分享：80KSI-9Cr马氏体不锈钢管短流程生产工艺研发

随着较易开采油气田资源减少，人们开始转向高温高压高矿化度高腐蚀性恶劣条件的油气田开采，普通碳钢管材已不能满足使用要求，据文献报道因腐蚀导致的油气井停产、报废事故很多，造成了很大的经济损失。双相钢和镍基合金等高合金性能优异，但是价格昂贵，而9Cr通过热处理后具备优异的力学性能和耐腐蚀性能，且经济型好，广泛用于石油机械装备和管材的生产领域，有着很好的发展前景[1−4]。9Cr钢具有良好的耐CO2腐蚀性，且韧性优异，非常适合用于高温高CO2分压和微量H2S含量的腐蚀性环境中，综合性能优于普通L80-13Cr，目前成为油气田开采环境用钢的主要材料[5−9]。目前9Cr钢管成熟的生产工艺是：铸锭—锻坯—坯料内外加工—热穿孔成型—调质处理，此工艺包括锻造工序，切除冒口，能耗高且成材率低。用连铸坯+热挤压成型工艺生产9Cr无缝管是新工艺，目前国内外文献还没有报道，新工艺避免了锻造工序，可以大大提高成材率，降低能耗和资源。本文以?150 mm×40 mm的9Cr钢管为研究对象，研究通过63 MN卧式挤压机将连铸坯挤压成钢管，然后调质处理。对坯料组织、钢管组织、晶粒度和力学性能进行检测分析，为连铸坯直接挤压生产马氏体钢管工业化生产提供基础技术数据。

1.   实验材料、工艺路线和检测方法

1.1   实验材料

采用60 t电弧炉+LF炉外精炼+VD真空脱气+连铸的生产流程，工艺先进、质量优良，以废钢为原料，电弧炉熔炼结出钢水温度不低于1630 °C，炉外精炼的温度不低于1620 °C，真空脱气处理采用真空炉，真空度不大于67 Pa，连铸坯凝固后及时850 °C退火处理，释放应力和降低硬度。连铸坯外径380 mm，机加工到外径364 mm内径80 mm长度850 mm的空心坯料。在63 MN卧式挤压机上的挤压成型，钢管尺寸是?150 mm×40 mm，化学成分见表1。

1.2   实验工艺路线

实验的工艺路线如下：电弧炉冶炼—连铸坯—软化退火—坯料分切—内镗外车—加工端面—感应炉加热—玻璃粉润滑内外表面—热挤压—堆垛环冷—调质处理—超声波无损探伤—组织、性能检测。

1.3   组织和力学性能检测

试样组织腐蚀剂是王水，晶粒度检测标准是ASTM E112—2012，高温铁素体检测标准是YB/T4402—2014，所用显微镜型号是德国蔡司Axio Imager A2m。力学性能检测取样位置在调质后钢管壁厚的1/2处，拉伸试样方向是纵向，检测标准是ASTM A370—2017，冲击功试样方向是横向，检测温度是−10 °C，检测标准是ASTM E23—2018，洛氏硬度在钢管横截面进行检测，检测标准是ASTM E18—2018。

2.   实验过程和结果分析

2.1   9Cr连铸坯的显微情况

由于连铸坯存在疏松和中心裂纹，取样时避开这些区域，在9Cr连铸坯横截面靠近半径的1/4和1/2处取组织样，图1是9Cr连铸坯料退火后放大100倍和500倍的显微组织照片。

图1可以看出，9Cr连铸坯的组织比较粗大，整体呈板条状分布，晶界处富集较多碳化物颗粒，组织不均匀，这是因为坯料浇注后直径较大，凝固冷却散热速度比较慢，元素形成聚集、偏析，晶粒充分长大。坯料中心最后凝固，对两侧金属起到补缩作用，聚集夹杂、气孔、偏析、缩孔等缺陷，经过实际测量，直径380 mm的连铸坯中心缺陷的直径范围约40~60 mm。因此只要加工出直径大于60 mm的内孔，理论上就可以把坯料铸造缺陷去掉。本研究挤压前先把坯料加工出尺寸80 mm的内孔，再车掉外表面的氧化皮、平端面、加工喇叭口，达到挤压用坯料的质量要求。热挤压工艺是金属材料在三向压应力作用下成形，金属受到高温高压的作用，晶间微小裂纹、缩松等缺陷会被焊合，比较适合低塑性高合金材质的塑性变形。

2.2   钢管热挤压成形模具结构示意图

图2是钢管挤压成形的模具组装结构示意图。在挤出方向的坯料前面设置挤压模和润滑用玻璃垫，坯料后面是挤压垫，挤压垫后面是挤压杆。首先给坯料加热，然后内外涂上玻璃粉，通过传输装置装进挤压筒，挤压杆推动挤压垫和坯料向前移动到挤压模的前端，同时芯棒穿入坯料内部。坯料前端接触到紧贴挤压模的玻璃垫后，挤压杆继续向前推动，通过挤压垫对坯料施压，先使坯料墩粗变形，消除坯料外圆与挤压筒内壁的间隙以及坯料内表面与芯棒的间隙，然后高温金属被挤压进入挤压模与芯棒组成的环形孔腔而变成钢管。待挤压杆前进到限位停止处时，挤压过程结束，挤压筒内留下25~50 mm没有压完的坯料。然后挤压筒锁紧状态的开关打开，挤压筒后撤，同时把坯料压余、挤压垫、挤压杆一起后撤，将坯料压余从成品上用热据切掉，钢管从挤压机出口方向输送到冷床，进行下一个循环。

