石油套管用钢J55翘皮缺陷浅析.pdf

总第2 叭 期 2 0 1 2年 第 9期 河 北冶全 T o tal N O ．2 O 1 2 0 1 2． Nu mb e r 9 石油套管用钢 J 5 5翘皮缺陷浅析 王 健 ， 房锦 超 ， 王卫 东 ， 田秀刚 河北钢铁集 团 唐钢公司 技术 中心 ， 河北 唐 山 0 6 3 0 1 6 摘要 介绍 了唐钢 1 5 8 0生产线生产石油套管用钢 J 5 5的工艺流程 、 产品成分性 能及钢卷表 面出现翘 皮 缺陷的现象。对连铸坯质量 、 粗轧立辊 轧制力 、 热卷箱模 式等 因素进行 了试 验分析 ， 认 为 J 5 5出现翘皮 缺陷是 由于连铸坯表面存在角裂纹 ， 在经粗轧立辊轧制后 进一步加 重产生 的。而连铸坯 角裂缺 陷的产 生与连铸拉速的波动及铌的碳氮化物在 奥氏体 晶界析 出有关 。提 出 了加 强对二 冷喷 嘴的检 查维 护力 度 ， 保证铸 坯宽度方 向温 度均匀分布 ； 提高铸坯矫直前 温度和钢 中钛含量 的改进措施 。 关键词 石油套 管用 钢 J 5 5 ； 翘皮缺 陷； 连铸拉速 ； 角裂纹 ； 分析 中 图分 类号 TG3 3 5 ． 7 文 献 标 识 码 A 文章 编 号 1 0 0 65 0 0 8 I 2 01 2 0 90 0 3 40 4 DI SCUS S I oN AB OUT UPW ARP I NG DEFECT ON J 5 5 STEEL F OR OⅡ CAS I NG W a n g J i a n，Fa n g J i n c ha o，W a n g W e i d o ng，Ti a n Xi u ga n g T e c h n i q u e C e n t e r ，T a n g s h a n I r o n a n d S t e e l Co mp a n y，He b e i I r o n a n d S t e e l Gr o u p，Ta n g s h a n，He b e i ， 0 6 3 0 1 6 Ab s t r a c t I t i s i n t r o d uc e d t h e t e c h no l o g i c a l p r o c e s s t o p r o d uc e J 55 s t e e l us e d f o r o i l c a s i ng wi t h 1 5 8 0 p r od u c t i o n l i ne i n Ta n g St e e l，t h e c o m po s i t i on a n d p r op e r t i e s of pr o d uc t s a s we l l a s t h e d e f e c t s o f u pwa r p o n th e s u r f a c e ． W i t h t e s t a na l y s i s f o r f a c t or s qu a l i t y o f c o n t i n uo us c a s t i n g bi l l e t， r o l l i ng l o a d o n e d g e r r o l l of b l oo mi n g mi l l a n d t he mod e l of ho tc o i l i ng b o x，i t i s c on s i d e r e d the d e f e c t i s ca us e d b y the c o r n e r c r a c k o n t he s ur f a c e o f t h e bi l l e t ，b e i ng f u r t h e r s e r i o u s a f t e r r o l l e d by e dg e r r o l 1 ．