CN102260827A - 一种钻铤钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种钻铤钢及其制备方法，该钻铤钢中的各成分的含量为，以该钻铤钢总重量为基准，以元素计，C为0.41-0.47重量％、Si为0.15-0.3重量％、Mn为0.95-1.2重量％、Cr为0.95-1.2重量％、Mo为0.15-0.3重量％、Al为0.02-0.04重量％、Ti为0.01-0.03重量％、P≤0.02重量％、S≤0.015重量％、Ni≤0.2重量％、Cu≤0.2重量％、Sn≤0.05重量％、H≤0.0002重量％，N≤0.007重量％，余量为铁；T[O]≤0.0020重量％，A、B、C和D类夹杂物均为≤1.5级。本发明解决可以钻铤钢强度与塑韧性不匹配的问题。

Description

一种钻铤钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种钻铤钢及其制备方法。

背景技术

钻铤是石油、天然气钻塔开采过程中使用的主要工具，是钻柱的最重要组成部分之一，它接在方形钻杆的下方，与钻头连接，在钻井过程中具有向钻头提供钻进的压力及提高钻柱刚性、同时起加压和防止井偏的作用。钻铤服役环境恶劣，不仅要受到拉压、弯曲、扭转等应力作用，而且还要受到井壁的摩擦以及油、气、泥浆等介质的磨损和腐蚀。因此，要求钻铤自身具有重量大、管壁厚、刚性好和良好的综合性能。

目前，世界各国多采用具有一定淬透性的合金结构钢制造钻铤。以美国为代表，ASTM A304-2005标准规定的代表性钢种主要是AISI4145H，中国及其他国家均仿照美国标准生产钻铤用钢，我国开发的替代进口的钢种是45CrMnMo，钢的成分和性能与AISI4145H接近，主要用于制造Φ121，Φ146，Φ159，Φ165，Φ178，Φ203等大规格钻铤。生产工艺方面，国内外基本上采用电炉或转炉冶炼+炉外精炼(主要是RH、VD等)+模铸或连铸+开坯+轧制(或锻造)圆钢+退火、矫直的工艺生产石油钻铤钢，也有采用无缝钢管制造钻铤的，但是因管壁太厚(60mm左右)，轧制钢管时壁厚不均匀的问题没有得到解决，加之成本高，未能得到推广。

美国ASTM A304-2005标准规定AISI4145H钻铤钢的化学成分：C0.42％-0.49％、Si 0.15％-0.30％、Mn 0.75％-1.20％、Cr 0.75％-1.20％、Mo0.15％-0.25％、P≤0.035％、S≤0.035％、Cu≤0.20％。而我国45CrMnMo钢的成分为：C 0.41％-0.49％、Si 0.15％-0.35％、Mn 1.00％-1.30％、Cr1.00％-1.30％、Mo 0.25％-0.35％、P≤0.035％、S≤0.035％、Cu≤0.20％、Ni≤0.25％。

目前，随着石油工业和天然气开采业的快速发展，在不增加生产成本的前提下，要求大幅度提高钻铤的使用寿命，必然对钻铤钢的强度和塑韧性提出了更高的要求，即抗拉强度大于1000兆帕，屈服强度大于880兆帕，伸长率大于17％，冲击功Akv大于80焦耳。实际生产中采用美国标准生产的AISI4145H钻铤钢，钢的抗拉强度为980兆帕-1100兆帕，屈服强度为820兆帕-980兆帕，伸长率为13％-19％，冲击功Akv为55焦耳-80焦耳。可见，其抗拉强度和屈服强度勉强满足要求，但是伸长率和冲击功仍有较大的差距。而采用我国标准生产的45CrMnMo钻铤钢，强度较高，但是塑韧性(指钢的塑性和韧性，包括延伸率、断面收缩率及冲击韧性等)波动大，控制不好就不能满足要求，其钢的抗拉强度为980兆帕-1200兆帕，屈服强度为870兆帕-1050兆帕，伸长率为15％-20％，冲击功AkV为55焦耳-100焦耳。

要提高钻铤钢的强度，最简单的方法是提高钢中C、Si、Mn、Cr、Mo等元素的含量，但这不仅增加生产成本，而且将使钢的塑韧性降低，更难满足高强韧性的要求。目前，生产的钻铤钢强度与塑韧性的匹配不好，表现在钢的强度高，延伸率和冲击韧性偏低，例如，《特殊钢》杂志(2002年8月，第23卷第4期，第47-48页)报道了4145H石油钻铤管的生产，将C含量控制在0.44％-0.46％，Si 0.21％-0.34％，Mn 0.93％-1.11％、Cr 0.92％-1.14％、Mo0.17％-0.24％，经过轧制钢管较大的变形后，调质处理钢的强度高达1000兆帕以上，但是塑韧性难于满足新要求，其平均伸长率为16％，平均冲击功AkV为70焦耳。

