20Cr2Mo抽油杆用热轧圆钢的开发

姜英禹

（宝钢集团八钢公司制造管理部）

1 前言

20Cr2Mo是一种新型抽油杆钢，其特点是高强度、抗H2S腐蚀，用于在腐蚀性特强的环境（例如27%～46%的H2S，3%～10%的CO2，45%～65%的CH4）下工作[1]。八钢公司通过与用户多次协商，供需双方签订了生产技术协议，并据此制定了炼钢、轧钢试验方案。通过多次试验，解决了20Cr2Mo抽油杆用热轧圆钢（简称20Cr2Mo抽油杆钢）硬度高及钢材端部剪切裂纹等问题。目前已试制20Cr2Mo抽油杆钢900t，钢的各项性能指标符合技术要求。经用户实际使用，产品质量稳定，抗腐蚀性能能够满足用户要求。

2 生产工艺技术研究

2.1 生产工艺流程

70t高功率直流电炉冶炼/150t转炉冶炼→LF精炼炉→150mm方坯连铸（电炉连铸的弧形半径8m）/（转炉连铸的弧形半径10m）→连铸坯检验→小型机组轧制→钢材检验→入库。

2.2 化学成分

钢中碳含量高对H2S介质破坏抗力不利，尤其是0.3%以上更明显。因此，钢的碳含量一般控制在0.17%～0.30%。铬、镍、钼是钢耐氢腐蚀的主体元素，含量越高越有利，但镍、钼的价格昂贵，需综合考虑成本因素，而钢中的铬含量可以大幅度增加。固溶元素Al（0.06%～1.0%）、Cu（≤0.6%）也是改善钢H2S介质破坏抗力的重要元素[2]，但铝含量≥0.05%时会恶化钢的可浇性，铜含量≥0.35%时钢材的力学性能变差。有害元素应严格控制在P≤0.015%、S≤0.010%。最终确定的20Cr2Mo抽油杆钢的化学成分见表1。

2.3 力学性能要求

20Cr2Mo抽油杆钢用于制作KD级的抽油杆。其中K代表K级抽油杆，用于腐蚀性的轻、中负荷油井的钢制抽油杆；D代表D级抽油杆，用于中、重负荷油井的钢制抽油杆。KD级抽油杆具有K级抽油杆的抗腐蚀性能，又有D级抽油杆的力学性能。需方依据SY/T5029《中华人民共和国石油天然气行业标准》提出20Cr2Mo抽油杆钢的力学性能要求，并写入双方签订的技术协议。供方在长期生产D级抽油杆钢的热处理制度的基础上参照GB/T26075-2010《抽油杆用圆钢》，制订20Cr2Mo抽油杆钢的热处理工艺（见表2）。

表1 20Cr2Mo抽油杆钢化学成分 %

表2 20Cr2Mo抽油杆钢力学性能及热处理工艺

2.4 炼钢工艺要点

为了降低钢中砷、锡、锑等残余元素含量以及缩短电炉的冶炼时间，电炉配料的热兑铁水量不小于40%。电炉的终点条件为C≥0.08%，P≤0.010%，出钢温度1610～1650℃，出钢时严禁下渣。LF炉的精炼时间≥45min，白渣下的精炼时间≥15min。精炼结束喂入纯钙线150m/炉，软吹时间≥10min，钢水的镇静时间≥5min。连铸中包过热度控制，第一炉≤50℃，连浇炉≤30℃。最高拉速≤2.5m/min，采用结晶器电磁搅拌+末端电磁搅拌。

2.5 轧钢工艺要点

轧制规格为φ19mm、φ22mm、φ25mm、φ28mm，尺寸精度按照技术协议的要求执行。加热温度：均热段1100～1200℃，加热段1100～1200℃，预热段600～800℃。轧制温度：开轧温度1080～1150℃，终轧温度不小于900℃。仔细检查导卫、流槽及导管。保证不能有尖角、毛刺，必须要有圆角过渡。钢材剪切采用槽形剪刃，剪切断面不得有马蹄形明显压扁、切斜、飞边、毛刺等，并配相应的梳形导卫及导辊。

