37Mn5钢圆坯纵裂原因与对策

王 新，王杏娟，朱立光，佟志新，韩毅华

(1.河北联合大学冶金与能源学院，河北省现代冶金技术重点实验室，河北唐山 063009;2.河北钢铁集团唐山分公司技术中心，河北唐山 063016)

37Mn5管坯是一种常见的石油管钢，在石油领域有较大使用量。37Mn5是一种裂纹敏感性钢种，在凝固过程中随着温度的下降会发生晶型转变，这是37Mn5钢易产生纵裂的根本原因。伴随着温度的下降，37Mn5钢在1300～650℃内体积在缩小，而从650℃下降到600℃的过程中，体积发生了相反的变化，产生了较大的相变应力，这是37Mn5钢圆坯发生纵裂的主要原因。另外，保护渣的选择不当，连铸机拉速过高也会促使这类裂纹敏感性钢种产生表面纵裂。

目前，已有众多学者及冶金技术工作者从多方面提出了控制37Mn5圆坯表面纵裂的措施，如控制钢水过热度、控制连铸机拉速、二冷制度采用弱冷及采用高结晶率保护渣等。针对37Mn5钢的凝固特性，若要控制铸坯表面纵裂纹就必须实现缓冷，这就要求保护渣应具有高碱度，低粘度、高结晶温度、低凝固温度的特点。但保护渣的物化性能之间是相互影响的，如碱度过高会增加保护渣的粘度，保护渣粘度的增加又会破坏铸坯和结晶器之间的润滑。因此，如何协调好保护渣各理化特性之间的关系将是我们下一步研究的重点。

1 37Mn5钢管的发展概况及质量要求

1.1 37Mn5钢管的发展概况

37Mn5属于石油管钢中的一种材质［1］，按照美国石油协会规范(API5L)标准，37Mn5管坯主要用于生产J55级钢管，常用于石油钢管(油管、套管、接箍料等)。37Mn5钢管石油套管是石油钻探用重要器材，是维持油井运行的生命线。由于地质条件不同，井下受力状态复杂，拉、压、弯、扭应力综合作用力作用于管体，这对套管本身的质量提出了较高的要求。一旦套管本身由于某种原因而损坏，可能导致整口井的减产，甚至报废。其主要器材还包括钻杆、岩心管和套管、钻铤及小口径钻进用钢管等。国产套管以地质钻探用钢经热轧或冷拔制成，钢号用“地质”(DZ)表示，常用的套管钢级有DZ40、DZ55、DZ75三种。

37Mn5钢圆管坯可分为连铸坯和轧制坯两种。连铸坯是指通过连铸方式生产出来的钢坯，又分为弧形连铸坯和水平连铸坯。轧制坯是指通过初轧机生产出来的钢坯。目前主要的进口国家有:德国、日本、罗马尼亚、捷克、意大利、英国、奥地利、瑞士、美国，阿根廷、新加坡等。进口标准多参照美国石油学会标准API5A，API5AX，API5AC。钢级是 H-40，J-55，N-80，P-110，C-75，C-95 等。从日本进口套管除采用 API标准外，还有少部分执行日本厂方标准(如新日铁、住友、川崎等)，钢号是NC-55E，NC-80E，NC-L80，NC-80HE。

近年来，随着国内石油行业快速发展，石油工业对钢材的需求量也呈逐渐上升的趋势，管坯钢37Mn5的需求量越来越大，对钢材质量要求越来越高，其中对残余元素含量、高低倍组织、夹杂物、晶粒度和表面质量等均有严格要求。目前攀钢、包钢、衡阳钢等均成功开发了37Mn5管坯钢。

1.2 37Mn5钢管的质量要求

根据石油套管的质量要求，37Mn5钢管的化学成分如表1所示。

表1 37Mn5钢的化学成分(ωB∕%)

由于石油套管的主要作用是固定井壁，套管的外部工作环境要承受各类地层的地压和地下水的压力，套管的内部工作环境要承受泥浆的内压以及水蒸汽的压力，有时还要承受腐蚀性液体以及气体的侵蚀，因此套管既要有抗挤压破坏强度又要有耐内压的屈服强度，以及耐热和抗腐蚀的能力。根据以上套管的质量特性要求，相应套管用钢应具有如下技术要求［2］。

(1)钢中 P≤0.025%，S≤0.020%，∑(As+Sn+Pb+Sb+Bi)≤0.050%;

(2)钢坯低倍组织检验要求为:中间裂纹≤2.0级，中心裂纹≤2.0级，缩孔≤3.0级，疏松≤2.0级，无近表面裂纹;

(3)铸坯表面质量要求为:铸坯表面不得有夹杂、结疤、气孔、塌凹及纵向裂纹，允许有深度≤1.0 mrn的折皱、冷隔和热点裂纹;

