油管包括油井管和油气输送管。石油管材，尤其是高等级石油管材，因其工作环境复杂、多变、恶劣，被誉为钢铁行业皇冠上的明珠。在世界各地，他们的生产企业也是技术最先进、最有声望的钢铁企业。近年来，由于石油供应形势日益严峻，一些腐蚀环境恶劣等恶劣条件的油气田相继投入开发，对油管质量提出了更高的要求。

为了不断满足油管在恶劣环境中的应用要求，国内外油管生产企业进行了积极的研究和探索，不断创新冶炼加工技术，开发新的适用产品。其中，天津钢管集团利用原有的短流程工艺对冶炼和连铸工艺设备进行了不断的技术改造和技术探索，在连铸圆坯质量控制技术方面取得了新的进展，积累了新的经验。在此基础上，开发生产了油井管、高级海底管线管等超高强度、高耐蚀油管用连铸圆坯，满足了油田对油管材料的特殊要求，基本替代了进口产品。

一、连铸圆坯纯净度控制技术

(一)磷控制技术

磷在钢中容易偏析，在铁素体晶界上会出现一层磷化铁薄膜，导致钢的脆性急剧增加，造成板坯出现裂纹，即所谓的“冷脆”现象。因此，高等级管线钢的ω[P]需要降低到100×10-6以下，而对于极寒地区使用的管线钢，为防止“冷脆”，ω[P]甚至需要降低到50×10-6以下。

现代电炉炼钢能有效控制钢中的磷含量。这些控制技术可以概括为:控制入炉原料中的初始磷含量；在冶炼过程中，为脱磷创造了有利的热力学和动力学条件，减少了“回磷”。在实际生产中，由于“低磷原料价格高导致冶炼成本增加”、“现代电弧炉冶炼节奏加快导致脱磷效率下降，回磷倾向严重”等因素，很难生产出ω[p]≤10o×10-6，特别是ω[p]≤50×10-6的钢种。

实践表明:①采用废钢分类收购储存技术，建立废钢源文件，利用分类利用技术，实现废钢入炉可追溯，可有效降低初始磷含量(图1)；②适当的炉底预加脱磷剂技术(图2)可大大提高电炉前期脱磷效率；③出钢前提高炉渣碱度的技术能有效抑制“回磷”。

采用上述工艺后，可生产ω[P]≤7O×10-6的钢种，且生产效率不受影响。

(2)硫的控制技术

硫是钢中最有害的元素之一。钢中的硫、铁和一些其他金属元素形成的低熔点化合物在晶界上偏析和聚集，导致钢的热脆性。此外，硫还降低钢的可焊性，损害钢的耐蚀性，引起钢表面的点蚀，恶化钢的Z向性能，对氢致开裂影响很大。因此，石油套管用钢一般要求ω[s]≤10o×10-6；用于抗H2S套管和高级管线钢的钢要求ω[S]≤5O×10-6，甚至ω[S]≤15×10-6，以使钢具有高的抗氢致开裂(HIC)和应力腐蚀开裂(SSCC)性能。

炉外精炼技术为脱硫提供了多种手段，特别是钢包精炼技术(LF)的应用，使脱硫操作简单快捷，可生产ω[S]≤5O×10-6的低碳(ω[C]≤0.10%)钢种。然而，随着现代电弧炉炼钢步伐的加快，以及进一步降低钢中硫含量的要求，仅靠钢包炉精炼技术很难实现更快、更稳定的脱硫，特别是将低碳钢的ω[S]控制在15×10-6以下。

实践表明，采用钢包炉精炼工艺(RH-MFB)(图3)和CaO-CaF2脱硫喷粉，可将低碳钢快速稳定脱硫至ω[s]≤15×10-6。

(3)氧(非金属夹杂物)控制技术

当钢中氧含量过高时，浇注时氧会随着温度的降低而析出，并与钢中的硅、锰、铝等元素反应生成夹杂物，使钢的综合性能(力学性能、电磁性能、耐腐蚀性能)恶化。还会产生皮下气泡、气孔、气孔等凝固缺陷。抗硫化氢腐蚀的高强度石油套管用钢要求ωt[o]≤15×10-6，非金属夹杂物等级(按{u a ),符合表1的要求；寒冷地区和酸性油气田使用的管线钢要求ωT[O]≤10×10-6。

