邊令喜，周曉鋒，周國(guó)帥，王亞男，邊洪振

（天津鋼管集團(tuán)股份有限公司，天津 300301）

旋挖機(jī)是一種適合建筑基礎(chǔ)工程中成孔作業(yè)的施工機(jī)械［1］。旋挖機(jī)鉆桿是用在旋挖鉆機(jī)與施工用鉆頭之間，傳遞扭矩、軸向壓力等載荷，沿共同軸心、逐節(jié)伸縮的管狀結(jié)構(gòu)。旋挖機(jī)鉆桿由3～6支無縫鋼管經(jīng)機(jī)加工、焊接后套裝而成。其中，每支無縫鋼管構(gòu)成1節(jié)鉆桿套筒，每節(jié)鋼管的長(zhǎng)度通常約10 m，直徑159～630 mm，壁厚8～45 mm，每節(jié)鉆桿套筒的外圓按120°均布焊接有約20 mm（厚度）×50 mm（寬度）的通長(zhǎng)外鍵，每節(jié)鉆桿套筒下端內(nèi)弧面上焊接了同樣厚度和寬度的內(nèi)鍵（長(zhǎng)500～900 mm）。

為保證旋挖機(jī)正常工作，要求盡量縮小相鄰鉆桿套筒間的空隙，同時(shí)還要保證各節(jié)套筒能夠自由伸縮，這對(duì)套筒用無縫鋼管的尺寸偏差提出了特殊的要求。對(duì)于制造鉆桿套筒的無縫鋼管通常選用20鋼和Q345，但是由于強(qiáng)度低，韌性不好，直接影響到鉆桿的使用壽命。為此，天津鋼管集團(tuán)股份有限公司（簡(jiǎn)稱天津鋼管）針對(duì)國(guó)內(nèi)某知名廠商的使用要求，開發(fā)了TP550RD（550是鋼管的最小屈服強(qiáng)度，RD是旋挖鉆機(jī)的英文縮寫）旋挖機(jī)鉆桿用無縫鋼管。本文將重點(diǎn)介紹該TP550RD旋挖機(jī)鉆桿用無縫鋼管的生產(chǎn)開發(fā)情況。

1 產(chǎn)品技術(shù)要求

天津鋼管針對(duì)國(guó)內(nèi)某知名廠商的使用要求，開發(fā)了TP550RD旋挖機(jī)鉆桿用無縫鋼管，該無縫鋼管的化學(xué)成分、力學(xué)性能、尺寸公差要求見表1～3。

表1 TP550RD旋挖機(jī)鉆桿用無縫鋼管的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）最大值要求%

表2 TP550RD旋挖機(jī)鉆桿用無縫鋼管力學(xué)性能要求

表3 TP550RD旋挖機(jī)鉆桿用無縫鋼管的尺寸公差要求

2 產(chǎn)品成分設(shè)計(jì)

綜合考慮鋼管的性能和成本，成分設(shè)計(jì)時(shí)需保證產(chǎn)品具有高強(qiáng)度、高韌性、穩(wěn)定的熱處理工藝、優(yōu)良的焊接性能。成分設(shè)計(jì)方面考慮適當(dāng)控制較低的碳當(dāng)量CEIIW［2-4］，CEIIW控制在0.43%以下，加入適量的Mo、V等合金元素以控制淬火馬氏體回火組織的相變強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化，利用Si、Mn的固溶強(qiáng)化和Nb的微合金化對(duì)原奧氏體晶粒的細(xì)化作用，保證鋼管力學(xué)性能，并盡可能降低S、P等有害元素和氣體含量［5-8］。

C是增加鋼的淬透性、提高強(qiáng)度的元素，但含量超過0.2%時(shí)，鋼的韌性會(huì)變差，同時(shí)C是影響CEIIW的主要元素，過高的C含量會(huì)降低材料的可焊性，增大焊接裂紋敏感性，所以在保證強(qiáng)度的前提下，C含量越低越好［9-11］，上限定為0.14%。

Mn是提高鋼的強(qiáng)度及韌性的元素，對(duì)于這類鋼，Mn含量應(yīng)不低于0.5%；但Mn含量過高，焊接裂紋敏感性增強(qiáng)。所以，Mn含量的上限以1.40%為宜。

