董孟憲，楊小青，劉玉愛(ài)，郭鵬

1.山東廣富集團(tuán)有限公司技術(shù)處 山東濱州 256217

2.豫西集團(tuán)河南江河機(jī)械有限責(zé)任公司 河南平頂山 467337

1 序言

37Mn5鋼管執(zhí)行美國(guó)石油協(xié)會(huì)API SPECT 5CT套管和油管標(biāo)準(zhǔn)，常用為J55鋼級(jí)。在鋼管生產(chǎn)中，內(nèi)壁區(qū)分層問(wèn)題經(jīng)常出現(xiàn)，但又無(wú)法根除，主要問(wèn)題為專業(yè)分立、原因分析不到位，解決措施不力。一些層薄、量少的缺陷可以進(jìn)行修磨使用，其他情況只能報(bào)廢，損失是極大的。一些文獻(xiàn)稱為“內(nèi)鼓包”，而按照李群等著《鋼管生產(chǎn)》的描述，其特征為：鋼管內(nèi)表面呈現(xiàn)有規(guī)律的凸超且外表面沒(méi)有損傷，產(chǎn)生原因?yàn)檫B軋輥修磨量過(guò)大或掉肉等，這種鼓包與內(nèi)壁分層缺陷不符。參照API 5T1《缺欠術(shù)語(yǔ)》的定義應(yīng)為分層。本文分析了分層缺陷的產(chǎn)生原因，并提出了改進(jìn)措施。

2 宏觀分析

某次質(zhì)量異議，多批次圓鋼生產(chǎn)的毛管在定徑、減徑后出現(xiàn)分層，特征為：在內(nèi)表面的某一區(qū)域較集中分布，呈軸向鼓包狀，個(gè)別破裂為翹皮，缺陷發(fā)生率達(dá)2.04%，如圖1所示。

圖1 缺陷實(shí)物形貌

3 缺陷檢測(cè)分析

3.1 淺層分層分析

在缺陷區(qū)橫向取樣，分別作光學(xué)金相和冷場(chǎng)掃描電鏡（日立S－4300）顯微圖像分析，在缺陷區(qū)兩側(cè)的窄縫內(nèi)及其延長(zhǎng)線上均有斷續(xù)分布的夾雜物，用EDAX能譜分析儀對(duì)夾雜物進(jìn)行微區(qū)成分的半定量分析，主要為Ca、O、Al、Mg、Si等元素的復(fù)合氧化物，其中Fe元素的波峰均較高，界面有氧化，如圖2、圖3所示。

圖2 鼓包區(qū)附近的夾雜物

圖3 破口區(qū)電鏡形貌

3.2 深層分層分析

在遠(yuǎn)離內(nèi)表面的深層區(qū)發(fā)現(xiàn)一條由夾雜帶形成的分層，能譜分析結(jié)果為氧化鋁，如圖4中箭頭所示。

圖4 大型氧化鋁夾雜物

4 分層原因的綜合分析

4.1 分層在鋼管生產(chǎn)中的產(chǎn)生機(jī)理

用戶的基本生產(chǎn)工藝為： 鋸切下料（φ80m m×1.8m）→環(huán)形火焰爐加熱→二輥斜軋穿孔→限動(dòng)芯棒連軋減壁→感應(yīng)加熱→定減徑……。

圖5 穿管過(guò)程

用戶穿管過(guò)程如圖5所示，頂頭前端的心部金屬，在芯棒頂頭與斜軋輥組合構(gòu)成的空間內(nèi)反復(fù)碾壓、解離成空腔，而后金屬沿頂頭輪廓，以軸向變形為主+橫向變形為輔的方式碾擴(kuò)成孔。在這一過(guò)程中，原軸向分散分布的夾雜物間的距離逐漸縮小，向變形最大的內(nèi)壁區(qū)集中，并有合并的可能，而大型夾雜物則會(huì)沿斜橫向鋪展成一個(gè)時(shí)斷時(shí)續(xù)的薄弱面。在后續(xù)校圓、減薄、減徑中，自外而內(nèi)依次收縮，內(nèi)壁區(qū)含夾雜帶的夾層因不能隨本體同步縮減而離解，大而薄的分層因內(nèi)層進(jìn)一步收縮而鼓起、擠破，也因薄層快冷而呈變形形態(tài)，界面脫碳不明顯。工序減徑比（D原/D新）越大，產(chǎn)生鼓包的數(shù)量越多[1]，夾雜物越大越易于形成鼓包和破口現(xiàn)象。這是毛管進(jìn)一步熱加工中特有的現(xiàn)象，反映了穿管工藝對(duì)穿管用坯（圓坯或圓鋼）的潔凈度有更為嚴(yán)格的要求。

