王 新，王杏娟，朱立光，佟志新，韓毅華

(1.河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院，河北省現(xiàn)代冶金技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北唐山 063009;2.河北鋼鐵集團(tuán)唐山分公司技術(shù)中心，河北唐山 063016)

37Mn5管坯是一種常見的石油管鋼，在石油領(lǐng)域有較大使用量。37Mn5是一種裂紋敏感性鋼種，在凝固過程中隨著溫度的下降會(huì)發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變，這是37Mn5鋼易產(chǎn)生縱裂的根本原因。伴隨著溫度的下降，37Mn5鋼在1300～650℃內(nèi)體積在縮小，而從650℃下降到600℃的過程中，體積發(fā)生了相反的變化，產(chǎn)生了較大的相變應(yīng)力，這是37Mn5鋼圓坯發(fā)生縱裂的主要原因。另外，保護(hù)渣的選擇不當(dāng)，連鑄機(jī)拉速過高也會(huì)促使這類裂紋敏感性鋼種產(chǎn)生表面縱裂。

目前，已有眾多學(xué)者及冶金技術(shù)工作者從多方面提出了控制37Mn5圓坯表面縱裂的措施，如控制鋼水過熱度、控制連鑄機(jī)拉速、二冷制度采用弱冷及采用高結(jié)晶率保護(hù)渣等。針對(duì)37Mn5鋼的凝固特性，若要控制鑄坯表面縱裂紋就必須實(shí)現(xiàn)緩冷，這就要求保護(hù)渣應(yīng)具有高堿度，低粘度、高結(jié)晶溫度、低凝固溫度的特點(diǎn)。但保護(hù)渣的物化性能之間是相互影響的，如堿度過高會(huì)增加保護(hù)渣的粘度，保護(hù)渣粘度的增加又會(huì)破壞鑄坯和結(jié)晶器之間的潤滑。因此，如何協(xié)調(diào)好保護(hù)渣各理化特性之間的關(guān)系將是我們下一步研究的重點(diǎn)。

1 37Mn5鋼管的發(fā)展概況及質(zhì)量要求

1.1 37Mn5鋼管的發(fā)展概況

37Mn5屬于石油管鋼中的一種材質(zhì)［1］，按照美國石油協(xié)會(huì)規(guī)范(API5L)標(biāo)準(zhǔn)，37Mn5管坯主要用于生產(chǎn)J55級(jí)鋼管，常用于石油鋼管(油管、套管、接箍料等)。37Mn5鋼管石油套管是石油鉆探用重要器材，是維持油井運(yùn)行的生命線。由于地質(zhì)條件不同，井下受力狀態(tài)復(fù)雜，拉、壓、彎、扭應(yīng)力綜合作用力作用于管體，這對(duì)套管本身的質(zhì)量提出了較高的要求。一旦套管本身由于某種原因而損壞，可能導(dǎo)致整口井的減產(chǎn)，甚至報(bào)廢。其主要器材還包括鉆桿、巖心管和套管、鉆鋌及小口徑鉆進(jìn)用鋼管等。國產(chǎn)套管以地質(zhì)鉆探用鋼經(jīng)熱軋或冷拔制成，鋼號(hào)用“地質(zhì)”(DZ)表示，常用的套管鋼級(jí)有DZ40、DZ55、DZ75三種。

37Mn5鋼圓管坯可分為連鑄坯和軋制坯兩種。連鑄坯是指通過連鑄方式生產(chǎn)出來的鋼坯，又分為弧形連鑄坯和水平連鑄坯。軋制坯是指通過初軋機(jī)生產(chǎn)出來的鋼坯。目前主要的進(jìn)口國家有:德國、日本、羅馬尼亞、捷克、意大利、英國、奧地利、瑞士、美國，阿根廷、新加坡等。進(jìn)口標(biāo)準(zhǔn)多參照美國石油學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)API5A，API5AX，API5AC。鋼級(jí)是 H-40，J-55，N-80，P-110，C-75，C-95 等。從日本進(jìn)口套管除采用 API標(biāo)準(zhǔn)外，還有少部分執(zhí)行日本廠方標(biāo)準(zhǔn)(如新日鐵、住友、川崎等)，鋼號(hào)是NC-55E，NC-80E，NC-L80，NC-80HE。

