石油套管用钢J55在北钢的生产实践_汪先虎

重型机械󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2008No󰀁5

石油套管用钢J55在北钢的生产实践

汪先虎,王军建,王朝金,于󰀁冲,王海儒

1

1

1

1

2

(1󰀁北台钢铁集团北营轧钢厂,辽宁󰀁本溪󰀁117000;2󰀁燕山大学,河北󰀁秦皇岛󰀁066004)

摘󰀁要:详细论述了石油套管用钢J55在北钢集团北营轧钢厂1780mm热连轧生产线的生产实践,针对此钢种高强度与高冲击韧性等特殊的力学和工艺性能要求,在成份设计上采用了低C、中Mn,并适当添加了Nb、Ti等元素,在轧制工艺上采用了低终轧温度、低温大压下量的控轧控冷工艺,使其产品性能与尺寸指标均达到了用户要求,从而具备了批量生产J55的能力。

关键词:

J55控轧控冷工艺;力学性能;冲击韧性

中图分类号:TG335󰀁55󰀁󰀁文献标识码:A󰀁󰀁文章编号:1001-196X(2008)05-0034-04

TheproductionofhotrolledstripJ55foroilcasinginBeigangGroup

WANGXian-hu,WANGJun-jian,WANGChao-jin,YUChong,WANGHa-iru

(1󰀁BeiyingHotRollingCompany,

BeitaiIron&Steel(Group)Co󰀁,Ltd󰀁,Benxi117000,China;

2󰀁YanshanUniversity,Qinhuangdao066004,China)

Abstract:ThispaperintroducesindetailtheproductionofstripJ55with1780mmhottandemrollinglineinBeiyingSteelMillofBeigangGroup.Sincethisstripistobeusedforstraightseamcasingpipe,highyieldstrengthandhighcharpyimpactvalueinmechanicalproperty.

itrequires

the

Inviewofthespecialpractice,

1

1

1

1

2

lowpercentofCarbonwithalloyelementofNbandTiisadoptedinitschemicalcompositionandTMCPprocesswithlowfinishingtemperaturebutbigreductionisalsotakeninrollingmillpractice,ispossibletohaveamassproductionofhotrolledstripJ55foroilcasing.Keywords:J55TMCPprocess;mechanicalproperty;

mpacttoughnessi

allofwhichhasmade

it

bothproductperformanceandsizeindexcometotherequirementsputforwardofthecustomers.Asaresult,

1󰀁引言

石油套管用钢J55是石油、天然气开采过程中的重要材料,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,且几何尺寸要求壁厚均匀,尺寸精确,因为焊接成形,所以在套管制造工艺上要求板材具有良好的可焊接性和较低的焊接裂纹敏感性。

2󰀁工艺设计

2󰀁1󰀁化学成分

晶粒细化可同时提高钢的强度和韧性,而其它的强化机制,几乎都会使钢的韧性下降。因此,从强化机理上来讲,对强度与韧性要求都很高的J55钢种,应以细晶强化为主要手段。

Mn能够降低󰀁󰀁󰀁钢的相变温度,而󰀁󰀁󰀁相变温度的降低对于热轧态的铁素体晶粒尺寸有细化作用,Mn还能同时降低贝氏体的转变温度,从而有利于进一步细化晶粒组织,但如果Mn含量过高,则会降低钢材的焊接性能,并有可能导致连铸钢坯发生Mn的偏析,且随着碳含量的增加,这种缺陷倾向更为严重。收稿日期:2008-08-30;修订日期:2008-09-06程师。作者简介:汪先虎(1973-),男,北台钢铁集团北营轧钢厂工

2008No󰀁5󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁重型机械

󰀁35󰀁

的作用。

C元素对衡量可焊接性的碳当量Ceq和焊接裂纹敏感系数Pcm的影响最为直接,因此,为了获得良好的工艺性能和耐低温裂纹的管材,必须降低C质量百分比。

因此,对J55在成份设计上采用了低C中Mn,并适当添加了Nb、Ti微合金元素的方案,内控成份见下表1。

%

P󰀁0󰀁018󰀁0󰀁015

S󰀁0󰀁005󰀁0󰀁002

Nb0󰀁03~0󰀁05

0󰀁04

Ti0󰀁005~0󰀁025

0󰀁015

早在上个世纪50年代,人们就发现Nb对钢的细化晶粒作用,在软钢基体化学成份中加入0󰀁01%~0󰀁05%的Nb可使热轧钢材的屈服强度提高,在Mn含量较高的钢中,Nb的作用更为有效,而且它能使钢除了具备较高的力学性能外,还具有良好的成形与焊接性能。