因選分結(jié)晶的影響，連鑄坯的外層比較純凈，心部的偏析、疏松均較嚴(yán)重，而疏松則是最后凝固的低熔點(diǎn)夾雜物和局部補(bǔ)縮不足形成的孔隙的組合體，一定程度的疏松有利于頂頭前端空腔的形成，嚴(yán)重的疏松則有可能形成分層缺陷[2]，通常需要控制中心疏松的級(jí)別≤2.5級(jí)。而鋼中內(nèi)部的大型夾雜物則會(huì)在穿管軋制中匯聚到內(nèi)壁區(qū)，形成分層缺陷，這是不允許存在的缺陷。

4.2 產(chǎn)生分層的煉鋼方面原因

鋼廠生產(chǎn)的主要工藝流程為：轉(zhuǎn)爐冶煉→LF爐精煉→VD脫氣→連鑄（200mm方坯）→加熱→連續(xù)軋制（φ80mm圓鋼），增加VD的目的是為進(jìn)一步脫除鋼液中氣體，提高鋼液的潔凈度。此次出現(xiàn)問(wèn)題的爐次為試用新VD爐期間生產(chǎn)的圓鋼，主要原因發(fā)生在連鑄工序。

分層樣品能譜分析結(jié)果為大型的復(fù)合夾雜物或氧化鋁夾雜，主要原因與包襯卷渣、保護(hù)澆注不良及吸氧有關(guān)。對(duì)同時(shí)期出問(wèn)題爐次的生產(chǎn)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表1。

大型復(fù)合夾雜物含有Mg元素，MgO的來(lái)源為精煉工序用大包的鎂碳磚或連鑄中間包包襯的涂抹料，大包脫落形成的含Mg渣塊物因密度小、流程時(shí)間長(zhǎng)而很容易上浮，唯有鋼液沖刷中間包涂抹料形成分散的顆粒才有可能卷入結(jié)晶器的鋼液中，并與Ca2+、Al3+離子反應(yīng)生成復(fù)合夾雜物，在內(nèi)弧區(qū)聚集形成卷渣。

表1 生產(chǎn)問(wèn)題爐次統(tǒng)計(jì)

鋁鎮(zhèn)靜鋼中的大型氧化鋁夾雜物屬于外來(lái)夾雜物，主要為連鑄工序的保護(hù)澆注不良，鋼液中氧化鋁微粒在澆口結(jié)瘤、脫落所致。

4.3 質(zhì)量檢驗(yàn)方面的原因

成品檢驗(yàn)是圓鋼出廠前最后一次的把關(guān)檢驗(yàn)，對(duì)大型夾雜物的漏檢負(fù)有不可推卸的責(zé)任。依據(jù)GB/T 10561—2005的規(guī)定，鋼材非金屬夾雜物的取樣部位為1/2半徑區(qū)，兩支圓鋼各取一個(gè)10mm（徑向）×20mm（軸向）的截面，未必能取到異常夾雜物，即使非金屬夾雜物檢測(cè)結(jié)果水平很低，也只能代表冶煉水平，不能代表圓鋼的整體質(zhì)量水平。而低倍檢驗(yàn)的檢測(cè)面積大，代表性強(qiáng)，是十分重要的檢驗(yàn)手段。大型夾雜物主要在方坯或圓鋼低倍中檢測(cè)，稱為“宏觀夾雜”。但往往因大生產(chǎn)檢驗(yàn)（常規(guī)檢驗(yàn)坯材的品種多、數(shù)量大），樣面加工粗糙，多品種一起腐蝕程度不一，以及后續(xù)處理不當(dāng)?shù)仍颍^集中的夾雜易于發(fā)現(xiàn)，分散的則易于漏檢。另外，對(duì)于針對(duì)性取樣的問(wèn)題，生產(chǎn)車(chē)間需有異常質(zhì)量意識(shí)，如中間包使用新包、中后期或其液面降至警戒線（約100mm）、拉速異常等情況時(shí)，應(yīng)隔離方坯且取樣檢驗(yàn)合格后歸隊(duì)。因此，低倍加工、檢驗(yàn)需重點(diǎn)進(jìn)行整頓，必要時(shí)加大低倍的檢驗(yàn)數(shù)量，關(guān)鍵還是車(chē)間重視異常區(qū)段的取樣。