Mo可以提高淬透性，防止回火時(shí)強(qiáng)度降低。對(duì)微合金化鋼來說一般不加入Mo，但對(duì)于厚壁結(jié)構(gòu)鋼通常會(huì)適量加入Mo以提高鋼的淬透能力和回火穩(wěn)定性，故其上限為0.15%。

V是最常用的微合金化元素，在調(diào)質(zhì)工藝的情況下，強(qiáng)度強(qiáng)化特征更明顯。因此，V含量一般在0.02%以上。但是，V含量過高會(huì)影響鋼的焊接性能，所以將其上限定為0.08%［12］。

Nb元素通過細(xì)晶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化提高強(qiáng)度，同時(shí)可改善鋼的低溫沖擊韌性。但Nb元素還可以降低鋼的熱塑性，從而增加含鈮鋼鑄坯的熱裂傾向，因此將上限定為0.05%。

P、S是鋼中的雜質(zhì)元素，對(duì)鋼的熱塑性和成品的韌性有影響，應(yīng)盡可能地減少其含量，控制P元素含量小于0.015%，S元素含量小于0.005%。

通過以上化學(xué)成分設(shè)計(jì)思路，TP550RD旋挖機(jī)鉆桿用無縫鋼管的化學(xué)成分設(shè)計(jì)最大值見表4。

表4 TP550RD旋挖機(jī)鉆桿用無縫鋼管的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）設(shè)計(jì)最大值 %

3 煉鋼工藝

煉鋼連鑄坯采用EAF電弧爐冶煉-LF鋼包精煉爐冶煉/VD真空脫氣爐處理-CCM（連續(xù)澆注）工藝生產(chǎn)，為了確保開發(fā)的無縫鋼管具有高的使用性能，煉鋼過程中對(duì)成分含量、鋼的純凈度、夾雜物含量嚴(yán)格控制，需要采取特殊的工藝措施，針對(duì)該情況決定采取以下幾方面工藝控制措施。

為實(shí)現(xiàn)精確控制碳含量的目的，生產(chǎn)中電爐冶煉與精煉爐精煉精準(zhǔn)匹配，要求電爐終點(diǎn)碳和氧的含量、爐內(nèi)CO氣體分壓、電爐溫度匹配，爐外精煉在VD采用調(diào)整氬氣流量、增大浸漬管直徑等手段保證夾雜物充分上浮，控制鋼水的純凈度。

在電弧爐冶煉初期，溫度較低，爐底加入造渣料，在吹氧條件下能形成脫磷脫硫渣，保證P、S的充分氧化。P與C在不同的溫度條件下會(huì)出現(xiàn)選擇氧化，其反應(yīng)為2P+5CO=5C+P2O5，在溫度一定的情況下，降低P2O5含量會(huì)使P優(yōu)先于C氧化，在煉鋼早期及時(shí)造好能使P2O5值低的高堿度、高氧化鐵的熔渣，保證充分脫磷脫硫。

保證鋼中Ca含量及弱攪時(shí)間，控制夾雜物級(jí)別及形態(tài)，加強(qiáng)連鑄上下爐次之間的銜接管理，及時(shí)加入中包覆蓋劑和結(jié)晶器保護(hù)渣，避免澆注過程中鋼水的二次氧化。

4 軋制工藝

TP550RD旋挖機(jī)鉆桿用無縫鋼管的生產(chǎn)規(guī)格包括 Φ406.4 mm×11 mm、Φ406.4 mm×13 mm、Φ426 mm×12 mm、Φ450 mm×13 mm、Φ508 mm×13 mm、Φ530 mm×13 mm等。幾何尺寸的精度會(huì)直接影響客戶在施工現(xiàn)場(chǎng)的焊接質(zhì)量和施工效率。為保證旋挖機(jī)正常工作，相鄰鉆桿套筒間的空隙要小，同時(shí)還要保證各節(jié)套筒能夠自由伸縮，這對(duì)TP550RD旋挖機(jī)鉆桿用無縫鋼管的尺寸偏差及幾何精度提出了特殊要求。

鋼管采用PQF連軋管機(jī)組進(jìn)行軋制，優(yōu)化管坯在環(huán)形加熱爐的加熱制度，增加在爐時(shí)間，保證坯料加熱均勻。穿孔機(jī)組通過頂頭前伸量和軋輥壓下量與導(dǎo)距的精確匹配，降低穿孔時(shí)的軋輥轉(zhuǎn)速，提高了毛管質(zhì)量。連軋管機(jī)組通過選用軋制中期優(yōu)質(zhì)軋輥，降低軋制節(jié)奏，保證芯棒預(yù)熱均勻，增大石墨噴涂量以保證充分潤(rùn)滑，合理確定連軋管機(jī)架間的變形量分配，開啟頭尾削尖功能等手段，保證荒管壁厚不均度良好，定徑機(jī)組采用高精度三輥定徑機(jī)架，通過在通用機(jī)架后增加雙規(guī)圓機(jī)架的方法保證產(chǎn)品外徑滿足用戶要求。