近年來，隨著國內(nèi)石油行業(yè)快速發(fā)展，石油工業(yè)對(duì)鋼材的需求量也呈逐漸上升的趨勢(shì)，管坯鋼37Mn5的需求量越來越大，對(duì)鋼材質(zhì)量要求越來越高，其中對(duì)殘余元素含量、高低倍組織、夾雜物、晶粒度和表面質(zhì)量等均有嚴(yán)格要求。目前攀鋼、包鋼、衡陽鋼等均成功開發(fā)了37Mn5管坯鋼。

1.2 37Mn5鋼管的質(zhì)量要求

根據(jù)石油套管的質(zhì)量要求，37Mn5鋼管的化學(xué)成分如表1所示。

表1 37Mn5鋼的化學(xué)成分(ωB∕%)

由于石油套管的主要作用是固定井壁，套管的外部工作環(huán)境要承受各類地層的地壓和地下水的壓力，套管的內(nèi)部工作環(huán)境要承受泥漿的內(nèi)壓以及水蒸汽的壓力，有時(shí)還要承受腐蝕性液體以及氣體的侵蝕，因此套管既要有抗擠壓破壞強(qiáng)度又要有耐內(nèi)壓的屈服強(qiáng)度，以及耐熱和抗腐蝕的能力。根據(jù)以上套管的質(zhì)量特性要求，相應(yīng)套管用鋼應(yīng)具有如下技術(shù)要求［2］。

(1)鋼中 P≤0.025%，S≤0.020%，∑(As+Sn+Pb+Sb+Bi)≤0.050%;

(2)鋼坯低倍組織檢驗(yàn)要求為:中間裂紋≤2.0級(jí)，中心裂紋≤2.0級(jí)，縮孔≤3.0級(jí)，疏松≤2.0級(jí)，無近表面裂紋;

(3)鑄坯表面質(zhì)量要求為:鑄坯表面不得有夾雜、結(jié)疤、氣孔、塌凹及縱向裂紋，允許有深度≤1.0 mrn的折皺、冷隔和熱點(diǎn)裂紋;

(4)管坯的不圓度不得大于公稱直徑的4.5%，管坯每米彎曲度不得大于4 mm，總彎曲度不得大于總長(zhǎng)度的0.6%。

2 37Mn5鋼圓坯表面縱裂產(chǎn)生的原因

37Mn5鋼屬于裂紋敏感性鋼種，生產(chǎn)過程中極易產(chǎn)生裂紋。連鑄過程為激冷凝固過程［3］，若生產(chǎn)工藝不穩(wěn)定，便會(huì)在37Mn5鋼圓坯上產(chǎn)生無規(guī)律分布的表面縱裂。

2.1 鋼水化學(xué)成分的影響

由鐵碳合金相圖可知，如圖1，ω(C)＜0.53%的鋼液結(jié)晶時(shí)均有δ鐵素體生成。

圖1 Fe-Fe3C合金相圖

依據(jù)碳含量不同，隨著溫度的下降，生成的δ鐵素體會(huì)發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變，這種轉(zhuǎn)變是引起37Mn5鋼圓坯縱裂的一個(gè)重要潛在因素。δ—γ轉(zhuǎn)變的微觀過程是奧氏體在δ鐵素體的晶間形核長(zhǎng)大，由于晶體點(diǎn)陣的改變(從體心立方晶格變?yōu)槊嫘牧⒎骄Ц?，將發(fā)生體積變化并引起晶間內(nèi)應(yīng)力增加。據(jù)相關(guān)資料介紹，在連鑄過程中ω(C)=0.3% ～0.4%的鋼比低碳鋼和高碳鋼更容易發(fā)生菱變(也稱脫方)［4］，這說明結(jié)晶器的熱流密度對(duì)此鋼種的凝固過程影響較大，結(jié)晶器銅管導(dǎo)熱系數(shù)的大小，銅管壁厚差的大小，都會(huì)對(duì)初生坯殼的內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大影響。所以，結(jié)晶器的冷卻強(qiáng)度是決定坯殼在結(jié)晶器內(nèi)質(zhì)量好壞的首要因素。另外，Mn是擴(kuò)大γ區(qū)的元素，能夠降低相變溫度，增大了γ晶粒度，柱狀晶發(fā)達(dá)是造成鋼坯縱裂的根本原因。