《上海钢研》杂志(2004年第4期，第34-38页)报道了AISI4145H钻铤用钢的研制情况，按照美国标准规定的成分，采用电炉、VD真空脱气及模铸工艺生产钻铤钢，调质处理后钢的抗拉强度为990兆帕-1210兆帕，屈服强度为855兆帕-1080兆帕，伸长率为16％-22％，冲击功AkV为72焦耳-110焦耳，也不能全部满足钻铤钢新的使用要求。

《大型铸锻件》杂志(2008年1月，第1期，第36-37页)报道了石油钻杆用ASTM4145H的生产试制，将C含量控制在0.44％-0.47％，Si 0.22％-0.26％，Mn 0.94％-0.98％、Cr 0.80％-0.83％、Mo 0.15％-0.16％，采用电炉、VD真空脱气、模铸、锻造工艺生产，调质处理后钢的抗拉强度仅为925兆帕-1010兆帕，屈服强度为710兆帕-845兆帕。

《机械工程与自动化》杂志(2007年8月，总第143期第4期，第84-86页)报道了冶炼工艺对AISI4145H钻铤用钢冲击功的影响，主要是降低钢中杂质含量，尤其是MnS夹杂的数量及形态控制，能有效提高钢的冲击性能。

《大型铸锻件》杂志(2007年10月，第6期，第42-43页)报道了ASTM4145H钢冲击功偏低的原因分析，将C含量控制在0.47％-0.49％，Si0.22％-0.29％，Mn 1.06％-1.13％、Cr 1.10％-1.18％、Mo 0.25％-0.39％，调质处理后钢的抗拉强度为1050兆帕-1090兆帕，屈服强度为900兆帕-980兆帕，伸长率为17％-19％，但是冲击功AKV仅为22焦耳-74焦耳，去掉因Sn偏高造成冲击功偏低的炉次，最大冲击功也仅达到70焦耳-74焦耳。

《理化检验-物理分册》杂志(1998年1月，第34卷第1期，第22-24页)报道了国产4145H钢性能的改善，将C含量控制在0.42％-0.46％，Si0.27％-0.35％，Mn 1.01％-1.11％、Cr 1.03％-1.08％、Mo 0.26％-0.30％，调质处理后钢的抗拉强度为992兆帕-1057兆帕，屈服强度为827兆帕-910兆帕，伸长率为20.7％-23％，冲击功AKV为71焦耳-90焦耳。

《钢铁钒钛》杂志(1995年6月，第16卷第2期，第22-29页)报道了45CrMnMo石油钻铤钢的实验室研究情况，将C含量控制在0.40％-0.52％，Si0.20％-0.46％，Mn 1.03％-1.26％、Cr 0.95％-1.47％、Mo 0.25％-0.36％，调质处理后钢的抗拉强度为1187兆帕-1325兆帕，屈服强度为1073兆帕-1298兆帕，伸长率为12％-16％，冲击功AKV为32焦耳-52.3焦耳，经过热处理工艺的调整，钢的抗拉强度为905兆帕-1090兆帕，屈服强度为885兆帕-965兆帕，伸长率为14％-20％，冲击功AKV为58焦耳-97焦耳，也未能达到钻铤钢新的使用要求。

CN 100489263C公开了一种钻铤用厚壁无缝钢管的制作工艺，该工艺包括有以下步骤：①管坯准备、②缩径穿孔、③缩径轧管、④定径、⑤超声波探伤、⑥几何尺寸精度至成品入库。该发明的效果是省去了管坯的退火工序、管坯镗孔的工序，加工企业节省了建设加工厂房和购置深孔镗床的资金，更重要的是可以使生产效率成倍增加，使得加工企业的产量和效益大幅增加。另外因采用该工艺生产的钢管用料，也保证了加工企业钻铤质量的稳定性。对于加工企业来说，使用热轧钻铤管可以极大地提高产量和质量，但是未涉及钢的成分、性能等内容。

CN 101550516A公开了一种转炉冶炼45CrMnMo钢的方法，主要是钢的冶炼、脱氧、合金化、精炼等，目的是提高生产效率和合金收得率，未涉及钢的具体成分控制和提高力学性能的要求。

CN 1038353C及CN 101311290A公开的是两种高强度无磁钻铤钢，经过大变形锻造后的钢具有优良的塑性和韧性，但是它们属于低碳不锈钢系列。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中存在的钻铤钢强度与塑韧性不匹配的问题，提供一种在不大幅度增加钢材生产成本的前提下能够解决钻铤钢塑韧性偏低问题的具有较高强度和塑韧性的钻铤钢及其制备方法。

