20Cr2Mo抽油桿用熱軋圓鋼的開(kāi)發(fā)

姜英禹

（寶鋼集團(tuán)八鋼公司制造管理部）

1 前言

20Cr2Mo是一種新型抽油桿鋼，其特點(diǎn)是高強(qiáng)度、抗H2S腐蝕，用于在腐蝕性特強(qiáng)的環(huán)境（例如27%～46%的H2S，3%～10%的CO2，45%～65%的CH4）下工作[1]。八鋼公司通過(guò)與用戶多次協(xié)商，供需雙方簽訂了生產(chǎn)技術(shù)協(xié)議，并據(jù)此制定了煉鋼、軋鋼試驗(yàn)方案。通過(guò)多次試驗(yàn)，解決了20Cr2Mo抽油桿用熱軋圓鋼（簡(jiǎn)稱20Cr2Mo抽油桿鋼）硬度高及鋼材端部剪切裂紋等問(wèn)題。目前已試制20Cr2Mo抽油桿鋼900t，鋼的各項(xiàng)性能指標(biāo)符合技術(shù)要求。經(jīng)用戶實(shí)際使用，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，抗腐蝕性能能夠滿足用戶要求。

2 生產(chǎn)工藝技術(shù)研究

2.1 生產(chǎn)工藝流程

70t高功率直流電爐冶煉/150t轉(zhuǎn)爐冶煉→LF精煉爐→150mm方坯連鑄（電爐連鑄的弧形半徑8m）/（轉(zhuǎn)爐連鑄的弧形半徑10m）→連鑄坯檢驗(yàn)→小型機(jī)組軋制→鋼材檢驗(yàn)→入庫(kù)。

2.2 化學(xué)成分

鋼中碳含量高對(duì)H2S介質(zhì)破壞抗力不利，尤其是0.3%以上更明顯。因此，鋼的碳含量一般控制在0.17%～0.30%。鉻、鎳、鉬是鋼耐氫腐蝕的主體元素，含量越高越有利，但鎳、鉬的價(jià)格昂貴，需綜合考慮成本因素，而鋼中的鉻含量可以大幅度增加。固溶元素Al（0.06%～1.0%）、Cu（≤0.6%）也是改善鋼H2S介質(zhì)破壞抗力的重要元素[2]，但鋁含量≥0.05%時(shí)會(huì)惡化鋼的可澆性，銅含量≥0.35%時(shí)鋼材的力學(xué)性能變差。有害元素應(yīng)嚴(yán)格控制在P≤0.015%、S≤0.010%。最終確定的20Cr2Mo抽油桿鋼的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

2.3 力學(xué)性能要求

20Cr2Mo抽油桿鋼用于制作KD級(jí)的抽油桿。其中K代表K級(jí)抽油桿，用于腐蝕性的輕、中負(fù)荷油井的鋼制抽油桿；D代表D級(jí)抽油桿，用于中、重負(fù)荷油井的鋼制抽油桿。KD級(jí)抽油桿具有K級(jí)抽油桿的抗腐蝕性能，又有D級(jí)抽油桿的力學(xué)性能。需方依據(jù)SY/T5029《中華人民共和國(guó)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》提出20Cr2Mo抽油桿鋼的力學(xué)性能要求，并寫(xiě)入雙方簽訂的技術(shù)協(xié)議。供方在長(zhǎng)期生產(chǎn)D級(jí)抽油桿鋼的熱處理制度的基礎(chǔ)上參照GB/T26075-2010《抽油桿用圓鋼》，制訂20Cr2Mo抽油桿鋼的熱處理工藝（見(jiàn)表2）。

表1 20Cr2Mo抽油桿鋼化學(xué)成分 %

表2 20Cr2Mo抽油桿鋼力學(xué)性能及熱處理工藝

2.4 煉鋼工藝要點(diǎn)

為了降低鋼中砷、錫、銻等殘余元素含量以及縮短電爐的冶煉時(shí)間，電爐配料的熱兌鐵水量不小于40%。電爐的終點(diǎn)條件為C≥0.08%，P≤0.010%，出鋼溫度1610～1650℃，出鋼時(shí)嚴(yán)禁下渣。LF爐的精煉時(shí)間≥45min，白渣下的精煉時(shí)間≥15min。精煉結(jié)束喂入純鈣線150m/爐，軟吹時(shí)間≥10min，鋼水的鎮(zhèn)靜時(shí)間≥5min。連鑄中包過(guò)熱度控制，第一爐≤50℃，連澆爐≤30℃。最高拉速≤2.5m/min，采用結(jié)晶器電磁攪拌+末端電磁攪拌。

2.5 軋鋼工藝要點(diǎn)

軋制規(guī)格為φ19mm、φ22mm、φ25mm、φ28mm，尺寸精度按照技術(shù)協(xié)議的要求執(zhí)行。加熱溫度：均熱段1100～1200℃，加熱段1100～1200℃，預(yù)熱段600～800℃。軋制溫度：開(kāi)軋溫度1080～1150℃，終軋溫度不小于900℃。仔細(xì)檢查導(dǎo)衛(wèi)、流槽及導(dǎo)管。保證不能有尖角、毛刺，必須要有圓角過(guò)渡。鋼材剪切采用槽形剪刃，剪切斷面不得有馬蹄形明顯壓扁、切斜、飛邊、毛刺等，并配相應(yīng)的梳形導(dǎo)衛(wèi)及導(dǎo)輥。

3 生產(chǎn)實(shí)績(jī)

3.1 化學(xué)成分控制實(shí)績(jī)

