摘 要

为了适应我 国增加原油地质储量和满足新疆塔里木盆地沙漠 、海洋及与国外合作等深层石油勘探开发的需要 ，国内外市场对各种深井和超深井用抽油杆将有广泛的需求。特别是我国东部油田的开采现已步人后期 ，深井、超深井、含蜡井对抽 油 杆 的 强 度、韧 性 要 求 更 高 ，而 原 有20CrM o 等 D 级抽油杆因达不 到要求将被超高强度抽油杆替代。超高强度 (H 级 ) 抽油杆 用于重 、超 重负荷 的抽 油井 (如稠 油井 、深井 和大泵强采井等) 是我国油 田急需的特种油杆。高性价 比且性能稳定 的超高强度抽油杆用热轧圆钢目前 国内外市场供应还是空白。超高强度抽油杆目前国内市场需求量为1500万 m／a，核算为超高强度抽油杆用钢约为 5 万 t／ a。如果再加上出口，需求量将会更大。SY ／ T5029-2006 《 抽油杆》 中超高强度抽 油杆的 主要 力学 性 能为 抗 拉强 度 为 965 —1195MPa，延伸率 6200≥10％ ，面缩率 ≥45％ ，冲击功 A KU2t > 60 J。疲劳强度，循环周次大于 1 ×10 。H 级抽 油杆用钢要求为冶炼质量要求洁净度较 高、化学成 分的波 动范 围较小 ；强度高 ，有一定 的综合力学性能 、抗疲劳性能和抗腐蚀疲劳性能；经济性好，价格合理。首钢结合市场根据超高强度抽油杆用钢的需求 ，经过近一年的试验研究 ，开发了一种高性价比的新型超高强度抽油 杆用贝氏体钢 (SSYH-1钢) ，于 2007 年 5 月实现工 业试制 ，且规格 为19 ，22 ，25mm的SSYH-1钢共供货 160 t。技术协议要求经过适当热处理的 SSY H 一 1 钢 的屈服强度 不 小 于 795 M Pa、抗 拉 强度不小于965MPa、伸长率6不小于 15％、断面收缩率不小于 45％ 、室温U型缺 口冲击功不小于60 J。

1 轧制工艺的确定

轧材贝氏体组织细化的关键在于细化相变前的奥氏体晶粒 ，因为贝氏体钢解理断裂面的有效尺寸直接依赖于原奥氏体晶粒尺寸。细化奥氏体晶粒的有效方法是控 制轧制及轧后的冷却速度。为了制订新钢种的轧制工艺 ，进行了热模拟试验，摸索热变形和轧后冷却过程中奥氏体晶粒 的长大趋势，为工业生产制订工艺参数提供技术依据。

1． 1 轧制过程的模拟

实验在Gleeble．2000热模拟试验机上进行 。将试样以 30℃／s的速度加热到1150℃ ，保温5 m in，然后以 10℃／s的速度冷却到变形温度 ，变形温度 分别 为 850 ，900 ，950 ，1 000 ，1 050℃。第一道次变形量为 60％、变形速率为 20 s～，变形间隙保温时间为 1，5 ，10 ，20 ，50 s；第二道次变形 量为 20％ ，变形速率 为 10 s～，变 形后立即淬火 。淬火试样用苦味酸溶液腐蚀后 ，用光学显微镜观察奥氏体晶粒 。SSYH 一1钢热变形过程 中变形量为 60％的静态再结晶软化率如图1所示。

由图1可知，850—900℃ 为未再结晶区，1000℃以上为再结晶区。不同变形温度双道次变形后奥氏体晶粒情况见2所示。道次间隔时间为1S。

由图 2 可知 ，900 ℃未再结晶区变形后 ，奥氏体 晶粒 由于变形积累 ，晶粒被压扁变形 ，形成了形变带 ；950 ℃ 变形后 ，由于奥氏体晶粒发生部分再结 晶 ，出现混 晶，1 000 ，1 050 ℃ 变形后 ，奥氏体 晶粒 完全 再结 晶。如 1 000~ C 变形后，奥氏体晶粒大小为 9．4 um 。因此 ，终轧阶段在未再结晶区控制轧制 ，奥氏体晶粒内产生大量的位错亚结构和形变带 ，使奥 氏体 向贝氏体转变时具有大量形核点 ，细化 了贝氏体组织 ，抑制 了贝氏体铁素体针的长大 。1． 2 轧后冷却模拟SSY H—1 钢为贝氏体钢 ，相变温度较低 ，终轧后至相变前的过程中奥氏体晶粒的长大趋势将决定贝氏体组织 的细化情况 。将试样 以 30℃／s速度加热到 1 150℃，保温5 m in ，然后以10℃／s冷却到开轧温度 1 000℃，进行变形量60％ ，变形速率为 20 S～，5 S 冷却 到终轧温度800 ，850 ，900 ，950℃变形量为 30％ ，以 3℃／s 分别冷却0，3，10，30，60S后淬火，用光学显微镜观察奥 氏体 晶粒。图 3 为不 同变形温度变形后冷却过程中晶粒长大趋势。

