Untitiled

Size: px

Start display at page:

Download "Untitiled"

纽呼国
7 years ago
Views:

1 第 3 卷第 5 期 9 年月山东冶金 Shandong Metallurgy Vol.3 No.5 October 9 生产技术生产技术超高强度抽油杆用热轧带肋圆钢 5CrMoA 研制逯登尧, 刘发友, 于振平 ( 山东寿光巨能特钢有限公司, 山东寿光 67) 摘要 : 山东寿光巨能特钢有限公司采用电炉 LF 炉连铸控制轧制工艺及特殊的产品外观结构设计开发了超高强度抽油杆用热轧带肋圆钢 5CrMoA 钢中碳含量控制精度在.5% 以内 ; 横肋肋槽的月牙形设计, 防止了横肋表面纵向裂纹的产生 ; 通过控制终轧温度导卫和辊道上的夹钢等, 横肋的过度磨损有所控制 ; 通过控制冷却, 使钢材弯曲度 3 mm/m; 成品钢材采用弧形剪刃剪切, 使钢材的端部质量得以控制通过对断后伸长率的分析, 认为固定标距未考虑规格的变化对测试结果的影响, 由此将回火温度波动范围控制在 5 以内对热处理操作是一个考验关键词 : 抽油杆用钢 ;5CrMoA; 横肋 ; 碳含量控制 ; 断后伸长率中图分类号 :TG4.33 文献标识码 :A 文章编号 :4-46(9) 前言抽油杆用钢专门用于油田有杆采油设备杆体的制造共分 K C D 和 H 4 个级别, 其中 D 级 ( 高强度 ) 和 H 级 ( 超高强度 ) 最为常用抽油杆钢主要有 5 个规格, 分别为 φ 6 φ φ φ 5.4 和 φ 8.6 mm, 主要牌号为 CrMoA, 尺寸精度和弯曲度均要求达到 GB/T 7 4 一组的规定杆体制造分矫直探伤锻头热处理 ( 淬火和回火 ) 抛丸车丝和涂漆等工序由于杆体在腐蚀性较强的油井中使用, 对钢中非金属夹杂物和钢材表面质量要求较严国外抽油杆用钢及其制品主要以美国 CrMo 系和 NiMo 系为主,CrMo 系用于低腐蚀强度的油井, NiMo 系用于高腐蚀强度尤其是 H S 含量较高的油井自 96 年以后, 为了降低生产成本, 虽然开发了一些非 CrMo 系抽油杆用钢及其制品 ( 如唐钢开发的 MnV 系产品 ), 但由于油井的腐蚀性环境, 非 CrMo 系抽油杆用钢及其制品的应用受到限制在世纪 9 年代, 开发了一些贝氏体类 H 级杆用钢, 如 Mn 系和 MnSiCrMo 系, 但由于其腐蚀疲劳性能不过关, 另外在热处理方面存在一些问题, 油田使用时频繁发生断杆事故,3 年以后逐渐放弃使用近年来, 我国多数油井到了中后期开发阶段, 油井深度进一步增加, 斜井增多, 油杆的磨损问题越来越受到关注为了解决因杆体过度磨损而导致的油杆早期破坏, 人们试图在油杆上增加一些附着物, 增加其润滑效果, 防止杆体早期磨损山东寿光巨能特钢有限公司开发了 5CrMoA 带肋防偏收稿日期 :9-8-4 作者简介 : 逯登尧, 男,6 年生,8 年毕业于北京冶金机电学院轧钢专业,87 年毕业于青海省西宁钢厂职工大学压力加工专业现为山东寿光巨能特钢有限公司技术部工程师, 从事特殊钢生产工艺研究与技术质量管理工作磨刮腊抽油杆用钢产品设计. 设计目标本钢种要求解决材料的化学成分控制精度问题和油杆的过度磨损问题, 从而提高材料的力学性能稳定性和油杆在井下的使用寿命本设计认为 : 带肋防偏磨刮腊高强度抽油杆用钢应具备定位扶正可旋防偏磨刮腊等特点, 油杆在油井中运动时会产生良好的润滑, 摩擦力进一步减小, 因而油杆和油井的寿命进一步增长, 特别使油杆的寿命有较大幅度的增长. 技术条件采用的技术标准为 YB/T 抽油杆用热轧圆钢及技术协议钢对化学成分力学性能的要求与光圆抽油杆用钢完全一致钢材的酸浸低倍试片上一般疏松中心疏松和偏析各不大于级钢中 A 类和 B 类非金属夹杂物各不大于.5 级, 二者之和不大于 4.5 级除端部形状弯曲度不圆度的要求与光圆抽油杆用钢完全一致外, 在光圆上加横肋是本产品比较特殊的设计带肋抽油杆用钢在圆钢相对两面设置横肋, 同侧横肋间距 A 为 9~ 6 mm, 相邻异侧横肋间距 a 为 4~6 mm, 横肋长度方向 (L) 与轧件长度方向一致, 横肋凸起部分与杆体交接处均为 R.5~R.5 圆弧过渡横肋结构见图为了保证成品材两面的横肋对称性和钢材的弯曲度, 要求个成品轧辊的直径差不大于 3 mm.3 工艺路线 ) 冶炼采用 5% 高炉铁水热装 7 t 超高功率电炉熔炼 ( 偏心炉底出钢 ) 7 t LF 炉外精炼 R8 m 四机四流连铸机连铸热送 ( 冷送 ) ) 轧钢连铸坯热 ( 冷 ) 装蓄热连续式加热炉 53