2.2 相變點(diǎn)和膨脹曲線

圖2為37Mn5鋼從1300℃降到室溫過程中溫度與線收縮的變化關(guān)系，37Mn5降溫過程相變的轉(zhuǎn)變溫度為591℃［5］。37Mn5在發(fā)生相變過程中，隨著溫度降低，體積發(fā)生明顯膨脹，產(chǎn)生較大的相變應(yīng)力。因此，37Mn5鑄坯在冷卻過程中，要加強(qiáng)保溫，需要進(jìn)行緩冷，防止鑄坯在低溫階段產(chǎn)生裂紋。這是37Mn5產(chǎn)生表面縱裂的主要原因。

圖2 37Mn5降溫過程的膨脹曲線圖

2.3 保護(hù)渣的影響

初生坯殼厚度的不均勻性與結(jié)晶器保護(hù)渣的理化性能(粘度、凝固溫度、結(jié)晶溫度)密切相關(guān)［6］。凝固溫度和結(jié)晶溫度決定保護(hù)渣的傳熱能力。對(duì)于裂紋敏感性的鋼種，結(jié)晶器熱流密度需要適當(dāng)降低一些。保護(hù)渣粘度過高，鑄坯拉速過快時(shí)，鑄坯容易產(chǎn)生表面縱裂紋。因此，對(duì)裂紋敏感性鋼種，采用低粘度渣，不易出現(xiàn)鑄坯裂紋。

2.4 連鑄拉速和二冷制度的影響

37Mn5鋼的生產(chǎn)工藝流程為“轉(zhuǎn)爐—LF—連鑄”，二冷制度為弱冷。生產(chǎn)中提高拉速，將導(dǎo)致鑄坯熱流密度增加，裂紋的發(fā)生率增大。和碳鋼相比，37Mn5鋼的導(dǎo)熱性較低，隨著熱流密度的增大，鑄坯的縱裂指數(shù)增大。

一般情況，鋼從凝固到冷卻存在3個(gè)塑性低谷區(qū)［7-8］，即1300℃到固相線范圍內(nèi)的高溫脆化區(qū)，受到凝固前沿晶界處低熔點(diǎn)相的影響;900～1200℃范圍內(nèi)脆化區(qū)，受到晶界處硫化物的影響;700～900℃范圍內(nèi)脆化區(qū)，受到C、N化物沉淀析出的影響;它們同時(shí)也受到晶粒大小的影響。對(duì)于37Mn5鋼，第一脆化區(qū)溫度在1250以上，第二脆化區(qū)不存在，第三脆化區(qū)在900℃以下。

因?yàn)?7Mn5鋼的脆性溫度區(qū)較寬，因此要防止在1250℃以上和900℃以下產(chǎn)生較大的組織應(yīng)力，必須采取低過熱度、低拉速、弱冷的工藝制度，降低鑄坯溫度梯度。

3 控制37Mn5鋼圓坯表面縱裂的措施

在圓坯連鑄生產(chǎn)中，中碳錳鋼連鑄坯的裂紋發(fā)生率是比較高的，其中37Mn5鋼最嚴(yán)重。國內(nèi)生產(chǎn)油井管用鋼的鋼廠，在生產(chǎn)37Mn5等鋼坯時(shí)都遇到過這種問題。為解決此問題，國內(nèi)外做了多方面研究，尤其在保護(hù)渣方面，包鋼集團(tuán)已經(jīng)生產(chǎn)出能夠滿足連鑄生產(chǎn)的保護(hù)渣。

3.1 控制鋼水的過熱度

東北大學(xué)張志祥通過對(duì)φ150 mm的37Mn5連鑄圓坯凝固過程的數(shù)學(xué)模擬［9］，發(fā)現(xiàn)鋼水過熱度為(20±5)℃，拉速為2.5 m·min－1條件下，可以控制結(jié)晶器出口坯殼厚度、鑄坯液芯長(zhǎng)度和鑄坯表面溫度在合適的范圍內(nèi)，有利于防止鑄坯表面裂紋和內(nèi)部裂紋等缺陷的產(chǎn)生和保證澆鑄安全，并實(shí)現(xiàn)較高的生產(chǎn)率。

3.2 綜合考慮保護(hù)渣的理化性能

北京科技大學(xué)成澤偉和天津鋼管公司于平等人研究了中碳錳剛保護(hù)渣性能對(duì)連鑄圓坯表面質(zhì)量的影響。在圓坯連鑄實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，綜合分析了保護(hù)渣粘度、熔化溫度、熔速對(duì)圓坯表面縱裂和凹坑的影響。為防止圓坯產(chǎn)生表面缺陷，必須將保護(hù)渣性能調(diào)整到合適的范圍。φ﹤210 mm圓坯合適的保護(hù)渣粘度為0.6～1.1Pa·s、熔化溫度為1130～1230℃、熔速為40～50 s;φ﹤270 mm圓坯合適的保護(hù)渣粘度為0.6 ～1.0 Pa·s、熔化溫度為 1200 ～1270 ℃、熔速為 60 ～80 s［10］。

