随着较易开采的油气田资源减少，人们开始转向高温、高压、高盐度、高腐蚀性、条件恶劣的油气田。 双相钢和镍基合金等高合金性能优良但价格昂贵，而9CR热处理后具有优良的力学性能和耐腐蚀性，经济实惠，广泛用于石油机械设备和管道的生产，具有良好的发展前景[1 4]。 9Cr钢具有良好的耐CO2腐蚀性和优异的韧性，非常适合在高温和CO2分压高、微量H2S含量高的腐蚀性环境中使用，其综合性能优于普通L80-13Cr，已成为油气田开采环境的主要材料[5， 9]。 目前，9CR钢管成熟的生产工艺为：铸锭-锻造坯料-坯料内外加工-热射孔成形-调质处理，该工艺包括锻造工艺、切削冒口、能耗高、产量低。 连铸坯料+热挤压成型工艺生产9cr无缝管是一种新工艺，国内外文献尚未报道，新工艺避免了锻造工艺，可大大提高良品率，降低能耗和资源。 本文以一根150 mm 40 mm 9Cr钢管为研究对象，用63 mn卧式挤出机将连铸钢坯挤出成钢管，然后进行调质处理。 对钢坯、钢管的微观组织、晶粒尺寸和力学性能进行了检测分析，为连铸钢坯直接挤压生产的马氏体钢管工业化生产提供基础技术数据。
采用60T电弧炉+LF炉精炼+VD真空脱气+连铸的生产工艺，工艺先进，品质优良，以废钢为原料，电弧炉冶炼生产的钢水温度不低于1630°C，炉外精炼温度不低于1620°C， 真空脱气处理采用真空炉，真空度不大于67Pa，连铸坯凝固后及时在850°C退火，以释放应力，降低硬度。连铸坯的外径为380毫米，加工外径为364毫米，内径为80毫米，长度为850毫米的空心坯料。 在63 mn卧式挤出机上挤出，管径为150 mm 40 mm，化学成分如表1所示。
实验工艺路线如下：电弧炉冶炼-连铸坯料-软化退火-坯料分切-内镗外车-加工端面-感应炉加热-内外表面玻璃粉润滑-热挤压-堆垛环冷却-调质处理-超声波无损检测-组织及性能检测。
试样的微腐蚀剂为王水，晶粒尺寸检测标准为ASTM E112-2012，高温铁氧体检测标准为YB T4402-2014，使用的显微镜型号为德国蔡司AXIO Imager A2M。 力学性能试验取样位置为淬火回火后钢管壁厚的1 2，拉伸试样方向为纵向，试验标准为ASTM A370-2017，冲击力试样方向为横向，检测温度为10°C，检测标准为ASTM E23-2018，在钢管横截面内测定洛氏硬度， 测试标准为ASTM E18-2018。
由于连铸坯存在气孔和中心裂纹，取样时避开了这些区域，在9Cr连铸坯截面半径附近的1 4和1 2处取了微观组织样品，图1是9Cr连铸坯退火100倍和放大500倍后的微观组织**。
从图1可以看出，9CR连铸坯的结构比较粗糙，整体呈板条状分布，在晶界处富集的硬质合金颗粒较多，组织不均匀，这是因为浇注后坯料直径较大，凝固冷却散热速度较慢， 元素形成聚集和分离，谷物充分生长。毛坯中心最终凝固，起到金属两侧的补气收缩作用，聚集夹杂物、气孔、偏析、收缩孔隙率等缺陷，经实际测量，直径为380毫米的连铸坯料中心缺陷的直径范围约为40-60毫米。 因此，只要加工直径大于60毫米的内孔，理论上就有可能去除坯料的铸造缺陷。 本研究在挤压前将坯料加工成尺寸为80 mm的内孔，然后去除外表面的氧化皮、平坦端面和喇叭口，以满足挤压坯的质量要求。 热挤压工艺是金属材料在三向压应力作用下形成，金属经受高温高压，晶粒间会出现小裂纹、收缩孔隙等缺陷，更适合低塑性、高合金材料的塑性变形。
图2是钢管挤压成型的模具装配结构示意图。 挤压模具和用于润滑的玻璃淬在挤压方向上设置在坯料前方，坯料背面为挤压垫，挤压垫后方为挤压棒。 首先对坯料进行加热，然后内外涂上玻璃粉，挤出筒体通过输送装置加载，挤出棒将挤出垫和坯料向前推到挤出模具的前端，而芯轴则渗透到坯料内部。 钢坯前端与靠近挤压模具的玻璃垫接触后，挤压棒继续向前推动，坯料被压过挤压垫，使坯墩粗变形，坯料外圆与挤压筒内壁之间的间隙和坯料内表面与芯轴之间的间隙被消除，然后将高温金属挤压成由挤压模具和芯棒组成的环形孔腔，成为钢管。当挤出棒前进到极限挡块时，挤出过程结束，挤出筒中留下 25 50 mm 的未压坯。 然后打开挤压筒锁定状态的开关，将挤压筒抽出，同时将坯料剩余、挤压垫和挤压棒一起抽出，用热音切断成品的钢坯压力，将钢管从挤出机出口方向输送到冷却床进行下一个循环。
