20Cr2Mo抽油桿用熱軋圓鋼的開發

姜英禹

（寶鋼集團八鋼公司制造管理部）

1 前言

20Cr2Mo是一種新型抽油桿鋼，其特點是高強度、抗H2S腐蝕，用于在腐蝕性特強的環境（例如27%～46%的H2S，3%～10%的CO2，45%～65%的CH4）下工作[1]。八鋼公司通過與用戶多次協商，供需雙方簽訂了生產技術協議，并據此制定了煉鋼、軋鋼試驗方案。通過多次試驗，解決了20Cr2Mo抽油桿用熱軋圓鋼（簡稱20Cr2Mo抽油桿鋼）硬度高及鋼材端部剪切裂紋等問題。目前已試制20Cr2Mo抽油桿鋼900t，鋼的各項性能指標符合技術要求。經用戶實際使用，產品質量穩定，抗腐蝕性能能夠滿足用戶要求。

2 生產工藝技術研究

2.1 生產工藝流程

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

2.2 化學成分

鋼中碳含量高對H2S介質破壞抗力不利，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介質破壞抗力的重要元素[2]，但鋁含量≥0.05%時會惡化鋼的可澆性，銅含量≥0.35%時鋼材的力學性能變差。有害元素應嚴格控制在P≤0.015%、S≤0.010%。最終確定的20Cr2Mo抽油桿鋼的化學成分見表1。

2.3 力學性能要求

20Cr2Mo抽油桿鋼用于制作KD級的抽油桿。其中K代表K級抽油桿，用于腐蝕性的輕、中負荷油井的鋼制抽油桿；D代表D級抽油桿，用于中、重負荷油井的鋼制抽油桿。KD級抽油桿具有K級抽油桿的抗腐蝕性能，又有D級抽油桿的力學性能。需方依據SY/T5029《中華人民共和國石油天然氣行業標準》提出20Cr2Mo抽油桿鋼的力學性能要求，并寫入雙方簽訂的技術協議。供方在長期生產D級抽油桿鋼的熱處理制度的基礎上參照GB/T26075-2010《抽油桿用圓鋼》，制訂20Cr2Mo抽油桿鋼的熱處理工藝（見表2）。

表1 20Cr2Mo抽油桿鋼化學成分 %

表2 20Cr2Mo抽油桿鋼力學性能及熱處理工藝

2.4 煉鋼工藝要點

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間，電爐配料的熱兌鐵水量不小于40%。電爐的終點條件為C≥0.08%，P≤0.010%，出鋼溫度1610～1650℃，出鋼時嚴禁下渣。LF爐的精煉時間≥45min，白渣下的精煉時間≥15min。精煉結束喂入純鈣線150m/爐，軟吹時間≥10min，鋼水的鎮靜時間≥5min。連鑄中包過熱度控制，第一爐≤50℃，連澆爐≤30℃。最高拉速≤2.5m/min，采用結晶器電磁攪拌+末端電磁攪拌。

2.5 軋鋼工藝要點

軋制規格為φ19mm、φ22mm、φ25mm、φ28mm，尺寸精度按照技術協議的要求執行。加熱溫度：均熱段1100～1200℃，加熱段1100～1200℃，預熱段600～800℃。軋制溫度：開軋溫度1080～1150℃，終軋溫度不小于900℃。仔細檢查導衛、流槽及導管。保證不能有尖角、毛刺，必須要有圓角過渡。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，并配相應的梳形導衛及導輥。

3 生產實績

3.1 化學成分控制實績

20Cr2Mo抽油桿鋼的化學成分控制實績見表3。

表3 20Cr2Mo抽油桿鋼化學成分控制實績 %

表3中的C、Si、Mn、Cr、Mo、Ni控制的范圍窄，波動小。有害元素P、S的控制符合要求。在連鑄實際澆鑄過程中，當鋼中Al含量≥0.012%時，中包水口容易出現結瘤問題，導致實際控制的Al含量偏低。從鋼中Al具有重要的抗腐蝕作用考慮，在今后的生產中進一步提高鋼中的Al含量是有必要的。

3.2 力學性能控制實績

軋制20Cr2Mo抽油桿鋼28批，力學性能符合用戶要求。力學性能控制實績見表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別滿足用戶要求。控制實績見表5。

表4 20Cr2Mo抽油桿鋼力學性能指標

表5 20Cr2Mo抽油桿鋼金相組織分析 單位：級

4 試制過程中出現的問題及改進

試制前期，小批量試制20Cr2Mo抽油桿鋼97t，供用戶試用。通過用戶實際使用，反饋了兩條意見：（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，裂紋長度貫穿端面，裂紋深度4～6mm（見圖1）。

圖1 20Cr2Mo抽油桿鋼原料端部裂紋圖片

圖2 各牌號抽油桿鋼的硬度

對20Cr2Mo抽油桿用熱軋圓鋼存在的硬度進行了逐批檢測，并與其他牌號的D級抽油桿鋼硬度進行了對比（見圖2）。檢測了20Cr2Mo抽油桿圓鋼熱軋態的顯微組織，顯微組織為貝氏體。

由對比可知，20Cr2Mo抽油桿鋼的平均硬度為300HB，硬度高于其他牌號的抽油桿鋼，硬度高是造成用戶加工困難的原因。檢測其金相組織表明，20Cr2Mo抽油桿鋼的熱軋態顯微組織為貝氏體，其硬度高、塑性差，是造成軋制過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）冬季生產時應注意提高冷床周圍的環境溫度，更換車間已損壞的門窗玻璃，關閉窗戶。車間大門不用時，及時關閉。冷床周圍設置擋墻、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。

通過以上各項工藝措施的實施，取得了預期效果。20Cr2Mo抽油桿鋼的熱軋態硬度明顯降低，平均為254HB。顯微組織檢測表明，其組織為鐵素體+珠光體+少量貝氏體，顯微組織得到改善。在后續的試制過程中基本消除20Cr2Mo抽油桿鋼的剪切裂紋，產品質量得到用戶認可。

4 結束語

通過努力，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難題。20Cr2Mo抽油桿圓鋼的化學成分、各項性能指標符合用戶要求，產品性能穩定。經用戶試驗，20Cr2Mo抽油桿圓鋼抗腐蝕性能符合NACE TM0177-2005標準要求。

近期，在70t電爐開發成功20Cr2Mo抽油桿鋼成功的基礎上，采用150t轉爐冶煉工藝路線，小批量試制KD級AISI3130抽油桿鋼也獲得成功，目前已投放市場。經用戶試用，質量穩定，滿足用戶要求。

還需要關注的問題：由于受到連鑄水口結瘤問題的影響，20Cr2Mo抽油桿鋼的鋁含量偏低。在今后生產中，計劃將鋼中鋁含量提高至0.025%，鋼的抗腐蝕性能預期會進一步提高，同時鋼的潔凈度也會上一個臺階。

[1]項程云主編.合金結構鋼[M].北京：冶金工業出版社,1999,335～336.

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