高强韧性石油装备连接件用钢生产工艺实践_吕亮.pdf

2023 年 第 4 期 广 东 化 工 第 50 卷 总第 486 期 127 高强韧性石油装备连接件用钢生产工艺实践高强韧性石油装备连接件用钢生产工艺实践 吕亮，郑力宁，石可伟，张洪才(江苏沙钢集团淮钢特钢股份有限公司 总工办，江苏 淮安 223002)摘 要淮钢采用 90 吨顶底复吹转炉+LF 炉外精炼+RH 真空脱气处理+500 mm 圆坯连铸的工艺生产 4130 石油装备连接件用钢(/%：0.300.33C，0.200.35Si，0.500.60Mn，0.010P，0.003S，1.101.20Cr，0.200.30Ni，0.20Cu，0.200.25Mo，0.010.02V，0.0150.040Nb)。通过控制出钢碳0.08%，出钢温度 16301670，精炼过程利用电石和铝粒强化渣面脱氧，RH 真空度100 Pa，真空保持时间25 min，浇铸过程全程保护浇铸等措施，4130 连铸圆坯各项指标均符合技术要求，并且经过用户锻造加工后，取样检测力学性能，屈服强度可以达到 95 K 级以上，冲击韧性指标也能符合标准要求，非金属夹杂物、晶粒度以及探伤结果均满足用户要求。关键词4130；高强度；高冲击韧性；生产工艺实践；石油装备 中图分类号TQ 文献标识码A 文章编号1007-1865(2023)04-0127-02 Process Practice of Hight Strength and Impact Steel Used for Adapting Piece of Oil Equipment Lv Liang,Zheng Lining,Shi Kewei,Zhang Hongcai(Chief Engineers Office Jiangsu Shagang Group Huaigang Special Steel Co.,Ltd.,Huaian 223002,China)Abstract:The 500mm 4130 steel for adapting piece(/%:0.300.33C,0.200.35Si,0.500.60Mn,0.010P,0.003S,1.101.20Cr,0.200.30Ni,0.20Cu,0.200.25Mo,0.010.02V,0.0150.040Nb)was produced by 90 t LD with top-bottom blowing-LF-RH-500 mm billet concasting-continuous at Huaigang Special Steel.By controlling LD end C0.08%,LD end temperature 16301670,using aluminum particle and carbide to enhance slag surface deoxidation,RH vacuum 100 Pa,keeping vacuum time 25 min,protecting casting in the whole process,all technical indexes are satisfy customers requirements,sampling and test mechanical after forging,the yield strenght is exceed 95K class,impact results also satisfy the specification.Non metallic inclusions,grain size and Ultrasonic test results meet user requirements.Keywords:4130；high strength；high impact；process practice；oil equipment 对于长距离传输石油、天然气等能源时，各管道之间需要使用连接件相互连接。此时连接件用钢除了需要具备良好的焊接性能，还需要具备耐腐蚀性能、高强度以及各种复杂的受力影响。