(4)管坯的不圆度不得大于公称直径的4.5%，管坯每米弯曲度不得大于4 mm，总弯曲度不得大于总长度的0.6%。

2 37Mn5钢圆坯表面纵裂产生的原因

37Mn5钢属于裂纹敏感性钢种，生产过程中极易产生裂纹。连铸过程为激冷凝固过程［3］，若生产工艺不稳定，便会在37Mn5钢圆坯上产生无规律分布的表面纵裂。

2.1 钢水化学成分的影响

由铁碳合金相图可知，如图1，ω(C)＜0.53%的钢液结晶时均有δ铁素体生成。

图1 Fe-Fe3C合金相图

依据碳含量不同，随着温度的下降，生成的δ铁素体会发生晶型转变，这种转变是引起37Mn5钢圆坯纵裂的一个重要潜在因素。δ—γ转变的微观过程是奥氏体在δ铁素体的晶间形核长大，由于晶体点阵的改变(从体心立方晶格变为面心立方晶格)，将发生体积变化并引起晶间内应力增加。据相关资料介绍，在连铸过程中ω(C)=0.3% ～0.4%的钢比低碳钢和高碳钢更容易发生菱变(也称脱方)［4］，这说明结晶器的热流密度对此钢种的凝固过程影响较大，结晶器铜管导热系数的大小，铜管壁厚差的大小，都会对初生坯壳的内部晶体结构产生较大影响。所以，结晶器的冷却强度是决定坯壳在结晶器内质量好坏的首要因素。另外，Mn是扩大γ区的元素，能够降低相变温度，增大了γ晶粒度，柱状晶发达是造成钢坯纵裂的根本原因。

2.2 相变点和膨胀曲线

图2为37Mn5钢从1300℃降到室温过程中温度与线收缩的变化关系，37Mn5降温过程相变的转变温度为591℃［5］。37Mn5在发生相变过程中，随着温度降低，体积发生明显膨胀，产生较大的相变应力。因此，37Mn5铸坯在冷却过程中，要加强保温，需要进行缓冷，防止铸坯在低温阶段产生裂纹。这是37Mn5产生表面纵裂的主要原因。

图2 37Mn5降温过程的膨胀曲线图

2.3 保护渣的影响

初生坯壳厚度的不均匀性与结晶器保护渣的理化性能(粘度、凝固温度、结晶温度)密切相关［6］。凝固温度和结晶温度决定保护渣的传热能力。对于裂纹敏感性的钢种，结晶器热流密度需要适当降低一些。保护渣粘度过高，铸坯拉速过快时，铸坯容易产生表面纵裂纹。因此，对裂纹敏感性钢种，采用低粘度渣，不易出现铸坯裂纹。

2.4 连铸拉速和二冷制度的影响

37Mn5钢的生产工艺流程为“转炉—LF—连铸”，二冷制度为弱冷。生产中提高拉速，将导致铸坯热流密度增加，裂纹的发生率增大。和碳钢相比，37Mn5钢的导热性较低，随着热流密度的增大，铸坯的纵裂指数增大。

一般情况，钢从凝固到冷却存在3个塑性低谷区［7-8］，即1300℃到固相线范围内的高温脆化区，受到凝固前沿晶界处低熔点相的影响;900～1200℃范围内脆化区，受到晶界处硫化物的影响;700～900℃范围内脆化区，受到C、N化物沉淀析出的影响;它们同时也受到晶粒大小的影响。对于37Mn5钢，第一脆化区温度在1250以上，第二脆化区不存在，第三脆化区在900℃以下。

因为37Mn5钢的脆性温度区较宽，因此要防止在1250℃以上和900℃以下产生较大的组织应力，必须采取低过热度、低拉速、弱冷的工艺制度，降低铸坯温度梯度。

3 控制37Mn5钢圆坯表面纵裂的措施

在圆坯连铸生产中，中碳锰钢连铸坯的裂纹发生率是比较高的，其中37Mn5钢最严重。国内生产油井管用钢的钢厂，在生产37Mn5等钢坯时都遇到过这种问题。为解决此问题，国内外做了多方面研究，尤其在保护渣方面，包钢集团已经生产出能够满足连铸生产的保护渣。

3.1 控制钢水的过热度

东北大学张志祥通过对φ150 mm的37Mn5连铸圆坯凝固过程的数学模拟［9］，发现钢水过热度为(20±5)℃，拉速为2.5 m·min－1条件下，可以控制结晶器出口坯壳厚度、铸坯液芯长度和铸坯表面温度在合适的范围内，有利于防止铸坯表面裂纹和内部裂纹等缺陷的产生和保证浇铸安全，并实现较高的生产率。

3.2 综合考虑保护渣的理化性能

北京科技大学成泽伟和天津钢管公司于平等人研究了中碳锰刚保护渣性能对连铸圆坯表面质量的影响。在圆坯连铸实际生产数据的基础上，综合分析了保护渣粘度、熔化温度、熔速对圆坯表面纵裂和凹坑的影响。为防止圆坯产生表面缺陷，必须将保护渣性能调整到合适的范围。φ﹤210 mm圆坯合适的保护渣粘度为0.6～1.1Pa·s、熔化温度为1130～1230℃、熔速为40～50 s;φ﹤270 mm圆坯合适的保护渣粘度为0.6 ～1.0 Pa·s、熔化温度为 1200 ～1270 ℃、熔速为 60 ～80 s［10］。