Ti可提高晶粒粗化温度,推迟奥氏体的再结晶过程,从而细化晶粒,并同时具有沉淀强化

表1󰀁内控成份

化学成份内控目标

C0󰀁15~0󰀁200󰀁18

Si0󰀁18~0󰀁280󰀁22

Mn1󰀁20~1󰀁401󰀁30

󰀁󰀁首批试轧J55钢的具体化学成份见表2。

表2󰀁J55化学成份

轧制批号

C

Si0󰀁240󰀁210󰀁210󰀁250󰀁22

化󰀁󰀁学󰀁󰀁成󰀁󰀁分Mn

P

S

Nb

Ti%

率󰀁40%,F7压下率󰀁15%。

钢材轧制成形后,采用前段层流快速冷却,冷却速度控制在30󰀁/s左右,尽量缩短钢材晶粒成长时间,达到细化晶粒的目的,卷取温度设定为620󰀁,并热头热尾30󰀁。

12840󰀁1612850󰀁1712860󰀁1612870󰀁1812880󰀁16

1󰀁200󰀁0180󰀁0060󰀁0350󰀁0141󰀁180󰀁0160󰀁0020󰀁0240󰀁0181󰀁180󰀁0160󰀁0020󰀁0240󰀁0181󰀁280󰀁0120󰀁0020󰀁0260󰀁021󰀁190󰀁0120󰀁0020󰀁030󰀁025

3󰀁试轧过程

3󰀁1󰀁工艺路线

铁水预处理󰀁120t复吹转炉冶炼󰀁吹Ar处理󰀁LF精炼󰀁板坯连铸󰀁加热󰀁1780mm轧机󰀁控冷󰀁卷取󰀁取样、检验、判定、缴库。3󰀁2󰀁主要参数及几何尺寸控制

精轧设定规格为8󰀁7mm󰀁1530mm,所用钢坯为230mm󰀁1550mm󰀁10300mm,中间坯厚度为50mm。

本套轧机精轧二级控制系统采用的是美国IPSS公司的预设定模型,此模型在对每一新钢种进行设定计算时,对一些未能确定的模型系数(如单位变形抗力系数等),首先是采用此钢种相近或同一强度级别的系数,一旦采集到数据后,通过强大的自学习(短期)功能,快速通过反推计算,计算出适应本钢种所需的轧制系数。对J55钢种,先是将它归类到Q345B(已轧制的最高强度级钢种)级别,因Q345B强度明显低于J55,由此可以预见,此模型计算出的前几卷钢轧制力的预报值,一般要小于实测轧制力值,但经过2~3卷钢的自学习,轧制力的预报精度很快得到了提高,表3为即轧制前4卷钢的主要参数。2󰀁2󰀁轧制工艺设计

微合金化与控制轧制相结合,可充分发挥微合金元素的作用,达到强度与韧性的最佳化效果。而Nb对奥氏体再结晶的强烈阻止作用,使得含Nb钢可在较高的温度下进行控制轧制,且控制轧制的强韧化效果非常显著,只不过在较低温度下,钢的变形抗力急剧提高,从而使轧制力大幅上升,因此,对轧机设备提出了较高的要求。北营轧钢厂1780mm热连轧生产线有7机架半连续式轧机,F1~F4轧机功率为9000kW,最大轧制力为40MN,F5~F7轧机功率为8000kW,最大轧制力为35MN,轧机完全具备微合金钢控轧所要求的低终轧温度、低温下大压下量的设备条件。

为了使Nb、Ti碳氮化物充分固溶,便于它们在铁素体中弥散析出,加热温度控制在1200~1280󰀁。在轧制工艺采用低终轧温度(830󰀁),轧机的相对压下量为F1压下率󰀁25%,F2压下󰀁36󰀁

重型机械󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2008No󰀁5

表3󰀁各机架压下率及轧制力参数

卷󰀁号中间坯厚料

F1

08H1284150mm0󰀁270󰀁390󰀁250󰀁220󰀁180󰀁16

预报值

反馈值184926952070208818241619

预报值20792438198617521557133708H1284250mm0󰀁290󰀁380󰀁250󰀁220󰀁180󰀁16

反馈值1975262071204117781631

预报值21162483202117831584136108H1284350mm0󰀁290󰀁380󰀁260󰀁210󰀁180󰀁15

反馈值205526862214205817821571

预报值22612654216019071694145508H1284450mm0󰀁290󰀁370󰀁260󰀁220󰀁190󰀁15

反馈值219727352307210218151587

各机架压下率

F2F4F5F6F7

各机架轧制力

F1F2F4F5

195324321981174815531334

(T)