An d t h e c o m e r c r a c k i s r e l a t e d wi t h f l uc t u a t i o n o f c a s t i n g s p e e d a n d s e p a r a t i o n o f c a r b on h y dr i d e of ni o bi u m i n a u s t e n i t e gr a i n bo u nd a r y． I t i s pr op os e d s o m e i m p r ov i ng m e a s ur e s s t r e ng t h e n c h e c k a n d m a i n t e n a n c e fo r s p r a y n oz z l e o f s e c o nd a r y c o o l i ng，g ua r a n t e e t e mp e r a t u r e b e i ng e ve n a l o ng t h e wi d t h of bi l l e t ，r a i s e t h e t e mp e r a t ur e o f b i l l e t be f o r e s t r a i g h t e n i n g a n d t i t a n i um c o n t e nt i n s t e e 1 ． Ke y W or d s J 55 s t e e l f o r o i l c a s i ng；u pwa r p d e f e c t ；c a s t i ng s p e e d i n c on t i n u ou s c a s t i ng；c o r n e r c r a c k；a n a l y S i S 1 前 言 石油 专用 管材 简称 油 井 管 主要 有 套 管 、 油 管 以及 各种 钻探 工 具 等 。套 管 按作 用 分 为 导 管 、 表 层 套 管 、 技 术 套 管 和 油 层 套 管 。 国 际 上 常 用 美 国 A P I S P E C 5 C T标准 对套管 的 生 产 和使 用做 出规定 。 石油套管用钢 J 5 5是石 油、 天然气开采过程 中使用 的重要材料 ， 根据其使用环境与失效形式 ， 石油套管 的力 学性 能要 求 为高强 度 、 高 韧性 、 高螺 纹连 接强 度 和高抗挤毁性 ； 几何尺寸要求壁厚均匀 、 尺寸精确。 收稿 日期 2 0 1 2～ 0 82 6 作者简介 王健 1 9 8 4一 ， 男， 助理工程 师， 2 0 0 8年毕业 于河北 理工 大学金属材 料 工程 专 业 ， 现 在河 北 钢铁 集 团 唐钢 技 术 中心 工作 ， E ma i l 1 5 0 3 1 5 21 8 5 3 l 6 3 ． e o m 3 4 作为套 管需 要丝 扣 连 接 ， 为 了保 证 丝 扣 质量 及 使 用 的安全性 ， 在 套 管制 造 工 艺上 要 求 板 材 具有 良好 的 性能 均匀性 和较低 的裂 纹敏 感性 。 2 J 5 5钢 生产 工艺 流程及 工 艺特点 2． 1 工 艺 流 程 铁水一 顶底 复 吹转 炉 一 L F炉 精炼 一 板 坯 连铸 一加热炉一高压水除鳞一可逆粗轧机组一热卷箱一 切头尾剪一精轧前除鳞一7机架精轧机组一层流冷 却一 卷取 2 ． 2工 艺 特 点 生 产 J 5 5钢 是唐 钢不 锈 钢公 司 1 5 8 0生 产 线 的 新 试 品种 ， 与设 备相 匹配 的生 产工艺 特点 为 1 采用 二冷 区带 有 电 磁 搅 拌 的板 坯 连 铸 机 。 