短流程炼钢工艺控制钢中氧(非金属夹杂物)的主要技术可以概括为:降低电炉初始炼钢水中的氧含量——降低钢中非金属夹杂物的数量；改善动力学和热力学条件，促进脱氧反应——减少钢中非金属夹杂物的数量；使脱氧产物变性——降低钢中非金属夹杂物的“危害性”:严格控制连铸钢水二次氧化，促进夹杂物上浮去除，采用结晶器液位自动控制技术，降低钢中非金属夹杂物含量。

表1石油套管中非金属夹杂物的评级标准

降低电炉初始炼钢水氧含量的脱氧技术有:①电炉钢水碳含量达到要求后，可考虑用非氧气体，如氮气、氮气或二氧化碳气体加热搅拌，避免钢水过氧化；②电炉出钢前，对钢水进行“碳预脱氧”处理，降低钢水氧含量；③适当的低出钢温度；(4)避免电炉出渣，降低钢水氧含量。

采用上述控制技术，可以稳定生产ωT[O]≤15×10-6、抗硫化氢腐蚀，甚至达到ωT[O]≤10×10-6的高强度低碳合金钢。非金属夹杂物等级(根据ASTM E45 A)的结果如表2所示，符合表1的要求。

(D)氮控制技术

钢中氮含量过高会导致板坯时效脆化、冷弯裂纹和热裂。当氮含量超过一定限度时，钢中容易形成气泡和气孔；它与钢中的钛、铝和其他元素形成有角的脆性夹杂物。因此，高级套管钢要求ω[n]≤80×10-6；高强度管线钢要求ω[n]≤50×10-6甚至≤30×10-6。

表2抗硫化氢腐蚀高强度石油套管中非全部夹杂物评级结果

实践表明，RH真空空处理的脱氮效率明显高于VD(表3)。

表3 VD和RH脱氮效率统计结果

采用上述控制技术后，可短流程生产ω[N]≤50×10-6的钢种。

(5)氢气控制技术

钢中氢含量过高会导致气孔、皮下气泡、白点、发际线等缺陷。热加工后，钢中的氢气泡会沿加工方向拉长形成裂纹，导致钢的强度、塑性和冲击韧性降低，即“氢脆”现象。厚壁油管钢要求ω[H]≤2.0×10-6，氢致开裂(HIC)管线钢要求ω[H]≤1.5×10-6。

在实际生产中，控制钢中氢的质量分数主要是控制原料中的水分。要使ω[H]≤2.0×10-6，甚至≤1.5×10-6，还需要对钢水进行真空和板坯缓冷或扩散退火处理。

由于炉容量的增加和生产节奏的加快，烘烤原料并不实际。而是要避免原料受潮，尤其是炉外精炼和后期工序使用的原料。如果条件允许，可以将原料烘干。

实践表明，RH真空空处理的脱氢效率明显高于VD(表4)。

表4 VD和RH脱氢效率统计结果

采用上述控制技术后，可稳定生产ω[H]≤1.0×10-6的钢种。

(6)残余元素的控制

钢液凝固过程中，钢中的铜、铅、锡、砷、锑、铋等残余元素倾向于晶界聚集。在中温回火的脆性区，残余元素具有足够的扩散能力，并逐渐从晶界偏析，最终导致晶界脆化，主要表现为热加工性变差，韧脆转变温度升高，冲击功降低。国内外部分油管中残留元素的含量要求见表5。

钢中的残留元素主要来自回收的废钢。废钢中残余元素的主要控制技术有:①采用废钢分类收购储存技术，建立废钢源文件；(2)利用废钢分类利用技术，实现废钢在人炉中的可追溯性，从而降低残留元素含量(图1)；③通过加工分选技术将残余元素从废钢中分离出来，降低钢中残余元素的含量；④采用稀释技术，利用纯铁资源替代部分废钢，以降低钢中杂质元素的含量。

采用上述控制技术后，可稳定生产表5中残留元素质量分数的钢种。

表5部分不同钢种的残留元素质量分数要求

由于深井、超深井等特殊油气井使用的油管工作环境复杂恶劣，对管材的内外表面质量要求尤为严格，因此连铸圆坯的内外质量要求非常严格。圆坯表面质量缺陷包括:裂纹、凹坑(夹渣)、凹槽、重接、渣孔、气孔；尺寸公差缺陷包括:直径、长度差、椭圆度、曲率、端面切削斜度超差等。内部质量缺陷包括:皮下裂纹、中心裂纹、芯部裂纹(缩孔)、气孔、偏析等。下面讨论的连铸圆坯质量缺陷，是指连铸机正常生产后，仍经常出现且比较严重的质量缺陷。