2 9 年月山东冶金第 3 卷 L B l A R.5~R.5 图带肋抽油杆用钢横肋结构示意图加热高压水除鳞 Φ55 机列粗轧 5 t 热剪切头 Φ43 4 机列中轧飞剪切头尾 Φ 3 6 机列精轧产材飞剪分段冷床冷却 5 t 冷剪剪切定尺在线检查 ( 物理检验 ) 收集包装计量标识入库.3. 关键工艺 ) 冶炼采用 7 t UHPEAF, 采用了 45%~5% 热装铁水工艺和先进的美国 PTI 炉壁氧枪偏心炉底出钢技术,7 t LF 采用全程包底吹 Ar, 硅钙钡铝脱氧和在线喂丝技术, 采用 Al+CaSi 复合脱氧工艺, 防止精炼后期及中间包增碳, 确保碳波动范围控制在.5% 以内 ) 加热轧制采用先进的计算机程控技术, 钢坯加热及轧制温度波动范围控制在 3 以内 3) 特殊的产品外观结构设计与光圆抽油杆不同的是, 带肋抽油杆在圆钢相对两面设置横肋由于钢材在轧制后温度较高 (98~ ), 处于表面的横肋在输送至冷床的过程中与辊道冷床产生强烈的磨擦, 造成横肋过度磨损为了避免横肋过度磨损, 在现有工艺条件下, 采用了合理的孔型结构 ( 见图 ), 有效减缓了横肋过度磨损 a 原孔型结构 b 新孔型结构图带肋抽油杆用钢成品孔型.3. 控制要点 ) 碳含量及有害元素的控制碳含量按中上限控制, 控制精度为.5%, 与 YB/T 相比加严了.4% 为确保钢的碳含量控制精度在.5% 以内, 冶炼过程应做好电炉出钢碳和精炼渣脱氧过程的控制 ; 在保证力学性能合格的基础上, 为节约成本, 钢中 Mo 含量精确控制在.5%; 保证钢的纯洁度, 使钢中氧含量控制在 (8~) -6, P S 总含量在.35% 以下,Cu 含量在.% 以下, Pb Sn As Sb 和 Bi 五害元素总含量不超过.3% 54 h a ) 内部质量控制由于抽油杆在油气腐蚀及交变载何的环境下工作, 要求其疲劳寿命必须 6, 确保杆体在油井中的安全运行, 所以对钢的低倍组织和钢中夹杂物级别要求较为严格内部质量的控制侧重于 3 方面 : 一是精炼白渣操作, 充分去除钢中夹杂, 控制出钢温度 ; 二是连铸保护浇注, 换包时防止下渣, 控制铸坯拉速和冷却强度, 确保在 ~35 的过热度下浇注 ; 三是控制连铸坯加热速度, 确保加热质量, 防止产生欠热过热和过烧 3) 表面质量控制由于抽油杆在制造过程中除对钢材端部进行少量的加工外, 基本上要利用钢材的原始表面, 所以对钢材的表面质量提出了严格的要求, 钢材表面不得存在裂纹和机械损伤等缺陷对轧辊导卫及输送辊道的表面毛刺应严格控制, 同时, 钢材在存放时应采取避雨措施, 以防止表面锈蚀 4) 横肋的控制设置的横肋可以达到定位扶正防偏磨刮腊的效果肋高控制横肋高度的控制是孔型设计和生产操作控制的难点在孔型设计过程中, 根据金属在孔型中横向流动的特点, 并且借鉴了月牙钢筋的横肋设计经验, 采用了月牙形设计方案, 避免了因金属在孔型中横向自由流动所产生的横向表面张力, 防止了横肋表面纵向裂纹的产生轧制后横肋饱满表面光滑, 横肋高度符合设计要求肋间距控制为保证肋间距符合设计要求, 一是在刻槽时, 对支成品轧辊的肋槽位置进行固定并定位安装, 确保相邻异侧横肋间距在 4~6 mm; 二是控制轧辊成品直径的范围在 3~34 mm, 确保同侧横肋间距在 9~ 4 mm 3 横肋形状控制一是控制终轧温度, 控制开轧温度和进入连轧的温度, 在精轧机组喷水强制冷却, 限制终轧速度 ; 二是防止成品材扭转或在导卫辊道上夹钢, 以减少辊道及盖板对横肋长时间的摩擦 ; 三是控制单槽过钢量在 3 t 以下, 防止肋槽过度磨损造成横肋形状不正 5) 钢材外形的控制由于要求钢材弯曲度不大于 3 mm/m, 相当于 GB/T 7 4 一组的要求, 对钢材的冷却收集和捆扎等都提出了较高的要求由于钢材表面存在横肋, 轧后是不能矫直的, 钢材的弯曲度只有靠轧后冷床冷却和在合理的温度下剪切收集来保证所以钢材的弯曲度控制是又一大难点冷床冷却控制一是上冷床的钢材应均匀摆放, 齿空排满 ; 二是收集温度不大于 4, 以防止堆垛后弯曲此外, 成品钢材需采用弧形剪刃剪切, 以保持钢材良好的端部质量