本发明的发明人发现将钢中C、Si、Mn、Cr、Mo的含量控制在适当的范围，降低P、S含量，控制A、B、C、D类非金属夹杂物的含量级别均在1.5级以下，同时向钢中添加一定含量的微量元素Al和Ti，制备的钻铤钢具有更高的强度和塑韧性。主要是在保证钢材具有足够淬透性及洁净度的条件下，利用Al、Ti等元素在钢中的析出，细化钢的晶粒度，使钢的强度和塑韧性均得到提高。

因此，本发明提供一种钻铤钢，以该钻铤钢总重量为基准，以元素计，C含量为0.41-0.47重量％、Si含量为0.15-0.3重量％、Mn含量为0.95-1.2重量％、Cr含量为0.95-1.2重量％、Mo含量为0.15-0.3重量％、Al含量为0.02-0.04重量％、Ti含量为0.01-0.03重量％、P含量≤0.02重量％、S含量≤0.015重量％、Ni含量≤0.2重量％、Cu含量≤0.2重量％、Sn含量≤0.05重量％、H含量≤0.0002重量％，N含量≤0.007重量％，余量为铁；所述钻铤刚的洁净度由T[O]含量以及A类、B类、C类和D类非金属夹杂物的含量级别表示，其中，该钻铤刚中的T[O]含量为≤0.0020重量％，按照夹杂物评级标准GB/T10561评价出该钻铤刚中的A类夹杂物为≤1.5级、B类夹杂物为≤1.5级、C类夹杂物为≤1.5级、D类夹杂物为≤1.5级。

本发明还提供一种钻铤钢的制备方法，该方法包括：

(1)采用脱硫后的铁水进行吹炼；

(2)将吹炼后的钢水出钢到钢包中，并在出钢到钢包的过程中进行增碳和合金化；

(3)将合金化后的钢水进行炉外精炼，所述炉外精炼的方法包括吹氩精炼、LF精炼及真空精炼；

(4)将炉外精炼后的钢水进行浇注；

在所述吹炼步骤中控制吹炼终点的钢水中C含量≥0.05重量％，P含量≤0.015重量％，S含量≤0.010重量％；

所述增碳和合金化的步骤包括在出钢过程中将增碳剂、精炼渣、硅铁合金、硅锰合金、铬铁合金和钼铁合金加入到钢包中，使得在该步骤得到的钢水中，以所述钢水总重量为基准，C含量为0.35-0.40重量％、Si含量为0.15-0.3重量％、Mn含量为0.95-1.10重量％、Cr含量为0.95-1.10重量％、Mo含量为0.2-0.3重量％；

所述吹氩精炼的时间为6-20分钟，氩气吹入强度为每吨钢水1.2-3.5升/分钟；

在所述LF精炼的步骤中，控制钢包渣碱度在2.0-3.5之间，使钢水中的S含量在0.010重量％以下；

所述真空精炼的步骤包括在真空条件下将增碳剂、硅铁合金、锰铁合金、铬铁合金、钼铁合金和钛铁合金中的一种或几种以及金属铝在真空条件下与LF精炼得到的钢水接触，使在该步骤获得的钢水中，C含量为0.43-0.46重量％、Si含量为0.15-0.25重量％、Mn含量为1.0-1.2重量％、Cr含量为1.0-1.2重量％、Mo含量为0.2-0.3重量％、Al含量为0.02-0.04重量％、Ti含量为0.01-0.03重量％。

本发明的钻铤钢的屈服强度可以达到950-1000兆帕、抗拉强度可以达到1050-1100兆帕，伸长率A可以达到18-25％、冲击功Akv可以达到80-110焦耳。所述冲击功是在常温下产生“V”型缺口冲击时所需要的功。通过本发明提供的钻铤钢制备方法制备的钻铤钢的强度和塑韧性高于现有技术提供的钻铤钢的强度和塑韧性，从而在不大幅度增加钢材生产成本的前提下，能够解决钻铤钢强度与塑韧性不匹配的问题。

具体实施方式

本发明提供了一种钻铤钢，在该钻铤钢中，以该钻铤钢总重量为基准，以元素计，C含量为0.41-0.47重量％、Si含量为0.15-0.3重量％、Mn含量为0.95-1.2重量％、Cr含量为0.95-1.2重量％、Mo含量为0.15-0.3重量％、Al含量为0.02-0.04重量％、Ti含量为0.01-0.03重量％、P含量≤0.02重量％、S含量≤0.015重量％、Ni含量≤0.2重量％、Cu含量≤0.2重量％、Sn含量≤0.05重量％、H含量≤0.0002重量％，N含量≤0.007重量％，余量为铁；所述钻铤刚的洁净度由T[O]含量以及A类、B类、C类和D类非金属夹杂物的含量级别表示，其中，该钻铤刚中的T[O]含量为≤0.0020重量％，按照夹杂物评级标准GB/T10561评价出该钻铤刚中的A类夹杂物为≤1.5级、B类夹杂物为≤1.5级、C类夹杂物为≤1.5级、D类夹杂物为≤1.5级。

