，从而细化了铁素体晶粒 12-132.3轧制态钢板低温冲击韧性使用1/2 尺寸试样测试得到，采用工艺1、工艺2、工艺3、工艺4和工艺5生产的试验钢板的一10 冲击功Akv分别为2 6.5，7 3.8,39.8，42.5,32.4J（协议要求不低于41.2 5J）。可见采用工艺2 和工艺4生产的试验钢板的低温冲击韧性满足要求，但工艺4生产的试验钢板冲击功富余量偏低；工艺1、工艺3和工艺5生产的试验钢板冲击功低于要求值。工艺2 钢板的冲击功最高，是因为该工艺下试验钢板中未发现带状组织，晶粒尺寸细小。对比工艺1与工艺2 可知，较高中包过热度（工艺1)使得试验钢板中出现严重带状组织；带状组织是脆性组织，抑制裂纹扩展能力差，会导致冲击韧性降低。将工艺3、工艺4、工艺5与工艺2 进行对比可知，增加轧制变形量可促进钢坏中的偏析消除，压扁钢坏的柱状组织，使厚度方向的碳和锰等元素分布得更加均匀，降低钢板的带状组织级别，从而提高钢板的冲击功。2.4钙硫质量比与低温冲击功的关系由上述试验结果可知，采用工艺2 生产的试验钢的显微组织和低温冲击性能满足要求。故采用工艺2 进行工业批量生产试验，试验钢的钙硫质量比与低温冲击功的散点图如图4所示，可见，试验钢的低温冲击功随钢液中钙硫质量比增加而提高，当钙硫质量比不低于0.4时，试验钢板的一10 冲击功基本满足不低于41.2 5J的要求。80706050403000.20.40.60.81.0钙硫质量比图4钢液中钙硫质量比与钢板低温冲击功的关系Fig.4Relation between mass ratio of Ca to S in molten steel andimpact energy at low temperature of steel plate由图5可见，当钢液中钙硫质量比较低，为0.16时，试验钢板中的夹杂物呈长条状，当钙硫质量比较高，为0.55时，夹杂物呈球状。50um(a)0.1650m(b)0.55图5不同钙硫质量比试验钢板中的夹杂物形貌Fig.5Inclusion morphology of test steel plate with different massratio of Ca to S增大钙处理后钢液中的钙硫质量比，可以使夹杂物形貌由长条状转变为球状，从而有效提高横向冲击韧性 14。工业上一般采用降低钢液硫含量，或提高钢液钙含量2 种方式来提高钙硫质量比。考虑降硫的成本，将硫质量分数控制在0.0 0 2%47机械一程材科熊雪刚，等：中包过热度、钙硫质量比、轧制变形量对中碳石油套管钢低温冲击韧性的影响MATERIALSFORMECHANICALENGINEERING2023机械工程材料0.003%；为满足钙硫质量比不低于0.4的要求，钙质量分数应控制在0.0 0 8%及以上，工业生产时按照钙质量分数大于0.0 10%的目标来控制。综上所述，为满足低温冲击功的要求，中碳石油套管钢的生产工艺参数应为中包过热度2 0、钙硫质量比不低于0.4、粗轧单道次变形量2 0%、中间坏厚度53mm、精轧后三道累积变形量34%。3 结 论（1）在中包过热度为2 0 下连铸所得铸坏的中心偏析和碳元素偏析减轻，由较严重的线链状分布变为零星点状分布，在粗轧单道次变形量2 0%、中间坏厚度53mm、精轧后三道累积变形量34%条件下轧制后，钢板中不存在带状组织，其1/2 尺寸试样的一10 冲击功达到7 3.8 J，高于41.2 5J的标准要求。（2）轧制变形量越大（粗轧单道次变形量、中间坏厚度或精轧后三道累积变形量增加），试验钢的晶粒尺寸越小，带状组织级别越低，低温冲击功越大。（3）随着钙硫质量比增加，试验钢中的夹杂物形貌由长条状转变为球状，低温冲击功提高。（4）较优的石油套管用中碳钢生产工艺参数为中包过热度2 0、钙硫质量比不低于0.4、粗轧单道次变形量2 0%、中间坏厚度53mm、精轧后三道累积变形量34%。参考文献：1马爱清，贺景春，石晓霞.BT100H钢级套管横向韧性偏低原因分析 J.包钢科技，2 0 12 38（3）：30-32.MA A Q,HE J C,SHI X X.Cause analysis on lower transverseductility for BT1ooH casings JJ.Science&Technology ofBaotou Steel,2012,38(3):30-32.2张旭，李恒正，扈立，等.超高强度石油套管低温冲击韧性浅析J.四川冶金，2 0 15,37（6)：35-39.ZHANG X,LI H Z,HU L,et al.Study on the low temperatureimpact toughness of ultra-high strength casing 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