3 逯登尧等超高强度抽油杆用热轧带肋圆钢 5CrMoA 研制 9 年第 5 期 3 试验结果及分析 3. 检验结果 7 年月至 8 年月共计生产 5CrMoA 钢要求实际控制 C.8.~.8.5 Si.35.8~ Mn..97~.9.3 P.5.8~ 炉, 产材规格为 φ6~φ8 mm, 热处理工艺为 88 水冷淬火 +5 水冷回火要求及检测统计的产品化学成分见表, 力学性能见表, 低倍和高倍检验结果见表 3 表要求及统计的化学成分 % S.5.4~.4.7 Cr..84~ Mo.5.3~.5.4 Cu..3~..53 Ni.3.3~.4.3 表要求及统计的力学性能表 3 φ 带肋抽油杆 5CrMoA 低倍和高倍检验结果要求 σs/mpa 795 σb/mpa 965~ 5 δ5 /% ψ/% 45 AkU /J A 类非金属夹杂物 ( 粗系列 ) B 类 C 类 D 类低倍组织 / 级一般疏松中心疏松偏析统计 9~ ~. ~ 5. 56~ ~48.3.5~.5.7.5~.5.9.5~.5. ~.5 3. 结果分析 3.. 碳的控制对 7 年以来生产的 83 炉抽油杆钢 5CrMoA 化学成分进行了统计, 碳按要求应控制在.4%~.8%, 实际控制值.%~.8%, 平均.5% 达不到用户期望目标要求占总量的 4.8%, 其中约 4 3 抽样数量子样平均值 /% 公差范围 /% 中值 /% 平均值的偏移量 /% 子样标准偏差 /% 工程能力指数 % 的炉号是由于与 CrMoA 连浇时, 有意使碳控制在.3% 以下所致对碳的控制能力采用工程能力指数计算方法进行分析, 结果见图 3 和表 4 由图 3 可知,6~9 年, 碳含量在.4% 以下的分别为 3% 5% % 和 3% 试产期间碳的控制能力较差, 进入量产阶段时逐步提高并稳定在 %~3% a 6 年 b 7 年 c 8 年 d 9 年表 4 工程能力指数计算结果计算公式 N 图 3 6 年 7 年 8 年 9 年 Cp<.67, 工程能力指数为四级, 工程能力全无炼钢操作水平较差, 碳的控制未达到预期目标. Cp<.33, 工程能力指数为二级, 工程能力尚可接近用户的期望水平, 中心碳命中率逐年提高, 得到了一个近似的正态分布图形 9 年的控制水平最好 3.. 断后伸长率的测试关于抽油杆用钢力学性能的测试方法, 抽油杆碳含量直方图制造厂与钢厂存在较大的差异, 钢厂采用冶金行业通行的标准试样测试方法, 而抽油杆制造厂则采用整体试样的测试方法, 两种测试方法所获得的结果其主要区别在于对伸长率的测试上按 GB/T 8 第 4.4. 条描述, 试样的原始标距 L 与原始面积 S 存在一个比例关系, 即比例系数 k, 用公式表示为 :, () 国际惯用的比例系数为 5.65, 按下式表示 : 对公式 () 推导, 得 () L =5d, (3) 式中 d 为试样原始直径, 单位为 mm 抽油杆制造厂则采用整体试样的测试方法, 不管钢材直径大小, 使用的标距均为 mm( 见 SY/T 59 6) 在不考虑钢材的致密度外表质量及椭圆度的情况下, 按公式 (3) 推算, 只有 d 在 4 mm 时, 所测得的断后伸长率与标准试样的结果相吻合 ( 见表 5) 而实际上抽油杆用钢的直径在 φ6~φ 3 55

