37Mn5鋼管內壁分層缺陷分析與改進

董孟憲，楊小青，劉玉愛，郭鵬

1.山東廣富集團有限公司技術處 山東濱州 256217

2.豫西集團河南江河機械有限責任公司 河南平頂山 467337

1 序言

37Mn5鋼管執行美國石油協會API SPECT 5CT套管和油管標準，常用為J55鋼級。在鋼管生產中，內壁區分層問題經常出現，但又無法根除，主要問題為專業分立、原因分析不到位，解決措施不力。一些層薄、量少的缺陷可以進行修磨使用，其他情況只能報廢，損失是極大的。一些文獻稱為“內鼓包”，而按照李群等著《鋼管生產》的描述，其特征為：鋼管內表面呈現有規律的凸超且外表面沒有損傷，產生原因為連軋輥修磨量過大或掉肉等，這種鼓包與內壁分層缺陷不符。參照API 5T1《缺欠術語》的定義應為分層。本文分析了分層缺陷的產生原因，并提出了改進措施。

2 宏觀分析

某次質量異議，多批次圓鋼生產的毛管在定徑、減徑后出現分層，特征為：在內表面的某一區域較集中分布，呈軸向鼓包狀，個別破裂為翹皮，缺陷發生率達2.04%，如圖1所示。

圖1 缺陷實物形貌

3 缺陷檢測分析

3.1 淺層分層分析

在缺陷區橫向取樣，分別作光學金相和冷場掃描電鏡（日立S－4300）顯微圖像分析，在缺陷區兩側的窄縫內及其延長線上均有斷續分布的夾雜物，用EDAX能譜分析儀對夾雜物進行微區成分的半定量分析，主要為Ca、O、Al、Mg、Si等元素的復合氧化物，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 鼓包區附近的夾雜物

圖3 破口區電鏡形貌

3.2 深層分層分析

在遠離內表面的深層區發現一條由夾雜帶形成的分層，能譜分析結果為氧化鋁，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 分層在鋼管生產中的產生機理

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

圖5 穿管過程

用戶穿管過程如圖5所示，頂頭前端的心部金屬，在芯棒頂頭與斜軋輥組合構成的空間內反復碾壓、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成孔。在這一過程中，原軸向分散分布的夾雜物間的距離逐漸縮小，向變形最大的內壁區集中，并有合并的可能，而大型夾雜物則會沿斜橫向鋪展成一個時斷時續的薄弱面。在后續校圓、減薄、減徑中，自外而內依次收縮，內壁區含夾雜帶的夾層因不能隨本體同步縮減而離解，大而薄的分層因內層進一步收縮而鼓起、擠破，也因薄層快冷而呈變形形態，界面脫碳不明顯。工序減徑比（D原/D新）越大，產生鼓包的數量越多[1]，夾雜物越大越易于形成鼓包和破口現象。這是毛管進一步熱加工中特有的現象，反映了穿管工藝對穿管用坯（圓坯或圓鋼）的潔凈度有更為嚴格的要求。

因選分結晶的影響，連鑄坯的外層比較純凈，心部的偏析、疏松均較嚴重，而疏松則是最后凝固的低熔點夾雜物和局部補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別≤2.5級。而鋼中內部的大型夾雜物則會在穿管軋制中匯聚到內壁區，形成分層缺陷，這是不允許存在的缺陷。

4.2 產生分層的煉鋼方面原因

鋼廠生產的主要工藝流程為：轉爐冶煉→LF爐精煉→VD脫氣→連鑄（200mm方坯）→加熱→連續軋制（φ80mm圓鋼），增加VD的目的是為進一步脫除鋼液中氣體，提高鋼液的潔凈度。此次出現問題的爐次為試用新VD爐期間生產的圓鋼，主要原因發生在連鑄工序。