消除柱 状枝 晶 间 的搭 桥 ， 减 轻或 消 除 中心 疏松 和 中 总第 2 0 l 期 4 ． 1 ． 1热模 拟试 验 为分析 翘皮 原 因与连铸 坯 之 间的关 系， 采 用 Gl e e b l e 3 5 0 0热模拟机模 拟连铸过程中铸坯的高温 力学性能情况 ， 试验结果如图 3所示。 ＼ 一 曾 0 a 0 图 3 J 5 5钢 的 高 温热 塑性 F i g ． 3 Hi g ht e mp e r a t u r e t h e r ma l pl a s t i c o f J 5 5 测试材料高温塑性通常采用图 3中右上角试验 方案 ， 图中左 侧 “ 三 角 ” 所 示 为 实 测 结 果 ， 塑 性 最 低 点 发 生在 6 0 0 o C和 7 5 0 o C 1 4 0 0 o C处低 点为 晶界熔 化 所致 ， 此处 不涉及 。 另一种情况也会造成钢材塑性大幅下降 当钢 材 由高温下降到某温度 6 0 0～ 8 0 0 o C 之后再转折 升温 如 图 3右 下 方 试 验 方 案 ， 对 于 某 些 钢 来 说 ， 就会出现塑性大幅下 降的现象 。这种“ 温 度转折 ” 常发生在“ 加热炉热装” 和“ 连铸坯出结晶器后的矫 直段” ， 因此对 J 5 5钢也做了该情况的研究 ， 结果如 图 3左侧“ 圆圈” 所示。可以看 出在 6 0 0～ 8 0 0 o C内 未见明显 的塑性下降现象。因此 ， 排除了该钢 由此 造 成 开裂 的可能性 。 4 ． 1 ． 2铸 坯 角 裂 纹产 生 原 因 从热模拟试验分析可知 该批次 J 5 5钢高温热 塑性能较好， 现从工艺设 备及成分设计 中 N b对 角 裂影 响的两个方面讨论产生角裂的原因。 1 工艺设 备 因素 在初生坯壳的形成过程 中， 伴随着包 晶反应的 发生 ， 初 生坯 壳 受 到结 晶器 的摩 擦 力 、 相 变力 、 热 应 力、 钢水静压力等作用 。由于坯壳生长的不均匀性 ， 上述应力超过凝固前钢 的临界强度时 ， 在坯壳薄弱 处产生微细裂纹。二冷区冷却不均匀或局部冷却强 度 过大 ， 造成在 矫 直段 出现低塑 性 区 ， 由于 振痕 的缺 口效 应 产生应 力集 中， 加 速 了横 裂纹 的形 成 和扩展 ， 该微裂纹进入二冷区后 ， 受到弯曲、 矫直等机械应力 与温度差等热应力， 进一步扩展 ， 导致角部横裂纹的 产 生 。 2 铌的碳氮化物 铌 的碳氮化物析出导致钢的低温低延性槽大大 36 变宽 ， 同时向高温端移动。此外 ， 该温度下 ， 发生奥 氏体 向铁素体相变， 当应力集 中在先形成的铁素体 层 时 ， 导致 裂 纹发 生 。 由于 钢 中加 铌 会促 进 连 铸 板 坯横 向裂纹的形成 ， 且形成横 向裂纹所需的铌含量 很低 。据报道 ， 铌含 量达到 0 ． 0 1 ％ 时裂纹就 急剧 增加 。 角部 裂纹 主要是 由铌 的碳 氮化物 在奥 氏体 晶界 析 出造 成 的。通 常 氮化 钛 在 铸坯 中弥 散 分 布 ， 而 铌 则借氮化钛作 为形核支点也跟着弥散分布 ， 如果没 有氮化钛作为形核支点 ， 铌很容易在边角富集 ， 最好 用钛将氮完全固定 以避免铌在边角的富集 ， 同时也 能控制铝的析出量。经研究 W T i 有 效 钛 W T i 全 一3 ． 4 w N一3 ． 4 w S 一W T i C 应 变诱导 沉淀 1 从 1 式可以看出， 在 N b T i A 1 一C系钢 中 只有 当钢 中钛 含 量 超 过 W T i 3 ． 4 w N3 ． 4 w s 时， 一方面 Mn S将全部被 T i C s 所代替， T i C 粒子的析出强化作用才能体 现出来。