CN101033513A - 一种抑制氢致离层缺陷的无缝钢管制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种抑制氢致离层缺陷的无缝钢管制造方法，包括转炉冶炼、LF炉精炼、方坯连铸、连轧管坯和钢管轧制，其特点是在钢水冶炼后加入钛合金，并使钢的最终钛含量控制在总量的0.010％～0.030％。所述的钛合金可以在转炉出钢过程中加入，或在LF炉中加入，也可以在转炉出钢过程中首次加入，然后在LF炉中再次加入。本发明在现有设备和工艺的基础上，增加了简单的微钛处理工艺所制造的无缝钢管，其成材率显著提高，产品废品率几乎为零，而且操作简单，成分控制精度高。与采用真空处理或缓冷工艺相比，既减少了生产工序，降低了成本，又缩短了生产周期，提高了生产率。
Description
技术领域
本发明属于低合金钢管制造工艺，尤其涉及一种能防止氢致离层缺陷产生的无缝钢管制造方法。
背景技术
J55油井管和套管是目前石油行业最常用的一个钢级油井管，必须具有良好的力学性能和优异的内外表面质量，以保证其下井后的成井质量和较长的服役时间。目前，J55油井管大多采用中碳锰钢来生产，在生产过程中经常因出现较严重的内表面离层缺陷而造成产品绝废(如附图1和2所示)，个别炉号的废品率甚至高达40％以上，严重影响了油井管的生产和质量。通过检验和分析，认为钢管所产生的离层缺陷主要是由于钢中含氢量较高。因为高达4.5～7.0PPm的氢会使钢坯内部产生微裂纹，加上在无缝钢管的生产过程中是从钢坯心部开始顶穿，钢坯承受纵向延伸和扭转变形，从而导致管坯内部靠近中心的微裂纹扩展并延伸，裂纹暴露以后便形成撕裂状离层，没有暴露部分便形成泡状离层。
如果降低钢中的氢含量，便可克服上述离层缺陷的产生。当前解决钢中氢高问题的方法主要有：1.采用真空处理的方法去除钢中的氢。但该方法需要较大设备投入，会大幅度增加生产成本，所以不适合普通钢的生产；2.采用扩散处理的方法，将热轧后的管坯进行缓慢的冷却，使氢自由扩散至钢的外部，从而减少钢中的氢含量，避免氢致裂纹的产生。但该方法对于大规模高产量的生产需要很大的缓冷设施，而且生产周期也将大大延长。
在现有技术中，钢水中添加钛的技术也不少，如公开号为CN1664125，名为“中碳碳素及合金结构钢锭加钛防止纵裂及其生产工艺”和公开号为CN1092470，名为“钛处理钢板高温再结晶轧制加速冷却代替中低温控轧工艺”的两项专利，虽然都是在钢中添加一定含量的钛，但是并非解决铸坯氢高导致轧制离层缺陷的问题。前者是用钛替代部分铝进行终脱氧和进行模冷，使模内钢锭表面温度达到400℃以下，即由奥氏体向珠光体转变的温度以下，这样便可大大减少并抑制沿珠光体与铁素体晶界上脆性AIN的析出，从而防止中碳碳素及合金结构钢锭的纵裂产生；后者是使钢中加入的钛与碳氮元素充分化合形成细小的TiN、Ti(CN)等沉淀相，细化了钢的晶粒，减少钢中游离氮的时效作用为韧化机制，提高厚钢板的时效韧性，低温及高温韧性等，从而改善钢板的质量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通过微钛处理工艺来减少氢致裂纹，从而抑制离层缺陷产生的无缝钢管生产方法。
本发明抑制氢致离层缺陷的无缝钢管制造方法是这样实现的：该制造方法包括转炉冶炼、LF炉精炼、方坯连铸、连轧管坯和钢管轧制，其特征在于在钢水冶炼后加入钛合金，并使钢的最终钛含量控制在总量的0.010％～0.030％。