20Cr2Mo抽油桿鋼的化學(xué)成分控制實(shí)績(jī)見(jiàn)表3。

表3 20Cr2Mo抽油桿鋼化學(xué)成分控制實(shí)績(jī) %

表3中的C、Si、Mn、Cr、Mo、Ni控制的范圍窄，波動(dòng)小。有害元素P、S的控制符合要求。在連鑄實(shí)際澆鑄過(guò)程中，當(dāng)鋼中Al含量≥0.012%時(shí)，中包水口容易出現(xiàn)結(jié)瘤問(wèn)題，導(dǎo)致實(shí)際控制的Al含量偏低。從鋼中Al具有重要的抗腐蝕作用考慮，在今后的生產(chǎn)中進(jìn)一步提高鋼中的Al含量是有必要的。

3.2 力學(xué)性能控制實(shí)績(jī)

軋制20Cr2Mo抽油桿鋼28批，力學(xué)性能符合用戶要求。力學(xué)性能控制實(shí)績(jī)見(jiàn)表4。

3.3 鋼材的低倍組織與非金屬夾雜物

軋制20Cr2Mo抽油桿鋼28批，鋼材的低倍組織與非金屬夾雜物的級(jí)別滿足用戶要求。控制實(shí)績(jī)見(jiàn)表5。

表4 20Cr2Mo抽油桿鋼力學(xué)性能指標(biāo)

表5 20Cr2Mo抽油桿鋼金相組織分析 單位：級(jí)

4 試制過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題及改進(jìn)

試制前期，小批量試制20Cr2Mo抽油桿鋼97t，供用戶試用。通過(guò)用戶實(shí)際使用，反饋了兩條意見(jiàn)：（1）切頭加工比較困難；（2）20Cr2Mo抽油桿鋼原料的端部有中心裂紋，裂紋長(zhǎng)度貫穿端面，裂紋深度4～6mm（見(jiàn)圖1）。

圖1 20Cr2Mo抽油桿鋼原料端部裂紋圖片

圖2 各牌號(hào)抽油桿鋼的硬度

對(duì)20Cr2Mo抽油桿用熱軋圓鋼存在的硬度進(jìn)行了逐批檢測(cè)，并與其他牌號(hào)的D級(jí)抽油桿鋼硬度進(jìn)行了對(duì)比（見(jiàn)圖2）。檢測(cè)了20Cr2Mo抽油桿圓鋼熱軋態(tài)的顯微組織，顯微組織為貝氏體。

由對(duì)比可知，20Cr2Mo抽油桿鋼的平均硬度為300HB，硬度高于其他牌號(hào)的抽油桿鋼，硬度高是造成用戶加工困難的原因。檢測(cè)其金相組織表明，20Cr2Mo抽油桿鋼的熱軋態(tài)顯微組織為貝氏體，其硬度高、塑性差，是造成軋制過(guò)程中鋼材端部剪切裂紋的主要原因。為了降低硬度、改善顯微組織，采取了以下措施：

（1）冬季生產(chǎn)時(shí)應(yīng)注意提高冷床周圍的環(huán)境溫度，更換車間已損壞的門窗玻璃，關(guān)閉窗戶。車間大門不用時(shí)，及時(shí)關(guān)閉。冷床周圍設(shè)置擋墻、隔斷，防止冷空氣直接吹向冷床。

（2）制作冷床保溫罩，進(jìn)行保溫軋制。

（3）為改善圓鋼的剪切性能，要求剪切溫度≥350℃。

（4）為保證剪切溫度，冷床的接鋼方式規(guī)定為接一支空一步。

（5）下線鋼材快速收集打捆，堆冷，并蓋篷布保溫48h。

通過(guò)以上各項(xiàng)工藝措施的實(shí)施，取得了預(yù)期效果。20Cr2Mo抽油桿鋼的熱軋態(tài)硬度明顯降低，平均為254HB。顯微組織檢測(cè)表明，其組織為鐵素體+珠光體+少量貝氏體，顯微組織得到改善。在后續(xù)的試制過(guò)程中基本消除20Cr2Mo抽油桿鋼的剪切裂紋，產(chǎn)品質(zhì)量得到用戶認(rèn)可。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)努力，有效解決了用戶反饋的20Cr2Mo抽油桿鋼的加工困難及端部剪切裂紋的技術(shù)難題。20Cr2Mo抽油桿圓鋼的化學(xué)成分、各項(xiàng)性能指標(biāo)符合用戶要求，產(chǎn)品性能穩(wěn)定。經(jīng)用戶試驗(yàn)，20Cr2Mo抽油桿圓鋼抗腐蝕性能符合NACE TM0177-2005標(biāo)準(zhǔn)要求。

近期，在70t電爐開(kāi)發(fā)成功20Cr2Mo抽油桿鋼成功的基礎(chǔ)上，采用150t轉(zhuǎn)爐冶煉工藝路線，小批量試制KD級(jí)AISI3130抽油桿鋼也獲得成功，目前已投放市場(chǎng)。經(jīng)用戶試用，質(zhì)量穩(wěn)定，滿足用戶要求。

還需要關(guān)注的問(wèn)題：由于受到連鑄水口結(jié)瘤問(wèn)題的影響，20Cr2Mo抽油桿鋼的鋁含量偏低。在今后生產(chǎn)中，計(jì)劃將鋼中鋁含量提高至0.025%，鋼的抗腐蝕性能預(yù)期會(huì)進(jìn)一步提高，同時(shí)鋼的潔凈度也會(huì)上一個(gè)臺(tái)階。

[1]項(xiàng)程云主編.合金結(jié)構(gòu)鋼[M].北京：冶金工業(yè)出版社,1999,335～336.

[2]〔英〕F.布賴恩，皮克林主編.鋼的組織與性能.北京：科學(xué)出版社，1999,411～415.