2.3   9Cr钢管挤压成型工艺参数和表面质量

9Cr连铸坯加工到尺寸为?364 mm/?80 mm×850 mm的挤压用坯料，头部外圆处加工R30 mm的圆角，修磨抛光表面质量，表面粗糙度不大于3.2 μm，去除坯料表面油污和划伤；将坯料在感应炉中直接加热，900 °C以下用低功率加热，然后用高功率快速加热到外表面1160~1190 °C，内孔温度加热到1140 °C以上；然后用玻璃粉润滑剂涂覆坯料的内外表面，形成熔融状态的薄膜，隔开金属与挤压模具；送入挤压筒，挤压筒内径435 mm长度1500 mm，挤压模内径154 mm，芯棒直径69.5 mm长度1500 mm，每一支管子挤压前修磨清理挤压模具，挤压速度200~300 mm/s，理论设计挤压比约7，在挤压筒、挤压模和芯棒组成的环形孔腔里，挤压出规格?150 mm×40 mm钢管，挤压后堆垛空冷。然后依据标准ASTM E213—2014，对挤压后的9Cr管超声波无损探伤，同时进行表面质量目视检查，检测结果表明：挤压管表面平整，无折叠、无裂纹，表面质量达到了锻坯生产管子的水平。

2.4   9Cr钢管热处理工艺参数和性能检测

9Cr合金质量分数超过10%，属于高合金钢，淬透性好，空冷条件下就可以实现马氏体的转变。鉴于本研究钢管的厚壁较大，材料奥氏体化后蓄含的能量较多，为加快淬火冷速，采用油作为淬火冷却介质。对2个炉号的9Cr挤压管进行热处理实验，热处理工艺设计为：淬火加热温度980 °C，加热160 min，油冷；回火700 °C，加热240 min，空冷，出炉后吹风快速冷却，利于避免回火脆性，稳定组织，提高冲击性能。

由表2可以看出，9Cr钢管调质处理后，抗拉强度Rm 751~779 MPa，屈服强度Rt0.5616~649 MPa，硬度值HRC 19.5~21.6，伸长率23%~26%，平均冲击功都在100 J以上，强度、硬度和韧性都满足API SPEC 5CT技术规范指标要求。这表明，9Cr连铸坯加热到高温后，在挤压筒、芯棒和挤压模等模具的作用下，经过了大的挤压比变形，粗大铸态组织压缩变形、充分破碎，再结晶形成了细小等轴晶，消除了偏析，经过随后的调质处理，形成细小板条马氏体，碳化物颗粒均匀分布，获得了强度和韧性同时兼备的综合性能。

2.5   9Cr钢管晶粒度和组织情况

对调质后的9Cr钢管取样，观察晶粒度和微观组织。由于挤压变形存在钢管头部变形量小，特别是最先挤出的金属保留了铸态组织，同时热处理时钢管头尾散热较快，会影响到管子整体性能的一致性，因此取样前，首先进行切头尾，头部切掉150~200 mm，尾部切掉50~150 mm，图3是钢管头部和尾部的显微组织和晶粒度照片，试样位置是壁厚的1/2处。

图3可以看出，连铸坯经过大挤压比塑性变形成钢管后，材料受到高温高压作用，微观缩松等缺陷被焊合，铸态粗大组织已完全破碎，再结晶，调质后板条组织间距小，马氏体致密，细小等轴晶均匀分布，晶粒平均尺寸约20 μm，晶粒度8.0级。显微组织主要是低碳回火马氏体，碳化物在长时间回火中析出成颗粒状，在铁素体基体上均匀分布，保证了高强度和高韧性的良好匹配。从显微组织检测看，9Cr马氏体不锈钢中基本不存在明显的高温铁素体，这表明在钢管成形和热处理过程中，化学元素得到了充分扩散，不同区域成分变得一致，减小了成分偏析，头部和尾部的组织一致，没有区别，提高了组织均匀性。

3.   结束语

（1）9Cr连铸坯的组织比较粗大，整体呈板条状分布，组织不均匀。坯料中心最后凝固，对两侧金属起到补缩作用，直径380 mm的连铸坯中心缺陷的直径范围约40~60 mm。

（2）9Cr连铸坯+热挤压工艺挤压出规格?150 mm×40 mm的钢管，挤压过程顺利，经过超声波无损探伤和表面质量目视检查，挤压管表面平整，无折叠、无裂纹，表面质量合格。

（3）9Cr挤压管经过980 °C×160 min油冷+700 °C×240 min空冷的调质处理，抗拉强度751~779 MPa，屈服强度616~649 MPa，伸长率23%~26%，硬度HRC 19.5~21.6，−10 °C横向平均冲击功106~139 J，满足标准API SPEC 5CT—2010的要求。

（4）连铸坯挤压管9Cr调质组织显示，经热挤压高温高压作用，微观缩松等缺陷被焊合，铸态粗大组织完全破碎，调质组织致密，晶粒平均尺寸约20 μm，晶粒度达8.0级，合格。

文章来源——金属世界