连接件用钢一般多使用 16Mn、20Mn2，Q345 等低碳合金钢。但是这类钢种屈服强度一般在 300500Mpa 之间，应用于深井采油设备时，强度远远不够。4130 属于合金结构钢，该牌号属于美标牌号，相当于 GB/T3077 中的 30CrMo 材质。该钢种常用于采油设备锻件的制造1，例如阀体、管道、连接件等等。相较于传统的连接件用钢，4130 具备更高的强硬度，可以满足深井、超深井等恶劣环境2的使用。本文则主要探讨应用于采油设备连接件加工的高强度 95K 级(655MPa)的 4130连铸圆坯生产工艺实践。1 主要化学成分设计主要化学成分设计 钢材的理化性能和化学成分有着密切的联系，不同的化学成分，热处理时获得的材料金相组织也不相同，最终材料的理化性能也完全不同。因此化学成分设计尤为重要。由于钢材在强度提升的同时，很容易发生冲击韧性降低的现象，并且在众多的强化手段中，除了细晶强化，其他强化手段一般都会一定程度的降低钢的冲击韧性指标3。因此为了使 4130 钢种能够满足 95 K 级别的强度要求的同时，还要保证一定的冲击韧性指标，则需要对该钢种的化学成分进行合理设计。最终设计的化学成分范围见表 1。表表 1 4130 设计化学成分设计化学成分 Tab.1 Designed chemical composition of 4130%项目 C Si Mn P S Cr Ni Cu Mo V Nb 设计值 0.300.33 0.200.35 0.500.60 0.010 0.003 1.001.10 0.200.30 0.20 0.200.25 0.010.02 0.0150.040 从表 1 中数据可以看出，相对于常规的 4130 成分，提高了 Cr、Mo 元素含量来提升材料强度。根据文献3的研究，Nb、V 等微合金在钢种可以和 C、N 形成高熔点化合物，可以促进形核，并且这些析出相可以阻碍奥氏体晶粒的长大，因此为了避免钢种在强度大幅提高的同时冲击韧性过低，添加了可以细化晶粒的元素：V、Nb。虽然 Nb 元素也有细化晶粒的作用，但是当 Nb 含量超过 0.040%时，不仅对韧性提高没有帮助，反而会产生一些脆性相，导致韧性降低5-6。因此 Nb 含量控制在 0.015%0.040%较为合适。同时又添加了适量的 Ni 元素，由于 Ni 元素可以有效地降低珠光体转变温度，减小珠光体片层间距，因此添加适量的 Ni 元素，也可以非常有效的提升钢的低温韧性指标4。此外由于该连接件零件主要用于采油设备，对于钢的纯净度要求也比较高，并且 P 元素会引起钢的冷脆，S 元素会引起钢材热脆，都会导致钢材机械性能的降低，因此对将磷元素控制在 0.010%以下，将硫元素控制在0.003%以下。还有其他有害残余元素都进行了严格限制。另外为了防止氢、氧、氮对钢材产生危害，严格限制钢中气体含量，要求如下：H1.6 ppm、O20 ppm、N70 ppm。2 主要生产设备及工艺流程控制主要生产设备及工艺流程控制 2.1 主要生产设备(1)90 t 顶底复吹转炉。设备冷却采用水冷炉帽，水冷炉口，水冷托圈，以减小炉壳和托圈蠕变。转炉的倾动采用先进的全悬挂四点传动倾动机构和扭力平衡杆，能有效吸收炉体对倾动机构的冲击，保证设备的正常使用。采用储料仓、称量车的铁合金供料系统，可以保证铁合金的调整及供应。(2)90 t 钢包 LF 精炼炉。(3)100 t双工位真空循环脱气炉。钢水量最小80 t。真空泵抽气能力：600 kg/h，工作真空度：68 Pa，极限真空度：20 Pa。(4)6 机 6 流蝶式回转台，弧形连铸机，弧形半径 14 m。可以生产 380 mm、450 mm、500 mm 三种断面。中间包容量 35 t。2.2 主要工艺流程及控制 主要工艺流程为：铁水预脱硫-转炉(LD)-炉外精炼(LF)-真空脱气(RH)-连铸(CCM)。收稿日期 2022-07-19 作者简介 吕亮(1983-)，男，江苏泰兴人，硕士，主要研究方向为炼轧钢行业新产品开发。广 东 化 工 2023 年 第 4 期 128 第 50 卷 总第 486 期 2.2.1 铁水脱硫预处理 要求铁水温度1250，铁水 S 含量0.05%。