3.3 降低鑄坯拉速

包鋼劉平研究了連鑄拉速對(duì)37Mn5圓坯縱裂產(chǎn)生的影響，發(fā)現(xiàn)提高拉速將導(dǎo)致結(jié)晶器內(nèi)熱流密度增大，二冷區(qū)內(nèi)冷卻速度加快，鑄坯內(nèi)部溫度梯度增大。降低拉速能夠改善鋼夜的凝固條件，減小柱狀晶尺寸。指出在生產(chǎn)37Mn5鋼圓坯時(shí)要適當(dāng)降低連鑄機(jī)拉速，并減小拉速波動(dòng)。

3.4 包鋼澆鑄37Mn5圓坯用結(jié)晶器保護(hù)渣

包鋼的白月琴，劉平等科研人員對(duì)37Mn5圓坯的凝固特性和連鑄用保護(hù)渣做了深入而系統(tǒng)的研究。用Gleebkl500D試驗(yàn)機(jī)、金相顯微鏡等手段，分析了37Mn5鋼的高溫塑性和膨脹收縮曲線，鑄坯表面縱向裂紋。指出37Mn5連鑄坯具有柱狀晶粗大，900℃以下塑性較低，650～600℃發(fā)生組織轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)。通過調(diào)整保護(hù)渣和連鑄工藝，加強(qiáng)緩冷等措施，能夠避免裂紋的發(fā)生。

他們認(rèn)為中37Mn5鋼鑄坯表面存在的縱裂缺陷的主要原因和結(jié)晶器彎月面區(qū)域初生坯殼厚度的不均勻性有關(guān)。所以澆注37Mn5鋼圓坯關(guān)鍵在于控制好凝固坯殼所受的熱應(yīng)力［11］。

包鋼生產(chǎn)37Mn5圓坯曾使用過三種保護(hù)渣，分別為X3、L1和T1，其各自化學(xué)成分如表2，物理性能如表3。

表2 保護(hù)渣的化學(xué)成分

表3 保護(hù)渣的物理性能

可以看出37Mn5圓坯用保護(hù)渣有以下特點(diǎn):

1)X3和L1原渣中都含有MnO，具有較高堿度，低粘度、高結(jié)晶溫度、低凝固溫度的特點(diǎn)。較高的堿度(堿度大，吸收夾雜物的能力變大，析晶溫度變大，不利于傳熱和鑄坯潤滑)和結(jié)晶溫度可以得到一定比例的結(jié)晶渣膜，控制結(jié)晶器的傳熱，減少裂紋的發(fā)生，低的粘度可以保證一定的渣耗量，使MnO不能在渣中富集，減少其對(duì)保護(hù)渣理化性能的影響，同時(shí)增加了渣膜厚度，使鑄坯實(shí)現(xiàn)了緩冷，減輕坯殼局部應(yīng)力造成的負(fù)面影響，低凝固溫度可使熔渣在高溫狀態(tài)下有較好的穩(wěn)定性，減少因結(jié)晶溫度高、渣膜結(jié)晶比率大而造成的粘結(jié)拉漏，保證液態(tài)渣膜在結(jié)晶器與鑄坯間的充分潤滑，適合澆注裂紋敏感性鋼種。低的熔點(diǎn)可使熔融的保護(hù)渣在彎月面處有較好的穩(wěn)定性。

2)L1比X3的粘度高、熔化區(qū)間寬和凝固溫度低。高粘度減少渣耗，液渣層相對(duì)增厚，流入鑄坯與結(jié)晶器間隙的液渣均勻且充分。熔化區(qū)間寬和凝固溫度低可使熔渣在高溫狀態(tài)下更為穩(wěn)定，在拉速提高的情況下，也能使結(jié)晶器上部鑄坯表面的渣膜處于粘滯的流動(dòng)狀態(tài)，且在澆注中不宜產(chǎn)生渣圈。

3)T1原渣中不含MnO，具有高粘度、高熔點(diǎn)和低凝固溫度的特點(diǎn)。低的凝固溫度，保證熔渣在冷卻過程中有較好的性能穩(wěn)定性，保證鑄坯與結(jié)晶器間潤滑，但其熔點(diǎn)較高，粘度較大，在使用過程中有熔化不均現(xiàn)象，熔化性能需進(jìn)一步改善。