5 熱處理工藝

無縫鋼管的熱處理是建立在合理的溫度區(qū)間進(jìn)行的，該TP550RD鋼種微合金化元素的加入及合理的熱處理制度使金相組織中的第二相粒子充分析出，釘扎晶界，提高了材料的強(qiáng)度。通過實(shí)驗(yàn)室測(cè)定TP550RD鋼種的奧氏體化轉(zhuǎn)變終了溫度Ac3為894℃，奧氏體化轉(zhuǎn)變開始溫度Ac1為721℃，并結(jié)合相關(guān)熱處理經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行小樣試驗(yàn)室熱處理工藝研究。TP550RD無縫鋼管小樣熱處理試驗(yàn)力學(xué)性能見表5。

表5 TP550RD無縫鋼管小樣熱處理試驗(yàn)力學(xué)性能

從表5可以看出，該鋼種的力學(xué)性能很好地滿足產(chǎn)品要求，小樣實(shí)驗(yàn)室熱處理淬火時(shí)冷卻速度較現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)快，冷卻效果好，所以相同熱處理制度下力學(xué)性能會(huì)高。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際情況，最終生產(chǎn)的熱處理工藝為：920℃水淬，680℃回火空冷。TP550RD無縫鋼管大生產(chǎn)成品性能見表6。

表6 TP550RD無縫鋼管大生產(chǎn)成品性能

考慮到旋挖鉆機(jī)可能在我國(guó)東北地區(qū)的嚴(yán)寒環(huán)境中使用，且使用時(shí)會(huì)受到交變應(yīng)力，所以選取TP550RD成品鋼管進(jìn)行橫、縱向系列沖擊試驗(yàn)。TP550RD無縫鋼管的低溫韌-脆轉(zhuǎn)變曲線如圖1所示。可以看出鋼管的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度在-50℃以下，能保證在低溫地區(qū)的正常使用。

此外，觀察熱處理后TP550RD成品鋼管的金相組織，TP550RD無縫鋼管的微觀組織如圖2所示，TP550RD無縫鋼管的組織為典型的回火貝氏體。鐵素體基體從組織上保證了鋼管的韌性，貝氏體組織及細(xì)小的晶粒度確保了鋼管優(yōu)良的強(qiáng)度和韌性組合［13-16］。

圖1 TP550RD無縫鋼管的低溫韌-脆轉(zhuǎn)變曲線

圖2 TP550RD無縫鋼管的微觀組織

6 用戶使用情況

天津鋼管已為用戶開發(fā)生產(chǎn)了7個(gè)規(guī)格、共1 820 t的TP550RD旋挖機(jī)鉆桿用無縫鋼管，已被用戶使用在其最新開發(fā)的第五代旋挖鉆桿上。TP550RD旋挖機(jī)鉆桿用無縫鋼管突破了傳統(tǒng)旋挖機(jī)鉆桿用管強(qiáng)韌性不足、易斷裂等缺點(diǎn)，產(chǎn)品尺寸精度高、機(jī)械性能優(yōu)異、可焊性高，能夠滿足鉆桿使用壽命超過3 000 h的要求。

7 結(jié) 語

天津鋼管根據(jù)多年的生產(chǎn)實(shí)踐和技術(shù)積累，為用戶定制研發(fā)生產(chǎn)的TP550RD旋挖機(jī)鉆桿用無縫鋼管成分設(shè)計(jì)合理，其較低的碳含量和碳當(dāng)量確保了產(chǎn)品具有高的可焊性；通過嚴(yán)格控制煉鋼、軋管和熱處理各工序，確保產(chǎn)品具有強(qiáng)度高、低溫韌性好等特點(diǎn)。目前，生產(chǎn)的TP550RD旋挖機(jī)鉆桿用無縫鋼管已被用戶使用在其最新開發(fā)的第五代旋挖鉆桿上，能夠滿足鉆桿使用壽命超過3 000 h要求。