脱硫前后都需要做好扒渣处理，确保扒渣效果，避免炼钢时造成回硫。为了防止石油中 H2S 与钢产生反应，在硫化物的促使下将氢气吸收进钢中，对设备产生应力腐蚀作用，因此对于钢中硫含量控制要求较严格，要求铁水脱硫处理后 S 含量0.005%。以满足转炉出钢时 S0.015%的要求。2.2.2 转炉冶炼及出钢控制 为了减少钢中的As、Sn、Sb、Pb、Bi、Zn等有害残余元素含量，要求选用优质自产废钢、且铁水废钢比应不小于80%。出钢碳要求0.08%，出钢温度要求 16301670。出钢过程依次加入铝饼、普通增碳剂、合金、精炼渣、石灰等进行脱氧和合金化处理3。由于钢种对 P 含量要求很高，因此采用双渣或者多渣实现预脱 P，出钢时挡渣装置采用挡渣锥和滑板复合挡渣，有效防止下渣，达到控制出钢 P0.007%。出钢每吨钢加入合成精炼渣 500 kg、铝类脱氧剂 150 kg 及多种高纯合金进行预脱氧及成分初调。2.2.3 炉外精炼和真空脱气处理 精炼过程中依据精炼到站 S 含量及精炼渣的流动性，加入适量的石灰石，控制在 100 kg/炉以内，控制终渣碱度(CaO)/(SiO2)在 58。精炼过程中加入适量电石和铝粒，以强化渣面脱氧，严格控制白渣时间20 min。成分调整初期，适当调大氩气流量，以改善脱硫动力学条件并促使其他气体和杂质的上浮，精炼中后期采用弱搅拌，防止钢水被二次氧化，减少大颗粒夹杂物的形成。RH真空脱气工序，要求真空度100 Pa，且真空保持时间必须25 min。真空处理结束后，软吹开始前，添加5080 m硅钙线，进行非金属夹杂变性处理7。氩气软吹时间控制在2035 min。2.2.4 连铸控制 连铸圆坯断面规格为 500 mm，浇铸过程全程保护浇铸。长水口采用氩气密封，中间包和结晶器之间使用内装浸入式水口。严格控制结晶器液位波动，要求波动幅度不超过+/-3 mm。中包第一包过热度控制在 2545，连浇炉次过热度要求2035。保持恒拉速生产，避免由于拉速的变化导致液位波动，钢水被二次氧化，以及圆坯心部质量产生缺陷等问题的发生8-9。同时为了更好的控制铸坯的中心疏松、偏析、缩孔等缺陷，采用 M-EMS+S-EMS+F-EMS 三段电磁搅拌方式进行控制，连铸圆坯按照定尺要求火切完成后，及时入坑缓冷。以避免铸坯冷却过快，表面和心部冷速不一致，加重铸坯心部缺陷，且容易产生内应力。3 结果分析结果分析 3.1 熔炼化学成分 钢的熔炼化学成分检测结果如表 2 所示。从表 2 中可以看出，生产过程对于化学成分控制较好，所有化学元素检测值均在设计要求范围内，并且不同炉次间化学成分检测值都较为接近，说明过程控制比较稳定。这可以为后续的锻造加工和性能热处理后，获得稳定的材料理化性能提供可靠的保障。磷含量均控制在 0.010%以下，说明转炉工序脱磷效果明显，以及挡渣出钢处理也有效控制了钢水中磷含量的增加。硫元素含量均控制在 0.002%，这对于石油装备而言可以有效的增加硫化氢对设备的腐蚀危害的抵抗能力。经过 RH 真空脱气处理后，在线测定气体含量，从表 3 数据可以看出氢、氧、氮均控制在较低水平。氢含量都在 1.0 ppm，氧含量均能控制在 15 ppm 以下。这也可以有效地防止材料出现氢脆现象以及防止产生氧化物夹杂。由于炼钢时均使用的自产优质废钢，以及 80%以上的铁水，因此其他 As，Sn、Sb、Pb、Bi 等等残余元素都能有效控制在 0.003%以下。