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 S