按照本发明所述的抑制氢致离层缺陷的无缝钢管制造方法，其特征在于在所述钛合金的加入方法可以有3种：1是在转炉出钢过程中加入钛合金，将钢液中此时的钛含量控制在0.020％～0.035％，并满足最终钛含量要求；2是在LF炉将钢的合金成分调整到钢种所要求范围时加入钛合金，满足最终钛含量要求；3是在转炉出钢过程中，首次加入钛合金，将钢中当时的钛含量控制在总量的0.010％～0.015％，然后在LF炉将钢的合金成分调整到钢种所要求范围时再次加入钛合金，并满足最终钛含量要求。
本发明的设计思路是：抑制钢坯内部氢致微裂纹的产生，从根本上解决钢管离层缺陷的问题。通常情况下，钢中的氢原子在钢冷却后将产生自由扩散，不断偏聚，部分形成氢分子。这些气体聚居在一起后会在钢的内部产生非常大的应力，使钢的内部产生裂纹。要是在钢中形成较大量均匀分布的与氢结合能大于0.60的不可逆氢陷阱，例如与氢的结合能为0.95的TiC粒子，便可将陷阱周围的氢原子捕捉到陷阱中防止其偏聚。钢中加入钛后，不但可形成结合能较大的不可逆陷阱，抑制氢的长距离扩散偏聚造成裂纹，还可起到细化晶粒改善钢的力学性能的作用。
本发明之所以将钢中最终的钛含量确定在0.010％～0.030％，是因为本专利钢中加入钛的目的是使钛形成TiC析出相，人为制造不可逆氢陷阱。如果钛含量过低，钢中的钛将只起到固N作用，绝大部分与N结合成TiN，少量剩余钛形成的TiC粒子数量太少，无法起到防止氢偏聚的作用；而如果钢中的含钛量过高，则将提高冶炼成本，甚至使热轧后钢管产生粒状贝氏体组织，严重破坏钢的韧性。通过实验证明钢中的钛含量控制在0.010％～0.030％较为理想。
本发明没采用降低氢含量的方法，在现有设备和工艺的基础上，只增加了简单的微钛处理工艺所制造的无缝钢管，其成材率显著提高，产品废品率几乎为零，从附图3至附图6的对比便可看出。而且该方法操作简单，成分控制精度高。与采用真空处理或缓冷工艺相比，既减少了生产工序，降低了成本，又缩短了生产周期，提高了生产率。
附图说明
附图1和附图2均为出现严重离层缺陷的钢管内表面照片。
附图3为中部出现微裂纹的未经微钛处理的管坯低倍照片。
附图4为附图3的中心部位放大图。
附图5为经微钛处理后的管坯低倍照片。
附图6为附图5的中心部位放大图。
具体实施方式
本发明抑制氢致离层缺陷的无缝钢管制造方法主要包括转炉冶炼、LF炉精炼、方坯连铸、连轧圆管坯、穿孔和钢管轧制等工艺，在钢水冶炼后加入一定量的钛合金进行微钛处理，钢中的最终钛含量为总量的0.010％～0.030％。本发明将钛合金的加入时间选择在转炉出钢过程中和/或LF炉精炼过程中，共有3种实施方式。具体加入方法如下：
1、在转炉出钢时先加入脱氧剂，出钢达到约总量的1/3之后，往钢水罐中一次性加入钛合金。考虑到在随后的LF炉精炼过程中钢中的钛含量将有所降低，为确保钢中最终钛含量满足0.010％～0.030％的要求，应将此时的钛含量控制在总重量的0.020％～0.035％。采用该方法可满足微钛处理的要求，但钛合金的消耗量较大，成本高，而且钛含量控制不太稳定。
2、在LF炉精炼过程中将钢的合金成分调整到钢种所要求范围时一次性加入钛合金，将钛含量控制在总重量的0.010％～0.030％。采用该方法也可满足微钛处理的要求，而且可降低钛合金的消耗，但在后续的铸坯过程中时常发生水口阻塞现象，有时会使连铸连浇炉数由不加钛的15炉下降到6炉。
3、结合上述方法1和2，将钛合金分两次加入。即在转炉出钢时先加入脱氧剂，出钢至总量1/3后首次往钢水罐中加入钛合金，使钢中钛含量控制在总量的0.010％～0.015％，在LF炉将钢的合金成分调整到钢种所要求范围时再次加入钛合金，并将钛含量控制在0.010％～0.030％。这是本发明的最佳实施方式，采用该方法既可以比方法1节约钛合金的使用量又可以避免方法2可能产生的水口阻塞现象，确保连铸连浇炉数达到15炉。