表表 2 4130 熔炼化学成分熔炼化学成分 Tab.2 Smelt chemical composition of 4130%项目 C Si Mn P S Cr Ni Cu Mo V Nb 要求值 0.300.33 0.200.35 0.500.60 0.010 0.003 1.001.10 0.200.30 0.20 0.200.25 0.010.02 0.0150.040 样品 1 0.32 0.26 0.57 0.008 0.002 1.05 0.22 0.04 0.21 0.012 0.022 样品 2 0.31 0.26 0.56 0.010 0.002 1.07 0.21 0.03 0.20 0.011 0.020 样品 3 0.31 0.27 0.57 0.010 0.002 1.06 0.21 0.03 0.22 0.011 0.020 表表 3 气体含量气体含量 Tab.3 Gas content ppm 项目 H O N 要求值 1.6 20 70 样品 1 1.0 11.2 59 样品 2 1.0 12.1 47 样品 3 1.0 14.6 64 3.2 低倍检验 圆坯低倍组织质量也影响着产品的内部质量好坏。500 mm规格的圆坯入坑缓冷结束后，出坑并进行取样，按照 YB/T 153标准要求进行低倍组织评级。横截面酸浸低倍组织未发现中间裂纹、皮下气泡、皮下裂纹等缺陷。中心疏松、缩孔及中心裂纹各项指标检验结果如表 4 所示。从表 4 中可以看出，低倍组织评级也都符合用户要求。由于用户主要用于环锻件的生产制造，在锻造过程中，连铸坯中心部位需要冲孔加工，缩孔缺陷会被消除，因此 1.0 级别缩孔，不会影响用户使用和锻件质量。中心疏松 1.5 级，也属于正常水平，用户经过锻造和辗环之后，材料组织会被改善，变得更为致密，从而也可以有效地改善坯料上疏松的组织状态。中心裂纹 0 级，表明生产控制较好，这可以有效避免锻造过程中，沿着中心位置发生裂纹扩展。表表 4 低倍组织低倍组织/级级 Tab.4 Macrostructure of steel/rating 项目 中心疏松 缩孔 中心裂纹 要求值 2.0 2.0 2.0 样品 1 1.5 1.0 0 样品 2 1.5 1.0 0 样品 3 1.5 1.0 0 3.3 锻件力学性能 该钢种主要用于供锻造厂生产加工 95 K 级高强度石油管道连接件零件，因此将连铸圆坯发至客户，由客户锻造加工后，锻造比4.0，这是为了使圆坯可以锻透，打碎坯料中的柱状晶，从而有效改善材料内部组织。有助于提升材料热处理后的性能。然后将工件整体按照(88010)淬火(保温 3 h 后出炉水冷)和(60010)回火(保温 5 h 后出炉空冷)热处理，然后在环件壁厚中心位置取样，检验力学性能指标。结果见表 5。表表 5 力学性能力学性能 Ta.5 Test results of mechanical 项目 抗拉 b/MPa 屈服 s/MPa 延伸率 5/%断面收缩率/%-18，冲击功 KV2/J 要求值 793 655 16 35 21 样品 1 865 750 20 70 126/115/87 样品 2 870 740 21 70 141/153/105 样品 3 935 820 20 65 118/116/97 (下转第 119 页)2023 年 第 4 期 广 东 化 工 第 50 卷 总第 486 期 119 GBW04310GBW04311。镭标准物质主要是碳酸钡镭中镭-266放射源标准物质，编号为 GBW04312GBW04317。4 结论结论 随着科学技术的进步，标准物质越来越不可或缺并得到重视，带动了国际标准物质数据库的发展。在科学技术高速发展的今天，新时期核事业发展所需的分析和测试的可靠性仍然取决于是否有合适的标准物质，同时核标准物质的发展又可推动技术的发展和更新。在核标准物质发展领域，由于美国、欧盟组织等开发标准物质的历史更久，所以目前仍然占据核标准物质领域的权威和核心位置。随着核工业的发展，我国亟待研究出更多核标准物质为进一步科学研究提供参考。参考文献参考文献 1全浩，韩永志标准物质及其应用技术(第二版)M北京：中国标准出版社，2003 2孟伟，曹艳秋，王开清，等塑料包装食品及饮品检测中双酚类标准物质的应用J食品安全质量检测学报，2022，13(06)：1791-1800 3鲁绍曾译，国际通用计量学基本术语(第二版)M北京：中国计量出版社，1993 4王松，高钰涯，王军，等微区原位元素及同位素分析标准物质研究进展J质谱学报，2021，42(05)：641-655 5王海峰，李佳，孙国华乙酰苯胺元素含量标准物质的研制J化学试剂，2022，44(05)：767-772 