4 9 年月山东冶金第 3 卷 4 mm, 标准试样的比例系数与整体试样的非比例系数的理论值关系为 : k =mk 5, (4) 式中 :k 为标距为 mm 时的非比例系数,m 为换算系数,k 5 为国际惯用的比例系数,5.65 按公式 (), 得, (5) 式中 d 为标距为 mm 时的试样直径分别利用公式 (4) 和公式 (5) 进行计算, 假如实测标准试样的断后伸长率 A 5 为 %, 则标距为 mm 时的断后伸长率与断面直径的理论变化关系见表 5 由表 5 可看出 : 整体试样断后伸长率 A 与整体试样的原始直径成正比变化表 5 标距 mm 时断后伸长率与 d 的关系 d/mm k m A5/% A/% 就该问题在规格为 φ mm 的 CrMoA 材上进行了试验, 对 (88±5) 保温 3 min 水冷 +(5± 5) 保温 4 min 水冷后获得的标准试样测得的伸长率结果在 5%~% 之间, 而整体试样测得的伸长率在 %~3% 之间以 φ 5 mm 5CrMoA 材 ( 炉号 9-7) 为例, 在 88 保温 5 min 水冷 +5 保温 6 min 水冷后, 实测 A 5 为 4% 和 5%, 平均为 4.5%; 实测 A 为 6.9% 和 7.7%, 平均为 7.% A 5 和 A 之间约为倍的关系如果要求 A %, 则 A 5 应 %, 这样的要求对于 5CrMoA 已经没有任何余地, 就是说抽油杆的热处理应当十分的严格, 稍有不慎就会造成断后伸长率不合由于抽油杆杆体拉伸试验采用了固定标距, 未考虑规格的变化对测试结果的影响, 同一炉批号同一断面生产的钢材, 不同的规格得到了不同的断后伸长率, 且规格越小其伸长率越低, 因此, 这种对原材料的评价方法是不合理的科学的测定方法应是不同的规格可采用不同的标距, 使之保持 L = d 的关系, 这样的测试结果应更接近材料的真实性能 3..3 回火工艺对力学性能的影响为了确定回火工艺对 5CrMoA 力学性能的影响, 对 φ mm( 炉号 9-7, 化学成分 :C.6%,Si.%,Mn.49%,P.%,S.7%,Cr 56.9%,Mo.6%,Al.5%) 进行了不同回火时间下回火温度对力学性能影响的整体拉伸试验, 结果见图 4 由图 4 看出 : 选择回火温度在 53~545, 保温时间在 4 min 时, 既考虑了强度和塑性指标的合理搭配, 保证钢材的综合力学性能满足标准要求, 同时又兼顾了淬火和回火过程时间节奏的协调一致, 确保热处理操作稳定实施但回火温度波动范围控制在 5 以内对热处理操作是一个考验 σs/mpa,σb/mp,aku /J σs/mpa,σb/mp,aku /J σb σs AkU δ ψ 回火温度 / a 保温 4 min σb σs δ AkU 回火温度 / b 保温 6 min 图 4 不同保温时间下回火温度对力学性能的影响 3..4 外形尺寸的控制由于钢材在轧制后温度较高 (98~ ), 处于表面的横肋在输送至冷床的过程中与辊道冷床产生强烈的磨擦, 造成横肋过度磨损为了避免横肋过度磨损, 应在轧制后采取穿水冷却的措施, 使成品钢材的终轧温度降至 8 以下, 可有效减缓横肋的过度磨损, 同时保证了钢材的弯曲度 4 结论 4. 带肋防偏磨刮腊超高强度抽油杆钢钢中碳含量控制精度在.5% 以内, 非金属夹杂物和钢材表面质量满足用户要求, 其综合性能稳定并优于常规光圆抽油杆用钢 4. 横肋肋槽的月牙形设计, 防止了横肋表面纵向 ψ δ /%,ψ/% δ /%,ψ/%