分層樣品能譜分析結果為大型的復合夾雜物或氧化鋁夾雜，主要原因與包襯卷渣、保護澆注不良及吸氧有關。對同時期出問題爐次的生產情況進行統計，結果見表1。

大型復合夾雜物含有Mg元素，MgO的來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、流程時間長而很容易上浮，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晶器的鋼液中，并與Ca2+、Al3+離子反應生成復合夾雜物，在內弧區聚集形成卷渣。

表1 生產問題爐次統計

鋁鎮靜鋼中的大型氧化鋁夾雜物屬于外來夾雜物，主要為連鑄工序的保護澆注不良，鋼液中氧化鋁微粒在澆口結瘤、脫落所致。

4.3 質量檢驗方面的原因

成品檢驗是圓鋼出廠前最后一次的把關檢驗，對大型夾雜物的漏檢負有不可推卸的責任。依據GB/T 10561—2005的規定，鋼材非金屬夾雜物的取樣部位為1/2半徑區，兩支圓鋼各取一個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結果水平很低，也只能代表冶煉水平，不能代表圓鋼的整體質量水平。而低倍檢驗的檢測面積大，代表性強，是十分重要的檢驗手段。大型夾雜物主要在方坯或圓鋼低倍中檢測，稱為“宏觀夾雜”。但往往因大生產檢驗（常規檢驗坯材的品種多、數量大），樣面加工粗糙，多品種一起腐蝕程度不一，以及后續處理不當等原因，較集中的夾雜易于發現，分散的則易于漏檢。另外，對于針對性取樣的問題，生產車間需有異常質量意識，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，應隔離方坯且取樣檢驗合格后歸隊。因此，低倍加工、檢驗需重點進行整頓，必要時加大低倍的檢驗數量，關鍵還是車間重視異常區段的取樣。

4.4 質量合同方面的原因

許多鋼管生產廠不太重視采購鋼材質量合同的作用，往往只簽訂采購合同，而質量要求見相關產品驗收標準。37Mn5鋼管產品執行美國API SPECT 5CT標準，而37Mn5鋼管用坯為常用連鑄圓管坯或軋制的圓鋼，鋼廠需轉化為企業的內控生產標準。作為多年的鋼管企業，應加強研究，除常規要求外，還應重點關注事關鋼管成形、組織和性能等方面的內容，比如疏松、夾雜、表面裂紋等要求，訂立一個合理的特殊協議標準，是對鋼材生產企業的一個重點要求，也是一種對雙方負責任的態度。管坯進廠驗收也有依據，不合格時及時退貨。畢竟，出現質量事故后的賠付是被動的、有限的。

5 改進措施

針對以上問題，特制定以下解決措施：

1）制訂中間包砌筑質量標準，加強過程管控，禁止用新包生產高端鋼種，合理安排前5爐生產相近成分的低端鋼，中間包生產高端鋼控制在12h之內。

2）大型氧化鋁夾雜物的產生原因是多方面的，需多工序協調改進：①轉爐吹煉終碳過低、鋼液過氧化，應控制終碳含量（質量分數）≥0.15%。②精煉工序[Als]/[Alt]、[Ca]/[Als]控制不當，精煉后期補鋁、軟吹時間不足等。鋁鎮靜鋼的[Ca]/[Al]＞0.1～0.15時，生成的夾雜物主要為低熔點的12CaO·7Al2O3，大大改善鋼液的流動性，可完全避免澆口結瘤[3]。精煉工序應控制[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定，有效地避免了澆注過程鋼包澆口與長澆口連接處鋼液吸氣和二次氧化。其他如中間包雙渣保護、塞棒吹氬流量等不變。

這些因素中常見的是保護澆注不良、大包“燒眼”問題，應力求避免。

3）當班各工序作業長為第一質量責任人，尤其是連鑄作業長，總體負責保護澆注等改進措施落實到位，異常坯的隔離及取樣安排。技術人員負責監督和協同處理異常情況。

4）規范低倍加工、檢測質量，高端鋼種加取異常區段低倍試樣，強化對宏觀夾雜的檢測和評估，出現漏取、漏檢情況將加倍考核。

以上措施實施以來，鋼材質量明顯改善，未再出現類似的質量事故。