由图3可知 ，变形后相变前冷却过程中奥氏体晶粒的长大趋势随着终轧温度的降低而减缓终轧 ，温度越低奥 氏体 晶粒越 细小。800 ，850 ， 900 ，950 ℃变形后 10 s，奥 氏体 晶粒大小 分别为 19 ，13 ，11，9． 4 I xm 。奥氏体 晶粒在变形后 3S 内晶粒长 大趋 势明显 ，3s后晶粒 长大趋势减慢，10S时晶粒长大停止。综上所述，结合首钢精棒车间的设备情况，控制终轧温度 850 —900 ℃，轧后空冷 。

2 工业试制

SSY H -1 圆钢的生产工艺为铁水包脱硫一转炉炼钢一LF 炉精炼一连铸一棒材连轧。

(1) 转炉炼钢。炼钢厂采用 80 t 氧气顶 吹转炉冶炼， 并通过双渣法脱磷，吹炼终点使用铝合金脱氧，高碱度合成渣洗渣，最后进行合金化 ；

(2 ) LF 炉精炼。钢包到 LF 炉工位 后进行底吹氩气对钢液进行搅拌 ，使成分均匀 ，并加铝粒脱氧；之后造高碱度渣脱硫 ，分批加入电石和铝粒 ，渣面扩散脱 氧促进脱硫 效果 ，避免使 用si． Fe 粉 ，确保 白渣 的保持 时间及 软吹时间 ，以保证夹杂物充分上浮、获得洁净钢 ；一精炼过程中微调各元素成分至最佳值，并调整温度保证连续生产 ；

(3) 连铸。钢包 采用带 氩封长水 口，中间包采用整体式水口，实现全程保护浇注；过热度控制在 20 — 30℃；保持拉速稳定 ；采用结 晶器电磁搅拌来改善铸坯 内部质量；二冷 自动配水冷却。因 SSYH—1 钢合金含量高 ，故连铸坯 下冷床后人缓冷坑缓冷，充分释放材 中的氢气 ；

(4 ) 棒材连轧。SSY H -1 钢合金含量高 ，需适当提高加热温度 ；为确保轧材综合强韧性 ，采用控制轧制工艺并轧后空冷。

3 试制结果与讨论

3． 1 夹杂与低倍

SSY H -1钢材金相检验结果见表1，低倍检验结果见表2。

由表 1 ，2 可见 ，SSYH—1 钢材金相夹杂物和低倍达到 了抽油杆用热轧圆钢YB／T054-94 标准要求 。

3． 2 金相组织

SSY H—1 钢轧材金相组织见 表3、金相照片见图4 。

由表 3 ， 4 可知 ，由于采用控 制轧制 ，钢材的金相组 织 细小 ，铁 素 体 晶粒 度 达 到 10． 5 一l1． 0 级。西19 m m 规格 SSY H ． 1 钢材 的组织为粒状贝氏体组织。较大规格 ( 22 m m 、 25 r a m ) SSY H ． 1 钢材 的组织主要 为贝氏体 ，同时出现极少量的铁素体。控轧与非控轧 SSY H ． 1 钢材 的金相组织比较见图 5。

由图 5 可见 ，在 工业生产 大变形量条 件下进行控轧 ，粒状贝氏体组织得到明显的细化。粒状 贝氏体是由板条状铁素体和板条间呈方向性分布的马氏体 + 奥 氏体 (M + A ) 小岛组成的。为了获得粒状贝氏体强韧性的良好配合 ，在组织形态上要求小岛弦长较小¨ ，小 岛总量适中，尽可能降低碳含量 ，同时应尽量降低终轧温度。由图 5 可知 ，随着控轧终轧温度的降低 ，贝氏体组织细化，粒状贝氏体小岛的平均弦长减小 ，小岛总量也有降低。

3． 3 力学性能

分别对 SSYH—1钢材进行了调质和非调质热处理工艺条件下的力学性能检验 ，检验结果见表4 ， 5 。

由表 4 ，5 可知，在调质工艺 、非调质工艺条件下 ，钢材的各项力学性能都可满足技术协议要求。

与非调质工艺相 比，调质工艺条件下抗拉强度指标富裕量不大 ，冲击功指标随着终轧温度的降低而有上升趋势。

非调质工艺条件下 ，强度指标保持较高的水平 ，抗拉强度为 1 050 —1 180 M Pa，延伸率最高达到了 20％ 以上 ，面缩率均在 50％以上 ，冲击功更稳定 ，也有较大的富裕量，达到80 —120J。非调质工艺条件下的SSYH一1 钢材表现出优 良的综合强韧塑性。

4 结论

经过试验与开发,我公司第一次试制的SSYH一1杆件用钢,各项性能指标达到了技术条件要求.对于占领市场具有重大意义.