9CR连铸坯加工成尺寸为364 mm 80 mm 850 mm的挤压坯料，在头部外圆加工R30 mm的圆角，表面质量重新研磨抛光，表面粗糙度不大于32米，去除坯料表面的油渍和划痕;坯料在900°C以下的低功率感应炉中直接加热，然后在外表面快速加热到1160 1190°C，在内孔上以大功率快速加热到1140 °C然后，在坯料的内表面和外表面涂上玻璃粉润滑剂，形成熔融膜，将金属与挤出模具分离挤出筒内径为435毫米，长度为1500毫米，挤出模具内径为154毫米，芯轴直径为695毫米长1500毫米，每根管材在挤压前进行磨削和清洗挤压模具，挤压速度为200-300毫米s，理论设计挤压比约为7，在挤压筒体中，挤压模具和芯棒组成环形孔型腔，挤压规格为40毫米40毫米钢管，挤压后堆放空气冷却。 然后，根据ASTM E213-2014标准，对挤压9CR管进行超声波无损检测，同时对表面质量进行目视检查，测试结果表明，挤压管表面光滑，无褶皱，无裂纹，表面质量达到锻造钢坯生产管材的水平。
9CR合金的质量分数在10%以上，属于高合金钢，淬透性好，在风冷条件下可实现马氏体的转变。 鉴于本研究的厚壁钢管较大，奥氏体化后材料中含有较大的能量，为了加快淬火冷却速度，采用油作为淬火冷却介质。 在2炉9CR挤出管上进行热处理实验，热处理工艺设计如下：淬火加热温度980 °C，加热160 min，油冷却;700°C回火，加热240min，风冷，炉后吹快速冷却，有利于避免回火脆性，稳定结构，提高冲击性能。
从表2可以看出，9Cr钢管的抗拉强度为RM 751 779 MPa，屈服强度为05616 649 MPa，硬度值HRC 195~21.6、伸长率为23%-26%，平均冲击能量在100J以上，强度、硬度和韧性符合API Spec 5CT技术规范的要求。 这说明，9CR连铸坯加热到高温后，在挤压筒、芯棒、挤压模具等模具的作用下，发生较大的挤压比变形，粗铸组织被压缩变形，充分破碎，然后结晶形成细小的等轴晶体，消除了偏析， 并经过后续的调质处理，形成细板条和马氏体，碳化物颗粒分布均匀，获得强度和韧性兼备的综合性能。
对调质9Cr钢管进行取样观察晶粒尺寸和微观组织。 由于挤压变形导致钢管头变形小，特别是先挤压金属保留了铸件结构，钢管头尾在热处理时散热快，会影响管材整体性能的一致性，所以在取样前，先切头和尾部， 头部切掉150 200 mm，尾部切掉50 150 mm，图3是钢管头尾的微观组织和晶粒尺寸，试样位置为壁厚的1 2。
从图3可以看出，连铸坯料通过大挤压比塑性转化为钢管后，材料经受高温高压，出现微观收缩等缺陷，铸造状态的粗组织已完全破碎并重新结晶，板条经过调质后间距较小， 马氏体致密，细等轴晶粒分布均匀，平均晶粒尺寸约20 m，晶粒尺寸为8级别 0。 显微组织以低碳回火马氏体为主，碳化物在长期回火中析出成粒状，均匀分布在铁素体基体上，保证了高强度和高韧性的良好匹配。 从显微组织检测来看，9Cr马氏体不锈钢中基本没有明显的高温铁素体，说明在钢管成型和热处理过程中，化学元素已经充分扩散，不同区域的成分变得一致，组分偏析减少，头尾组织一致， 无差异，组织均匀性提高。
1）9CR连铸坯结构比较粗糙，整体呈板条状分布，组织不均匀。坯料的中心最终凝固，对金属两侧的收缩起着作用，直径为380毫米的连铸坯料的中心缺陷直径范围约为40-60毫米。
2）9CR连铸坯+热挤压工艺挤出150毫米40毫米钢管，挤压过程平稳，经过超声波无损检测和表面质量目视检查，挤压管表面光滑，无褶皱，无裂纹，表面质量合格。
3）9CR挤压管经980°C、160 min油冷+700 °C 240 min风冷淬火回火，抗拉强度为751 779 MPa，屈服强度为616 649 MPa，伸长率23% 26%，硬度HRC 195~21.6、10°C横向平均冲击能量106-139焦耳，符合API Spec 5CT-2010标准要求。
4）连铸坯挤压管9cr的调质组织表明，在高温高压下通过热挤压焊接在一起，将微观收缩等缺陷焊接在一起，铸态的粗组织完全破碎，调质组织致密，平均晶粒尺寸约为20 m， 晶粒尺寸可达80 级，及格。
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文章** — 金属世界。