在圓坯用渣中，X3和L1具有高堿度、高結(jié)晶溫度和低粘度的特點(diǎn)，能控制高拉速下鑄坯與結(jié)晶器間的傳熱，適合圓坯中碳錳鋼生產(chǎn)的要求。

由以上研究可知，37Mn5鋼易產(chǎn)生裂紋與高溫時(shí)的相變收縮有關(guān)，在不同的生產(chǎn)工藝條件下，只有保證結(jié)晶器保護(hù)渣理化性能的合理搭配，才能更好地調(diào)節(jié)鑄坯與結(jié)晶器間的潤滑和鑄坯傳往結(jié)晶器的熱流，從而減少鑄坯表面縱裂的產(chǎn)生。

4 結(jié)語

37Mn5鋼屬于裂紋敏感性鋼種，在連鑄生產(chǎn)中易產(chǎn)生縱裂。針對(duì)這一問題，眾多國內(nèi)外的冶金工作者從各個(gè)方面進(jìn)行了研究，提出一系列抑制縱裂產(chǎn)生的措施，并取得顯著成就。37Mn5鋼圓坯的凝固過程中的晶型轉(zhuǎn)變是產(chǎn)生縱裂的根本原因，因此，在連鑄過程中實(shí)現(xiàn)緩冷是抑制鑄坯縱裂產(chǎn)生的主要措施。

作為連鑄過程的功能材料，連鑄結(jié)晶器保護(hù)渣在結(jié)晶器內(nèi)對(duì)控制鑄坯的傳熱和潤滑起著重要的作用。提高保護(hù)渣的結(jié)晶性能可以降低結(jié)晶器和鑄坯之間的傳熱，這是目前國內(nèi)外控制裂紋敏感性鋼種鑄坯表面裂紋的常用方法。目前，國內(nèi)外解決37Mn5圓坯表面縱裂的主要措施是采用結(jié)晶態(tài)保護(hù)渣，一般采用髙堿度保護(hù)渣。但是，當(dāng)保護(hù)渣的堿度和結(jié)晶溫度過高時(shí)，保證保護(hù)渣均勻地填充進(jìn)鑄坯與結(jié)晶器間的空隙變得非常困難，并且結(jié)晶率高的保護(hù)渣膜易惡化鑄坯潤滑狀況，導(dǎo)致粘結(jié)和漏鋼。因此，如何協(xié)調(diào)保護(hù)渣的堿度、黏度、結(jié)晶溫度、析晶率等理化性能是抑制表面縱裂產(chǎn)生的關(guān)鍵。

［1］張毅，李鶴林.我國油井管現(xiàn)狀及存在問題［J］.焊管，1999，22(5):1-10.

［2］彭自勝.油管用鋼36Mn2V及37Mn5水平連鑄潔凈度研究［D］.長(zhǎng)沙:中南大學(xué)，2006.

［3］白月琴，劉平，史鳳武.37Mn5鋼連鑄表面縱裂紋產(chǎn)生原因分析［J］.包鋼科技，2005，34(4):29-31.

［4］送維錫.金屬學(xué)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1980.

［5］劉平，白月琴，王愛蘭.37Mn5鋼的高溫?zé)崽匦詫?duì)鑄坯質(zhì)量的影響［J］.包鋼科技，2008，34(4):26-28.

［6］陳偉慶.保護(hù)渣性能對(duì)連鑄圓坯表面質(zhì)量的影響［J］.鋼鐵，2002，(9):24-25.

［7］史宸興.實(shí)用連鑄冶金技術(shù)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2003.

［8］劉宇雁，包喜榮，陳林，劉平.37Mn5連鑄坯高溫?zé)崴苄缘难芯浚跩］.金屬鑄鍛焊技術(shù)，2008，22-24.

［9］張志祥，姜茂發(fā).37Mn5連鑄圓坯凝固過程數(shù)學(xué)模擬［J］.吉林.東北大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，31(7):966-969.

［10］成澤偉，陳偉慶，金長(zhǎng)佳等.保護(hù)渣性能對(duì)連鑄圓坯表面質(zhì)量的影響［J］.鋼鐵，2002，37(9):23-25.

［11］王愛蘭，劉平，李峰.中碳錳剛結(jié)晶器保護(hù)渣的分析研究［J］.包鋼科技，2007，33(5):16-18.