6陈宗定，许春雪，刘贵磊，等6 种南方酸性土壤重金属元素氯化钙可提取态标准物质研制J冶金分析，2021，41(10)：12-22 7王智聪，冯炫，余笑波，等奶粉中亚硝酸盐和硝酸盐成分分析基体标准物质的应用J食品研究与开发，2016，37(21：)：128-132 8丁敏，孟娇然，夏娃血清中乳酸标准物质的研制J中国测试，2022，48(8)：60-67 9谢树军，唐利雷，龚明明，等我国核化学标准物质的现状和发展趋势J计量研究，2011，2：26-34 10田馨华核标准物质的研制与发展M北京：原子能出版社，1998 11李寿兴标准物质和我国核标准物质研制概况J核标准计量与质量，1996(03)：33-37 12ASTM Standards C1128-89，Standard Guide for Preparation of Working Reference Materials for Usa in the Analysis of Nuclear Fuel Cycle Materials，Annual Book of astm Standards，12，02 13Nuclear Measurement and Reference Materials Programme Progress Report，Jan，-Dec1987，49-65 CBNM，Geel，Belgium 14张赞绪 核燃料、核材料标准物质(标准样品)：原子能参考资料(10)北京：核工业部科技情报研究所，1983 15Analytical Quality Control Services，Vienna，IAEA，Jan1991 16NBL Certified Reference Materials Catalog 1988，USDepartment of Energy，Oct1987 17Trancy M M，Smith M M，et al Interlaboratory Camparison Progamme for NDA of Prootype Uraium Reference MaterialsJNBL-306，Dec1986 18BNFL List of Uranium Isotopic Reference Standards，1985 19Verbruggen A，Hendrickx F，et alSolid Spikes for Input AnalysisIn：Proceedings of ESARDA 15th Annual Symposium on Safeguards and Nuclear Material ManagementJRome，Italy，1993：277-280 20Catalogue of Isotopic Reference Materials Certified by CBNM，GE/R/MS/06/92，Aug，1992 21罗文宗，张文青 钚的分析化学J 北京：原子能出版社，1991：336-339 22Crawford D W，Cacic C G，et alThe Production and Certification of a Plutonium Equal-Atom Reference Material-NBL CRM，1990，128，NBL-316 23Analytical Quality Control Services，Vienna，IAEA，April，1994：28-44 24Biekel M，Rodriguze A，et al Two New EC-Reference MaterialsUranium Ores for Elemental AnalysisIn：Proceedings of ESARDA 15th Annual Symposium on Safeguards and Nuclear Material ManagementJRome，Italy，193，11-13：631-633 25NBS Certificate of Analysis SRM 944 Plutonium