5 逯登尧等超高强度抽油杆用热轧带肋圆钢 5CrMoA 研制 9 年第 5 期裂纹的产生, 轧制后横肋饱满表面光滑, 横肋高度符合设计要求 ; 对肋槽定位布置并限制轧辊的直径范围以保证肋间距的措施是有效的 4.3 通过控制终轧温度成品材扭转导卫和辊道上的夹钢以及单槽过钢量等, 横肋和肋槽的过度磨损可以控制 4.4 在轧后不能矫直的情况下, 通过收集温度的控制和上冷床的合理摆放, 使钢材弯曲度 3 mm/m; 成品钢材采用弧形剪刃剪切, 保证了端部质量 4.5 由于抽油杆杆体拉伸试验采用了固定标距, 存 Development of Hot Rolled Ribbed Round Steel Bar 5CrMoA for Ultra-high Strength Oil Sucker Rod LU Deng-yao, LIU Fa-you, YU Zhen-ping (Shandong Shouguang Juneng Special Steel Co., Ltd., Shouguang 67, China) Abstract: Shandong Shouguang Juneng Special Steel Co., Ltd. developed hot rolled ribbed round steel bar 5CrMoA for super-high strength oil sucker rod by adopting electric furnace, ladle furnace, continuous casting and control rolling and designing special pass structure. The controll precision of carbon content was less than.5%; the designing of crescent moon type for transverse rib slot prevented the longitudinal crack on transverse rib surface; the excessive wear of transverse rib was decreased through the controlling of temperature of final rolling, nipping of guarding and rolling path; the flexibility was equaled or less 3 mm/m by control cooling; the round bars were cut by arc-like shearing machine that will bring good end. Through the analysis of percentage elongation after fracture, we think that fixed gauge length does not involve the influence of diameter to the testing result, so, in order to ensure the percentage elongation, the fluctuation of tempering temperature was controlled within 5 degree centigrade, and it is a trial for heat treatment. 在以下问题 :) 在 (88±5) 保温 3 min 水冷, 53~545 保温 4 min 空冷, 可保证钢材的力学性能满足标准要求这样既考虑了强度和塑性指标的合理搭配, 同时又兼顾了淬火和回火过程的时间节奏协调一致, 确保热处理操作稳定实施但回火温度波动范围控制在 5 以内对热处理操作是一个考验 ) 抽油杆杆体拉伸试验采用了固定标距, 未考虑规格的变化对测试结果的影响, 未保持 L = d 的关系, 这种评价原材料的方法是不合理的 Key words: steel bars for sucker rod; 5CrMoA; transverse rib; carbon content control; percentage elongation after fracture ( 上接第 5 页 ) 统供配水管网的全流程监视, 提高了化等 ; 平台化管理, 实现了水资源的提水量消耗水系统平衡的快速性, 同时具有了考核监督的手段, 减少了跑冒滴漏现象 ; 生产厂区域所有泵站的重要设备的实时监视, 为生产调度运行提供了强有力支持 ; 与 ERP 数据交换, 提高了企业能源综合管理水平水资源基础能源管理的有序性和规范量外排量的平衡输配和整体优化, 节能减排和环境保护效益显著通过对济钢水系统的提取转化和使用的集中监控, 统一调度, 实现了水资源的科学管理优化控制, 达到提高能源利用效率, 节能降耗的目的 Development and Application of the Centralized Management and Dispatching System for Water Resources in Metallurgical Enterprise WANG Ning, MIAO Qing, WANG Wei (The Automation Department of Jinan Iron and Steel Group Corporation, Jinan 5, China) Abstract: In order to resolve the problems existed in Jinan Steel s water source system such as wide collection range, more and dispersive areas, the more kinds of pump station controller and complex connection, through increasing check points for the flow and pressure of new water, soft water and circulating water pipe networks, setting some RTU controllers and building some data collection of field level and communication stations, the centralized management and dispatching system for water resources was developed. It realized many functions, such as the data collection, dispatching and management, decision and optimization, and alarm of water system, and achieved centralized management and dispatching integration of the water sources. Key words: water source; centralized management; dispatching management 57

mm 5 1 Tab 1 Chemical composition of PSB830 finishing rolled rebars % C Si Mn P S V 0 38 ~ 1 50 ~ 0 80 ~ ~

mm 5 1 Tab 1 Chemical composition of PSB830 finishing rolled rebars % C Si Mn P S V 0 38 ~ 1 50 ~ 0 80 ~ ~ PSB830 365000 32 mm PSB830 PSB830 TG 335 64 A Productive Practition of PSB830 Finishing Rolled Rebars PAN Jianzhou Bar Steel Rolling Minguang Co Ltd of Fujian Sansteel Sanming 365000 China Abstract High