另一方面， 当 钛加 入钢 中时 ， 由 于它 与 氮 原子 的亲 和 力 比铝 和 铌 大 ， 因此 ， 在高温下钛先与氮结合成 T i N， 降低钢 中 游离氮含量， 减少或避免 N b N、 A1 N 在奥 氏体 晶界 上的析出， 尤其是在铸坯角部 的偏聚析出 ， 最大程度 地减少对钢热延性的不利影响 。 4 ． 1 ． 3 铸坯 角裂预防措施 1 加强 对二冷喷嘴 的检查维护力 度， 防止 出 现漏水现象 ， 确保冷却 均匀， 铸坯表 面温度均匀分 布 ， 减少铸 坯宽度 方 向温度 差 。 2 在不改变成分、 保证铸坯 内部质量 的前 提 下 采用弱 冷 ， 由热 模 拟 曲线 显 示 J 5 5钢 在 7 5 0 o C塑 性较差 ， 可提高铸坯矫直前温度 高于 9 5 0 o C 。 3 适 当提高 钢 中钛 含量 ， 控 制 氮含 量 ， 通 过 钛 将氮 完全 固定 以避 免铌 在边 角 的富集 。 4． 2加 热 制 度 J 5 5钢生 产 分 别 采 用 热 装 和 冷 装 工 艺 ， 精 轧 进 口温度控制在 1 0 3 0一l 0 6 5 oC， 均出现翘皮现象 ， 说 明产生翘 皮 的原 因与连铸 坯是 否热装 及 出炉温 度 的 高低没有必然的联系。 4 ． 3粗轧机前 立辊 轧制 力 通过对大量“ 翘皮 ” 缺陷的成 品观测 ， 可以看 出 “ 翘 皮 ” 主要 分 布在距板 边缘 1 0～1 5 mm 的 区域 ， 具 有连续性和普遍性的特征 。表现为舌状 、 块状 或鱼 鳞 状等不 规 则 形 态 。从 抽 出 的粗 轧 中 间 坯 可 以看 出， 粗轧后已有 “ 翘皮” 出现 ， 其 产生位置和成品板 上 的位 置基 本一致 ， 可 见 “ 翘皮 ” 在粗 轧 过 程 中 已经 河北冶金 2 0 1 2年 第 9期 产生， 在随后的精轧过程中由于宽展不大， 对其位置 没 有 多大影 响 。针 对 翘 皮 较 严 重 的 1 C 0 3 4 4 3 B 0 4 钢 卷 和翘 皮 程 度 较 轻 的 1 C 0 3 4 5 2 B 0 2钢 卷 ， 查 看 其 立 辊 的轧制 力 曲线发 现 ， 1 C 0 3 4 4 3 B 0 4粗 轧 立辊 的轧 制 力 为 1 ． 51 0 。 N， 而 1 C 0 3 4 5 2 B 0 2粗 轧 立 辊 的轧 制 力 为 1 ． 01 0 。 N， 从成 品翘 皮 缺 陷 的 严 重程 度 来 看 ， 1 C 0 3 4 5 2 B 0 2翘皮缺陷程度较轻。 为 了分 析立 辊 轧 制力 对 缺 陷造 成 的 影 响 ， 将 立 辊 压下 量设 为零 ， 结果 成 品卷 的翘 皮 缺 陷 未 能完 全 消 除 ， 但 是 缺 陷得 到 了较 大 的缓 解 。说 明立 辊 的轧 制 不 能将铸 坯 的角 裂 纹 轧 合 ， 相 反 却 加 重 了铸 坯 边 角 横 裂对翘 皮缺 陷 的影 响 。 4 ． 4热 卷 箱 模 式 分 别采 用卷 曲模 式 和直通模 式 试验 热卷 箱设 备 对 翘皮 缺 陷的影 响 ， 由于热 卷 箱 模 式 的 变 化 导致 中 间坯上 下表 面 的颠倒 ， 试验 结果 表 明 ， 成 品卷 翘皮 缺 陷部位 并未 发 生改 变 ， 进 一 步 说 明翘皮 缺 陷是 由于 坯 料原 因造 成 的。 5 结语 上 接 第 2 8页 】 5 原 因分 析 1 由 于 生 产 节 奏 紧 张 导 致 精 炼 静 吹 时 间 不 足 ， 硫化 物 和锰 铝 硅 酸盐 等 夹 杂 物 没 有 足够 时 问上 浮 ， 影 响钢水 纯 净 度 。钢 中非 金 属 夹杂 物 破 坏 钢 基 体 的连 续性 ， 造 成 应 力集 中 ， 严 重 时产 生 内部 裂 纹 ， 并 在一 定条件 下 加 速 裂 纹 的 扩展 ， 且 其 断裂 往 往 是 从条状夹杂物与基体界面处产 生的显微裂纹 开始 的。