3.3 降低铸坯拉速

包钢刘平研究了连铸拉速对37Mn5圆坯纵裂产生的影响，发现提高拉速将导致结晶器内热流密度增大，二冷区内冷却速度加快，铸坯内部温度梯度增大。降低拉速能够改善钢夜的凝固条件，减小柱状晶尺寸。指出在生产37Mn5钢圆坯时要适当降低连铸机拉速，并减小拉速波动。

3.4 包钢浇铸37Mn5圆坯用结晶器保护渣

包钢的白月琴，刘平等科研人员对37Mn5圆坯的凝固特性和连铸用保护渣做了深入而系统的研究。用Gleebkl500D试验机、金相显微镜等手段，分析了37Mn5钢的高温塑性和膨胀收缩曲线，铸坯表面纵向裂纹。指出37Mn5连铸坯具有柱状晶粗大，900℃以下塑性较低，650～600℃发生组织转变的特点。通过调整保护渣和连铸工艺，加强缓冷等措施，能够避免裂纹的发生。

他们认为中37Mn5钢铸坯表面存在的纵裂缺陷的主要原因和结晶器弯月面区域初生坯壳厚度的不均匀性有关。所以浇注37Mn5钢圆坯关键在于控制好凝固坯壳所受的热应力［11］。

包钢生产37Mn5圆坯曾使用过三种保护渣，分别为X3、L1和T1，其各自化学成分如表2，物理性能如表3。

表2 保护渣的化学成分

表3 保护渣的物理性能

可以看出37Mn5圆坯用保护渣有以下特点:

1)X3和L1原渣中都含有MnO，具有较高碱度，低粘度、高结晶温度、低凝固温度的特点。较高的碱度(碱度大，吸收夹杂物的能力变大，析晶温度变大，不利于传热和铸坯润滑)和结晶温度可以得到一定比例的结晶渣膜，控制结晶器的传热，减少裂纹的发生，低的粘度可以保证一定的渣耗量，使MnO不能在渣中富集，减少其对保护渣理化性能的影响，同时增加了渣膜厚度，使铸坯实现了缓冷，减轻坯壳局部应力造成的负面影响，低凝固温度可使熔渣在高温状态下有较好的稳定性，减少因结晶温度高、渣膜结晶比率大而造成的粘结拉漏，保证液态渣膜在结晶器与铸坯间的充分润滑，适合浇注裂纹敏感性钢种。低的熔点可使熔融的保护渣在弯月面处有较好的稳定性。

2)L1比X3的粘度高、熔化区间宽和凝固温度低。高粘度减少渣耗，液渣层相对增厚，流入铸坯与结晶器间隙的液渣均匀且充分。熔化区间宽和凝固温度低可使熔渣在高温状态下更为稳定，在拉速提高的情况下，也能使结晶器上部铸坯表面的渣膜处于粘滞的流动状态，且在浇注中不宜产生渣圈。

3)T1原渣中不含MnO，具有高粘度、高熔点和低凝固温度的特点。低的凝固温度，保证熔渣在冷却过程中有较好的性能稳定性，保证铸坯与结晶器间润滑，但其熔点较高，粘度较大，在使用过程中有熔化不均现象，熔化性能需进一步改善。

在圆坯用渣中，X3和L1具有高碱度、高结晶温度和低粘度的特点，能控制高拉速下铸坯与结晶器间的传热，适合圆坯中碳锰钢生产的要求。

由以上研究可知，37Mn5钢易产生裂纹与高温时的相变收缩有关，在不同的生产工艺条件下，只有保证结晶器保护渣理化性能的合理搭配，才能更好地调节铸坯与结晶器间的润滑和铸坯传往结晶器的热流，从而减少铸坯表面纵裂的产生。

4 结语

37Mn5钢属于裂纹敏感性钢种，在连铸生产中易产生纵裂。针对这一问题，众多国内外的冶金工作者从各个方面进行了研究，提出一系列抑制纵裂产生的措施，并取得显著成就。37Mn5钢圆坯的凝固过程中的晶型转变是产生纵裂的根本原因，因此，在连铸过程中实现缓冷是抑制铸坯纵裂产生的主要措施。

作为连铸过程的功能材料，连铸结晶器保护渣在结晶器内对控制铸坯的传热和润滑起着重要的作用。提高保护渣的结晶性能可以降低结晶器和铸坯之间的传热，这是目前国内外控制裂纹敏感性钢种铸坯表面裂纹的常用方法。目前，国内外解决37Mn5圆坯表面纵裂的主要措施是采用结晶态保护渣，一般采用髙碱度保护渣。但是，当保护渣的碱度和结晶温度过高时，保证保护渣均匀地填充进铸坯与结晶器间的空隙变得非常困难，并且结晶率高的保护渣膜易恶化铸坯润滑状况，导致粘结和漏钢。因此，如何协调保护渣的碱度、黏度、结晶温度、析晶率等理化性能是抑制表面纵裂产生的关键。

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