(一)表面裂缝控制技术

圆坯最常见的表面裂纹是纵向表面裂纹(图5)和星形表面裂纹(图6)。一般来说，连铸圆坯表面纵裂主要是由于初始凝固阶段坯壳厚度不均匀造成的，它是在结晶器内钢水凝固过程中形成的，并在随后的冷却过程中膨胀。而表面的星形裂纹主要是高温(700 ~ 900℃)下在脆性区矫直板坯造成的(图7)。

当连铸圆坯表面纵向裂纹较小时，可以通过磨削清理。但如果连铸圆坯表面裂纹较大，铸坯就会报废。控制连铸圆坯表面出现大纵裂的主要技术有:①中碳钢的ω [Al] ω [N]尽可能低；②铅、锡、砷、锑、铋的含量应尽可能低；(3)保证中间包钢水热流密度分布均匀；④结晶器采用液压非正弦振动；⑤高强度钢种宜低温火焰切割。

钢坯酸洗后才能发现星形表面裂纹。它们一旦发生，遍布整个钢坯表面，无法修复，就会造成轧管后管表面出现大量折叠缺陷，无法修复，造成报废。

控制连铸圆坯星形裂纹的主要技术包括:①选择与铸坯钢种、规格相匹配的连铸机圆弧半径，采用连续多点矫直技术；(2)根据浇注的钢种控制铸坯的矫直温度，避免在该钢种的脆性温度范围内矫直；(3)加强对结晶器内表面的检查，避免连铸结晶器内表面镀铬层脱落导致铸坯表面渗铜。

(2)地表沉陷控制技术

连铸圆坯表面凹陷是亚包晶钢容易产生的缺陷。严重时，凹陷底部出现“破损”裂纹，导致轧后管体表面出现较大的向外折叠缺陷。这是由于亚包晶钢凝固过程中δ铁素体(固态)+L(液态)→ A奥氏体(固态)的包晶转变。线收缩增加3.8%，导致坯壳过早脱离结晶器铜壁形成空间隙，导致热流最小，坯壳最薄。在钢液凝固收缩和静压力的不平衡作用下，薄坯壳表面粗糙、起皱，甚至凹陷(图8)。因此，亚包晶钢也被称为“凹”钢。

控制板坯表面凹陷的主要技术是使用合适的保护渣。主要是保护渣膜厚而均匀，结晶速率高，从而最大限度地减少辐射传热，增加界面热阻，最终达到降低结晶器内圆坯水平热流的目的。采用亚包晶钢专用保护渣技术后，连铸还原面的凹陷现象将大大减少。

(3)中心疏松和中心缩孔(芯裂)控制技术

沿轴线切开板坯，会发现中心附近有小孔。这些小孔是中心孔隙。当中心疏松严重时，会形成较大的气孔，即中心缩孔，用酸浸低倍组织检查时称之为心裂(图9)，这是轧制管体出现一些表面缺陷的重要原因。中心缩孔(芯裂)主要是在凝固末期钢水不能及时补充凝固收缩造成的。

控制铸坯中心疏松和缩孔(芯裂)的技术有:①控制低过热度连铸，中间包钢水过热度应控制在20 ~ 30℃，避免高温快速浇注；(2)选择弱冷却系统，保证板坯均匀二次冷却，最好采用气溶胶冷却方式；③采用末端电磁搅拌技术，消除柱状晶的“桥联”，增加中心等轴晶的比例(图10)；④轻压下技术适用于钢坯或板坯，改善中心疏松和缩孔(芯裂)；①浇注结束时降低拉速，做好“补缩”工作，减少尾坯收缩。

三。结论

为不断满足石油管材在恶劣环境下的应用要求，天津钢管集团不断探索和改造短流程工艺装备，石油管材连铸圆坯质量控制技术取得新进展，达到以下控制水平。

(1)纯度:ω[P]≤70×10-6，ω[S]≤10×10-6，ω[O]≤15×10-6，ω[N]≤50×10-6，ω [h] ≤ 1.0× 10。

(2)板坯质量:满足高级油管的质量要求；

(3)化学成分控制:ω[c]= 100×10-6；ω[Al]= 100×10-6；ω[Ca]/ω[S]= 1.0 ~ 4.0；ω[Al]/ω[N]≥2.0 .