随着浅层石油资源的逐渐枯竭,我国油气开采重点已转向中西部地质条件恶劣的酸性含硫化氢油气田,对石油套管钢的耐腐蚀性能提出更高的要求。微合金高强石油套管钢抗硫化物应力腐蚀（SSC）能力与其生产过程冶金缺陷密切相关。一方面,钢中非金属夹杂物在服役过程中可能作为氢致裂纹形成源头;另一方面,由于浇铸与凝固阶段所产生的成分偏析,在后续轧管环节将形成不同程度的带状组织缺陷,也将对产品力学性能和耐蚀性造成不良影响。鉴于稀土（RE）在钢中能起到改性夹杂物、调控铸态组织等作用,有望成为从源头上改善高强抗硫套管钢组织与性能的有效手段。本研究针对高强抗硫管钢夹杂物改性和组织细化需要,基于实验室熔炼实验与热力学计算分析,分别研究了稀土合金的合理加入量。据此,以某钢厂EAF→LF→VD→CC流程生产C110及P110级石油套管钢为对象,开展了工业试验研究。其中,对比分析了钢水精炼阶段不同环节稀土加入后的收得率与夹杂物改性效果,研究了稀土变质处理对石油套管钢铸态组织及轧材带状缺陷的影响。针对工业试验过程所发现的水口结瘤现象,通过物相分析与热力学计算,探讨了稀土合金化对钢水浇注过程水口结瘤的影响机制。首先,通过管式炉高温实验研究了不同稀土 Ce含量下C110级石油套管钢中夹杂物的改性行为。结果表明,稀土合金化保温过程不同阶段,钢液中的夹杂物成分发生明显变化。随着反应时间的延长,钢中夹杂物的改性顺序依次为CaO·Al2O3→CeAlO3→Ce2O3→Ce2O2S,且最终稳定产物与Ce含量有关。基于实验研究与Factsage热力学计算,针对稀土合金化的具体目的,提出了实际生产中稀土的合理加入量。指出,为了改性钢中大尺寸Ca-Al-O系夹杂物,稀土合金化的合理加入量应控制在20～90 ppm之间;若期望有效细化其铸态凝固组织,则需要在钢水中生成非均质形核效果较好的稀土氧化物,此时稀土加入量应不低于180 ppm。同时,鉴于稀土氧化物的形成与加入过程稀土在钢水中的扩散动力学条件有关,建议生产中稀土合金应在钢水精炼阶段加入,并施以吹氩搅拌,以确保稀土改性反应达到平衡并提高其在钢水中的均匀性。以对C110级石油套管钢中夹杂物改性为目的,开展了生产试验。分别在VD处理结束后（方案A）及LF处理结束后（方案B）向钢液中加入Ce-La（RE）复合稀土合金,RE加入量分别为61 ppm和76 ppm。检测分析了精炼过程RE收得率、钢中Ca、O、S等元素含量以及夹杂物成分与形态的变化。结果表明,钢液中Ca含量对RE在钢中的赋存状态有较大影响。随Ca含量增加,以溶解态存在的RE含量增多,夹杂物改性效率降低。其中,方案A在VD处理结束喂Ca线后进行稀土合金化,RE对钢水中部分Ca-Al-O系夹杂物起到改性作用。改性后夹杂物尺寸、数量均较对比炉明显降低,但钢中仍存在未改性的大尺寸Ca-Al-O系夹杂物。热力学计算表明,此时大部分稀土以溶解[RE]形式存在于钢液中,因此VD出站时钢水中的RE收得率高达80%。方案B为在LF处理结束未进行Ca处理时加入RE。该工况下,大部分RE则通过改性钢液中MgAl2O4生成了 REAlO3,吹氩5 min后钢水中的稀土收得率为74%,但在随后的VD脱气过程中几乎全部上浮去除,出站收得率降至9%。然而,值得注意的是,这种稀土低收得率工况下,由于钢中O活度低,通过钢渣反应进入钢液的Ca主要起脱S作用,而不是脱O作用,因而可避免在VD脱气阶段形成容易碰撞长大的液态Ca-Al-O系夹杂物,尽管在精炼结束时钢液中的夹杂物种类未获得改变,但其尺寸同样明显减小。产品硫化氢应力腐蚀A法检测结果表明,以上两种稀土合金化方案通过不同方式调控钢中夹杂物,均明显提高了产品的抗SSC性能,该性能合格率由原工艺不足70%提升至100%。为了获得铸态组织细化效果,基于实验室研究结果进一步开展了较高稀土含量下针对P110级石油套管钢的生产试验,在一个浇次的尾炉VD处理结束后向钢液中加入418 ppm稀土。在该炉浇注过程的不同阶段截取铸坯样,随浇注进行钢中RE含量由122ppm提高至174ppm。在这一 RE含量下,钢中原有的夹杂物基本被完全改性为RE2O3,还会在其表形成RE-O-As-P系复合夹杂物。随RE含量增加,夹杂物尺寸、数量均有所增加,且RE-O-As-P系复合夹杂物占比随之增多。通过DSC实验发现RE2O3可以降低凝固过冷度,起非均质形核作用,而RE-O-As-P系夹杂物非均质形核能力较弱。因此,只有当P110级石油套管钢铸坯中RE含量控制在122～152ppm之间时,凝固组织才出现细化。具体表现在:凝固组织等轴晶率提高,内、外弧CET转变一致性得到明显提升,形核率增加,且二次枝晶间距降低。因此,凝固末期枝晶搭桥后形成的封闭区域体积减小,凝固收缩产生的负压也随之降低,1mm以上点状偏析几乎完全消除。得益于此,热轧态及调质态钢管中带状缺陷的数量和最大宽度随之减小,改善了套管钢产品的硬度均匀性。同时,随钢中RE含量增加,无论是否起到细化凝固组织的效果,套管钢强度仍在提高,分析认为与RE降低了 As、P杂质元素在晶界的偏聚有关。但由于钢中夹杂物数量及尺寸也不断增加,冲击韧性出现恶化。最后,研究了稀土合金化工业生产中发生的水口结瘤问题,并发现直通式水口内壁及其出口区域同时发生的结瘤现象。其中,水口内壁结瘤占通道总面积的30%,而水口出口结瘤更加严重,结瘤面积达到水口通道总面积的77%。基于对不同区域结瘤物的物相表征与分析,并结合热力学计算,对稀土钢水口结瘤机制进行了研究。结果表明,不同区域水口结瘤均由钢液中夹杂物与钢液中Ca、Al、RE等活性元素二次氧化产物构成。稀土改性后钢液中固态夹杂物数量增多,加剧了稀土钢浇注过程的水口结瘤倾向;同时,由于稀土合金化后钢中O元素活度较低,在水口出口区域钢液与之前浇注过程业已形成的结瘤物发生反应,形成新的结瘤相,提高了这一区域结瘤物抵抗钢液冲刷的能力,这是造成直通式水口出口堵塞的主要原因。综合认为,为改善稀土石油套管钢可浇性,应从稀土合金化工艺优化及水口成分结构调整两方面进行。