4.4 質(zhì)量合同方面的原因

許多鋼管生產(chǎn)廠不太重視采購(gòu)鋼材質(zhì)量合同的作用，往往只簽訂采購(gòu)合同，而質(zhì)量要求見(jiàn)相關(guān)產(chǎn)品驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。37Mn5鋼管產(chǎn)品執(zhí)行美國(guó)API SPECT 5CT標(biāo)準(zhǔn)，而37Mn5鋼管用坯為常用連鑄圓管坯或軋制的圓鋼，鋼廠需轉(zhuǎn)化為企業(yè)的內(nèi)控生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。作為多年的鋼管企業(yè)，應(yīng)加強(qiáng)研究，除常規(guī)要求外，還應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注事關(guān)鋼管成形、組織和性能等方面的內(nèi)容，比如疏松、夾雜、表面裂紋等要求，訂立一個(gè)合理的特殊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，是對(duì)鋼材生產(chǎn)企業(yè)的一個(gè)重點(diǎn)要求，也是一種對(duì)雙方負(fù)責(zé)任的態(tài)度。管坯進(jìn)廠驗(yàn)收也有依據(jù)，不合格時(shí)及時(shí)退貨。畢竟，出現(xiàn)質(zhì)量事故后的賠付是被動(dòng)的、有限的。

5 改進(jìn)措施

針對(duì)以上問(wèn)題，特制定以下解決措施：

1）制訂中間包砌筑質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)過(guò)程管控，禁止用新包生產(chǎn)高端鋼種，合理安排前5爐生產(chǎn)相近成分的低端鋼，中間包生產(chǎn)高端鋼控制在12h之內(nèi)。

2）大型氧化鋁夾雜物的產(chǎn)生原因是多方面的，需多工序協(xié)調(diào)改進(jìn)：①轉(zhuǎn)爐吹煉終碳過(guò)低、鋼液過(guò)氧化，應(yīng)控制終碳含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）≥0.15%。②精煉工序[Als]/[Alt]、[Ca]/[Als]控制不當(dāng)，精煉后期補(bǔ)鋁、軟吹時(shí)間不足等。鋁鎮(zhèn)靜鋼的[Ca]/[Al]＞0.1～0.15時(shí)，生成的夾雜物主要為低熔點(diǎn)的12CaO·7Al2O3，大大改善鋼液的流動(dòng)性，可完全避免澆口結(jié)瘤[3]。精煉工序應(yīng)控制[Als]/[Alt]＞0.90、[Ca]/[Als]＞0.10，確保鋼液脫氧效果，降低鋼液自由氧。③連鑄保護(hù)澆注，提高鋼包、澆口的密封性能，將鋼包澆口氬封的氬氣流量增加到5m3/h，保證氬氣站供氣壓力穩(wěn)定，有效地避免了澆注過(guò)程鋼包澆口與長(zhǎng)澆口連接處鋼液吸氣和二次氧化。其他如中間包雙渣保護(hù)、塞棒吹氬流量等不變。

這些因素中常見(jiàn)的是保護(hù)澆注不良、大包“燒眼”問(wèn)題，應(yīng)力求避免。

3）當(dāng)班各工序作業(yè)長(zhǎng)為第一質(zhì)量責(zé)任人，尤其是連鑄作業(yè)長(zhǎng)，總體負(fù)責(zé)保護(hù)澆注等改進(jìn)措施落實(shí)到位，異常坯的隔離及取樣安排。技術(shù)人員負(fù)責(zé)監(jiān)督和協(xié)同處理異常情況。

4）規(guī)范低倍加工、檢測(cè)質(zhì)量，高端鋼種加取異常區(qū)段低倍試樣，強(qiáng)化對(duì)宏觀夾雜的檢測(cè)和評(píng)估，出現(xiàn)漏取、漏檢情況將加倍考核。

以上措施實(shí)施以來(lái)，鋼材質(zhì)量明顯改善，未再出現(xiàn)類似的質(zhì)量事故。