Sulfate Tetrahydrate，1969，14 26铀矿石标准样品研制组 铀矿石标准样品的研制与测试方法M 北京：铀矿选冶科技情报网，1982 27全国标准物质管理委员会标准物质目录M北京：原子能出版社，2002 28中华人民共和国标准物质目录M北京国家技术监督局：1990-1995 (本文文献格式：戚博雅，朱海巧，张丽华国内外核标准物质发展现状J广东化工，2023，50(4)：115-119)(上接第 128 页)从表5数据可以看出，该钢种力学性能屈服强度超过95 K(655 MPa)级别，指标富余量超过100 MPa，抗拉强度也符合用户要求，富余量超过70 MPa。取样进行低温冲击测试，-18 低温冲击 KV2也能达到约 100 J。冲击韧性指标也比较好。该钢种性能表现优异，完全满足用户要求。3.4 高倍检验(非金属夹杂物及晶粒度)非金属夹杂物会破坏材料组织的连续性，也是产生应力集中和裂纹的根源之一。钢材受到外力作用时，断裂往往起始于该夹杂物处，从而导致钢材的抗拉强度急剧降低。锻造厂经过锻造加工及热处理后取样，按照 GB/T10561标准要求检验其非金属夹杂物指标，由于硫含量控制在很低的水平，因此检验未发现 A 类硫化物夹杂。B 类氧化铝及 C 类硅酸盐类夹杂也未检出。D 类球状氧化物夹杂粗系和细系均为控制在 0.51.0 级。由以上检验数据可以看出冶炼过程质量控制较好，因此非金属夹杂物被控制在较低水平。取样后按照 GB/T6394 标准要求检验锻件晶粒度，锻件晶粒度达到 8.5 级。良好的非金属夹杂物控制和晶粒度控制为实现该连接件用钢的高强度及高冲击韧性性能提供了可靠保障。3.5 锻件超声波探伤检验 由于零件用于石油装备制造，因此零件的内部质量也尤其重要，如果零件存在内部缺陷，则可能在使用过程中，缺陷位置成为裂纹源，受外力作用时慢慢扩展，最终导致材料失效。将锻件经过机加工后，按照 JB/T5000.15 II 级要求进行超声波探伤检验，结果满足验收要求。4 结论结论(1)合理设计化学成分范围，通过调整各类合金的含量，在提高材料拉伸强度的同时，通过细化晶粒的方法提高材料的强韧性，以此实现石油装备用4130钢种的高强度,高韧性要求。(2)采用转炉LF 精炼RH 真空脱气处理连铸的工艺流程生产的 4130 连铸圆坯，由于生产过程工艺参数严格按照工艺文件要求执行和控制，生产完成后，经过厂内质检部门检验，化学成分、低倍组织等各项指标均能满足客户要求和设计要求。(3)圆坯经过客户锻造加工后，取样测试力学性能，屈服强度满足 95 K 级别要求，甚至能达到 105 K 级别，-18冲击功指标达到了 100 J 左右，满足标准要求。同时检验了非金属夹杂物指标，各类非金属夹杂物含量均很低。总体而言该钢种性能优异。(4)材料的拉伸强度和低温冲击性能，该两项力学性能指标富余量较大，后期可以考虑对化学成分做一定优化，适当降低一些合金含量，在满足性能指标的同时还能降低成本。参考文献参考文献 1王诚，许福东，廉培霞 对 AISI4130 材料力学性能影响因素的控制J 科技创新与应用，2018，30：1-4 2刘和，刘伟，卢秋羽深井采油技术研究现状及发展趋势J东北石油大学学报，2020，44(04)：1-6+29+149 3宋晓菊，郑建华，骆世雄，等V、Ti、Nb、B、Re 等元素在微合金钢中的行为和作用J重钢技术，2000(2)：26 4李云凯金属材料学M北京理工大学出版社，2006 5马金伟 Ni 含量对高强耐磨钢强塑性的影响C 内蒙古科技大学，2021 6杨作宏，陈伯春谈微合金元素 Nb、V、Ti 在钢中的作用J甘肃冶金，2002(4)：20 7王祖滨低合金钢和微合金钢的发展J中国冶金，1999，3(4)：19 8陈家祥钢铁冶金学(炼钢部分)M北京：冶金工业出版社，1990 9张乔英，王新华，张立，等拉速变化对 IF 钢铸坯非金属夹杂物含量的影响研究J炼钢，2006，22(6)：21-26 (本文文献格式：吕亮，郑力宁，石可伟，等高强韧性石油装备连接件用钢生产工艺实践J广东化工，2023，50(4)：127-128)