F6F7F1

-5󰀁3310󰀁814󰀁4919󰀁4517󰀁4521󰀁36

-5󰀁0010󰀁304󰀁2816󰀁5014󰀁1921󰀁99

-2󰀁888󰀁1󰀁5515󰀁4212󰀁5015󰀁43

-2󰀁833󰀁056󰀁8110󰀁237󰀁149󰀁07

轧制力偏差百分比

F2F4F5F6F7

󰀁󰀁󰀁󰀁注:F3因机械故障原因甩架。

󰀁󰀁如图1所示,轧制力预报值在经过4卷学习后,预报偏差百分比达到了10󰀁23%以内的较高精度。

轧制力预报精度对带钢的厚度精度有直接影响(特别是头部),轧制力预报值低于实测值,带钢出口厚度偏大,反之,则偏小,头4卷钢的具体尺寸指标见表4。可以看出,模型在经过3卷钢的学习后,第4卷带钢的厚度、宽度指标都

达到了较高的精度。

图1󰀁各机架轧制力预报偏差百分比趋势

表4󰀁厚度、宽度命中率统计

钢卷号测量部位全长0805H12841本体头部测厚仪钢种目录中未加入J55新钢种,未采集到数据厚度均值/mm厚度命中率(󰀁0󰀁029)宽度均值/mm1551󰀁91551󰀁81552󰀁5宽度命中率(0~+15)0󰀁301002008No󰀁5󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁重型机械

钢卷号

测量部位全长

0805H12842

本体头部全长

0805H12843

本体头部全长

0805H12844

本体头部

厚度均值/mm

8󰀁7468󰀁7458󰀁9418󰀁6988󰀁6988󰀁7748󰀁6988󰀁6988󰀁750

厚度命中率(󰀁0󰀁029)

32󰀁034󰀁00󰀁095󰀁499󰀁120󰀁798󰀁710024󰀁0

宽度均值/mm

1545󰀁11545󰀁11546󰀁21540󰀁71540󰀁61542󰀁21541󰀁51541󰀁61541󰀁2

󰀁37󰀁

宽度命中率(0~+15)

47󰀁553󰀁0100100100100100100100

3󰀁3󰀁机械性能

轧后带钢机械性能实验结果(表5)。

表5󰀁带钢机械性能

钢卷号

屈服点/MPa525540545480485

抗拉强度/MPa5850635575595

伸长率/%3534343636

冷弯d=2aHHHHH

-10󰀁横向冲击功

冲击功1/J

188158188161158

冲击功2/J

208153182166152

冲击功3/J

182150184158150

0805H12840805H12850805H12860805H12870805H1288

󰀁󰀁可见,各指标均满足J55屈服强度420~550MPa;抗拉强度󰀁520MPa;伸长率󰀁24。平均冲击功󰀁60J的用户要求,屈服强度偏上限,其它性能指标的裕量较大,较为理想。

表6󰀁

3󰀁4󰀁金相检验结果

为了保证产品质量,对首次生产的J55分批进行了金相组织检验,其结果如表6所示,满足标准所要求的晶粒度󰀁8级值的要求,如表7所示。

J55金相检验结果夹杂物等级钢卷号薄0805H12840805H12850805H12860805H12870805H128811111A厚00000薄1󰀁50󰀁512󰀁01󰀁5B厚00000薄000󰀁500C厚00000薄00󰀁5000D厚00000晶粒度/级1111111111󰀁5󰀁38󰀁

重型机械󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2008No󰀁5

表7󰀁J55夹杂物及组织出厂保证值

夹󰀁󰀁杂󰀁󰀁物

晶粒度/级

薄

󰀁8

A厚

薄

B厚

薄

C厚

薄

D厚

总和

󰀁1󰀁5󰀁1󰀁0󰀁2󰀁0󰀁1󰀁5󰀁1󰀁0󰀁1󰀁0󰀁1󰀁5󰀁1󰀁0󰀁8󰀁0

4󰀁结语

(1)北钢1780生产线具备大容量电机、高强度轧机,完全具备生产高强度钢的硬件能力,计算机二级控制采用的IPSS精轧预设定模型,其轧制力等主要参数的高效学习功能,为北钢的新产品开发提供了强有力的软件支持。

(2)采用低碳、中锰并添加适量Nb、Ti元素的方案满足北钢批量生产石油套管用钢J55的机械性能要求。轧钢生产采用的低终轧温度、后机架大压下量和轧后快速冷却的控轧控冷工艺方案是可行的,带钢尺寸指标与性能指标均能满足用户要求。

(3)通过对成品带钢的金相检查,北钢生产的J55石油套管用钢夹杂物形态等级、晶粒度级别等微观组织均满足标准要求,完全具备了批量生产的能力。参考文献:

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