3 生产实绩

3.1 化学成分控制实绩

20Cr2Mo抽油杆钢的化学成分控制实绩见表3。

表3 20Cr2Mo抽油杆钢化学成分控制实绩 %

表3中的C、Si、Mn、Cr、Mo、Ni控制的范围窄，波动小。有害元素P、S的控制符合要求。在连铸实际浇铸过程中，当钢中Al含量≥0.012%时，中包水口容易出现结瘤问题，导致实际控制的Al含量偏低。从钢中Al具有重要的抗腐蚀作用考虑，在今后的生产中进一步提高钢中的Al含量是有必要的。

3.2 力学性能控制实绩

轧制20Cr2Mo抽油杆钢28批，力学性能符合用户要求。力学性能控制实绩见表4。

3.3 钢材的低倍组织与非金属夹杂物

轧制20Cr2Mo抽油杆钢28批，钢材的低倍组织与非金属夹杂物的级别满足用户要求。控制实绩见表5。

表4 20Cr2Mo抽油杆钢力学性能指标

表5 20Cr2Mo抽油杆钢金相组织分析 单位：级

4 试制过程中出现的问题及改进

试制前期，小批量试制20Cr2Mo抽油杆钢97t，供用户试用。通过用户实际使用，反馈了两条意见：（1）切头加工比较困难；（2）20Cr2Mo抽油杆钢原料的端部有中心裂纹，裂纹长度贯穿端面，裂纹深度4～6mm（见图1）。

图1 20Cr2Mo抽油杆钢原料端部裂纹图片

图2 各牌号抽油杆钢的硬度

对20Cr2Mo抽油杆用热轧圆钢存在的硬度进行了逐批检测，并与其他牌号的D级抽油杆钢硬度进行了对比（见图2）。检测了20Cr2Mo抽油杆圆钢热轧态的显微组织，显微组织为贝氏体。

由对比可知，20Cr2Mo抽油杆钢的平均硬度为300HB，硬度高于其他牌号的抽油杆钢，硬度高是造成用户加工困难的原因。检测其金相组织表明，20Cr2Mo抽油杆钢的热轧态显微组织为贝氏体，其硬度高、塑性差，是造成轧制过程中钢材端部剪切裂纹的主要原因。为了降低硬度、改善显微组织，采取了以下措施：

（1）冬季生产时应注意提高冷床周围的环境温度，更换车间已损坏的门窗玻璃，关闭窗户。车间大门不用时，及时关闭。冷床周围设置挡墙、隔断，防止冷空气直接吹向冷床。

（2）制作冷床保温罩，进行保温轧制。

（3）为改善圆钢的剪切性能，要求剪切温度≥350℃。

（4）为保证剪切温度，冷床的接钢方式规定为接一支空一步。

（5）下线钢材快速收集打捆，堆冷，并盖篷布保温48h。

通过以上各项工艺措施的实施，取得了预期效果。20Cr2Mo抽油杆钢的热轧态硬度明显降低，平均为254HB。显微组织检测表明，其组织为铁素体+珠光体+少量贝氏体，显微组织得到改善。在后续的试制过程中基本消除20Cr2Mo抽油杆钢的剪切裂纹，产品质量得到用户认可。

4 结束语

通过努力，有效解决了用户反馈的20Cr2Mo抽油杆钢的加工困难及端部剪切裂纹的技术难题。20Cr2Mo抽油杆圆钢的化学成分、各项性能指标符合用户要求，产品性能稳定。经用户试验，20Cr2Mo抽油杆圆钢抗腐蚀性能符合NACE TM0177-2005标准要求。

近期，在70t电炉开发成功20Cr2Mo抽油杆钢成功的基础上，采用150t转炉冶炼工艺路线，小批量试制KD级AISI3130抽油杆钢也获得成功，目前已投放市场。经用户试用，质量稳定，满足用户要求。

还需要关注的问题：由于受到连铸水口结瘤问题的影响，20Cr2Mo抽油杆钢的铝含量偏低。在今后生产中，计划将钢中铝含量提高至0.025%，钢的抗腐蚀性能预期会进一步提高，同时钢的洁净度也会上一个台阶。

[1]项程云主编.合金结构钢[M].北京：冶金工业出版社,1999,335～336.

[2]〔英〕F.布赖恩，皮克林主编.钢的组织与性能.北京：科学出版社，1999,411～415.