条状 夹杂 物 越 多 ， 显 微 裂 纹 越 容 易 连接 。此 次 条带 状 的硫 化 物 夹 杂 在 钢 板受 到 拉 伸 外 力 时 ， 起 到 了裂 纹源 的作 用 。 2 连铸 浇铸 过 程拉 速 波 动较 频 繁 。浇 铸 过 程 拉速 不稳 定造 成 铸 坯 凝 固 点 的提 前 或 滞 后 ， 导 致 铸 坯产 生 中心疏 松 和裂纹 ， 影 响铸 坯 内部 质 量 。 3 带 状组 织 的产 生 是 枝 晶偏 析 和 夹杂 物 层状 分布 造成 的 ， 此 次 供 轧 铸 坯 由于 中心 偏 析 及 夹 杂物 含量均较为严重 ， 为铸坯芯部带状组织 的出现创造 了条件 ， 在连铸坯加热时， 合金元素和硫等杂质元素 1 唐 钢不 锈 钢公 司新 试 品 种 J 5 5石 油套 管 用 钢产品成分及力学性能 良好 ， 钢板宽度方向的性能 均匀 能够 满足 制管 工艺 的要求 。 2 连铸坯角裂缺陷的产生与连铸拉速的波动 及 第 二相粒 子 Nb C， N 在 奥 氏体 晶界 的析 出有关 。 3 J 5 5钢 出现 翘 皮 缺 陷 主要 与 连 铸 坯 表 面 的 存 在 角 裂 纹 有 关 ， 且 经 粗 轧 立 辊 轧 制 后 有 加 重 的 趋 势 。 参 考 文 献 [ 1 ] 崔忠圻． 金属学与热处理 [ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 0 ． [ 2 ] 陈爱娇 ， 周平 ， 霍孝新 ， 等 ． 莱钢 J 5 5石 油套管钢的生 产实践 [ J ] ． 山东冶金 ， 2 0 0 9 ， 3 1 1 2 5～ 2 7 ． [ 3 ] 汪先虎 ， 王军建 ， 王朝金 ， 等． 石油套管 用钢 J 5 5在北 钢的生产实 践 [ J ] ． 重型机械 ， 2 0 0 8 ， 5 3 4～ 3 6 ． [ 4 ] 贾志鑫 ， 焦金华， 杜林 秀 ， 等． 石油套管 用热轧带钢 J 5 5的研制与 开发[ J ] ． 轧钢 ， 2 0 0 5， 2 2 3 6～ 7 ． [ 5 ] 刘启龙． J 5 5套 管钢铸坯 角部横裂 纹成因 与防止措施 [ J ] ． 连铸 ， 2 0 0 8， 6 4 24 6 ． [ 6 ] 武彩虹 ， 韩 静涛， 刘靖 ， 等 ． 热轧带钢边部“ 翘皮 ” 缺陷分析 [ J ] ． 塑 性工程学报， 2 0 0 5 。 1 2 6 2 3 2 4 ． 的扩散系数低 ， 均匀化 比较 困难 ， 使得偏析依然存 在 ， 轧制 时硫 化物 沿轧 制方 向呈 条带状 分布 ， 冷 却 时 又成为铁素体形核 的核心 ， 促进了芯部带状组织的 形 成 。带状 组织 使 材 料 的力 学 性 能 呈 各 向异 性 ， 特 别是使横向塑性 和韧性降低， 是产生伸长率不合格 的主要 原 因。 6 改进措 施 1 冶炼 过程 中 ， 加强 生 产 调度 ， 适 当为精 炼 预 留较多时间 ， 保证精炼静吹时间 ， 减少夹杂物含量 。 2 针对铸坯偏 析较重， 轧钢加热炉保证加热 温度和时间 ， 以利于铸坯内部偏析扩散。 3 轧制 时 ， 适 当增加 压 缩 比， 减 轻 枝 晶偏 析 的 程 度 ， 降低 带 状组织 的级别 。 参考文献 [ 1 ] 朱传运 ， 姜茂发 ， 刁成民 ， 等． 直结晶器弧形连铸机铸 坯夹杂物研 究 [ J ] ． 山东冶金 ， 2 0 0 4 ， 2 5 1 5 4 ． [ 2 ] 佟新 ， 李蓉． 板坯 中 间裂纹产 生 的原 因及预 防措施 [ J ] ． 鞍钢技 术 ， 2 0 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