将本发明经微钛处理后的钢水送入铸机进行连铸，连铸工艺生产钢冷却速度相对较快，在钢中形成均匀分布的Ti(CN)和TiC析出相，这些析出相形成与氢结合力较高的不可逆氢陷阱，将钢中的氢控制在其周围，不产生氢的富集，从而避免了氢致裂纹的产生，有效抑制了无缝钢管的离层缺陷。
表1给出了采用微钛处理和没采用微钛处理的钢轧制成无缝钢管后的离层废品率对比情况。表中所列各炉号钢管的冶炼和轧制条件基本相同，可采用微钛处理后的钢管离层废品率明显降低，几乎为零。
表1用和没用微钛处理的钢管离层废品率对比(各元素含量为重量％)
| 炉号 | C | Si | Mn | P | S | H | Ti | 离层率％ | 加钛方式 | ||
| ① | ② | ③ | |||||||||
| 5D7675 | 0.36 | 0.27 | 1.40 | 0.016 | 0.003 | 0.00052 | 0.022 | 0.014 | 0.014 | 0 | 方法1 |
| 5D7676 | 0.33 | 0.33 | 1.39 | 0.014 | 0.003 | 0.00065 | 0.031 | 0.020 | 0.020 | 0.005 | 方法1 |
| 4D7765 | 0.37 | 0.33 | 1.46 | 0.014 | 0.005 | 0.00063 | -- | -- | 0.012 | 0 | 方法2 |
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| 6D7405 | 0.37 | 0.21 | 1.32 | 0.014 | 0.006 | 0.00054 | 17.2 | 无 | |||
| 6D7409 | 0.38 | 0.22 | 1.38 | 0.012 | 0.006 | 0.00062 | 19.0 | 无 | |||
| 6D7546 | 0.36 | 0.22 | 1.40 | 0.012 | 0.008 | 0.00057 | 17.4 | 无 | |||
| 6D7419 | 0.36 | 0.24 | 1.37 | 0.014 | 0.007 | 0.00064 | 18.3 | 无 | |||
注：表中①表示出钢后检验钢水罐中Ti含量；表中②表示LF炉补加钛合金前Ti含量；表中③为最终Ti含量。
Claims (4)
1.一种抑制氢致离层缺陷的无缝钢管制造方法，包括转炉冶炼、LF炉精炼、方坯连铸、连轧管坯和钢管轧制，其特征在于在钢水冶炼后加入钛合金，并使钢的最终钛含量控制在总量的0.010％～0.030％。
2.根据权利要求1所述的抑制氢致离层缺陷的无缝钢管制造方法，其特征在于所述的钛合金在转炉出钢过程中加入，将钢液中此时的钛含量控制在0.020％～0.035％，并满足最终钛含量要求。
3.根据权利要求1所述的抑制氢致离层缺陷的无缝钢管制造方法，其特征在于所述的钛合金在LF炉将钢的合金成分调整到钢种所要求范围时加入，满足最终钛含量要求。
4.根据权利要求1所述的抑制氢致离层缺陷的无缝钢管制造方法，其特征在于所述的钛合金分两次加入：首次加入是在转炉出钢过程中，将钢中当时的钛含量控制在总量的0.010％～0.015％，再次加入是在LF炉将钢的合金成分调整到钢种所要求范围时，并满足最终钛含量要求。
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