作为一种优选的实施方式，在本发明的钻铤钢中，以该钻铤钢总重量为基准，以元素计，C含量为0.43-0.46重量％、Si含量为0.15-0.25重量％、Mn含量为1.0-1.2重量％、Cr含量为1.0-1.2重量％、Mo含量为0.2-0.3重量％、Al含量为0.02-0.04重量％、Ti含量为0.015-0.025重量％、P含量≤0.015重量％、S含量≤0.010重量％、Ni含量≤0.2重量％、Cu含量≤0.2重量％、Sn含量≤0.05重量％、H含量≤0.00015重量％，N含量≤0.007重量％，余量为铁，T[O]含量≤0.0015重量％。

本发明还提供了一种钻铤钢的制备方法，该方法包括：

(1)采用脱硫后的铁水进行吹炼；

(2)将吹炼后的钢水出钢到钢包中，并在出钢到钢包的过程中进行增碳和合金化；

(3)将合金化后的钢水进行炉外精炼，所述炉外精炼的方法包括吹氩精炼、LF精炼及真空精炼；

(4)将炉外精炼后的钢水进行浇注。

为了控制本发明提供的钻铤钢中杂质Ni、Cu和Sn的含量，可以选择以所述炼钢原料的C含量为＞3.5重量％，Ni含量＜0.2重量％、Cu含量＜0.2重量％、Sn含量＜0.05重量％的铁水或废钢作为原料。并且，为了控制入炉铁水的S含量小于等于0.015重量％，对铁水进行脱硫后，采用脱硫后的铁水冶炼钻铤钢，所述脱硫的方法采用本领域常规的方法进行。

所述吹炼步骤是向铁水中通入氧气使铁水中的一些杂质，如碳、磷、硅氧化的过程。吹炼按照为本领域常规的方法进行。吹炼前期造渣脱磷，控制吹炼终点渣的碱度为4.0-5.0，同时脱除部分硫。为了控制钢水的氧化程度，降低钢水中的含氧量，应对吹炼终点进行控制，以吹炼步骤中钢水总重量为基准，使吹炼终点钢水中的C含量≥0.05重量％，P含量≤0.015重量％，S含量≤0.010重量％。优选情况下，以钢水总重量为基准，所述吹炼步骤终点的C含量控制在0.05-0.15重量％。

所述增碳和合金化的步骤包括在出钢过程中将增碳剂、精炼渣、硅铁合金(Fe-Si)、硅锰合金(Fe-Mn-Si)、铬铁合金(Fe-Cr)和钼铁合金(Fe-Mo)加入到钢包中，增碳剂、精炼渣、Fe-Si、Fe-Mn-Si、Fe-Cr和Fe-Mo的用量使得在该步骤得到的钢水中，以所述钢水总重量为基准，C含量为0.35-0.40重量％、Si含量为0.15-0.3重量％、Mn含量为0.95-1.10重量％、Cr含量为0.95-1.10重量％、Mo含量为0.2-0.3重量％；增碳剂与Fe-Si、Fe-Mn-Si、Fe-Cr和Fe-Mo可以同时加入，优选在加入增碳剂后加入Fe-Si、Fe-Mn-Si、Fe-Cr和Fe-Mo，更优选在出钢开始时将增碳剂加入到钢包中，并在出钢1/4-1/2时将硅铁合金、硅锰合金、铬铁合金和钼铁合金加入到钢包中。

为了进一步降低钢水中的含氧量，优选在将增碳剂加入到钢包后在将硅铁合金、硅锰合金、铬铁合金和钼铁合金加入到钢包中前将预脱氧剂加入钢包中，对钢水进行预脱氧，所述预脱氧剂的加入量可以为本领域的常规加入量，优选相对于每吨钢水，预脱氧剂的加入量为2.0-4.0千克；所述预脱氧剂为本领域常规的预脱氧剂，优选为铝铁合金或复合脱氧剂；所述复合脱氧剂可以为硅钙钡合金和铝锰铁合金中的一种或几种。

本发明提供的方法还包括在所述增碳和合金化步骤后，采用钢包喂丝机对所述钢水喂铝线进行进一步的脱氧，以控制钢水中的溶解氧为0.0030重量％以下。其中，相对于每吨钢水，铝线的喂入量为0.25-0.60千克。

所述炉外精炼可以是能实现本发明目的的各种公知的炉外精炼方法，并没有特别的限制。所述炉外精炼包括吹氩精炼、LF精炼及真空精炼。

所述吹氩精炼是在完成所述合金化后利用钢包底部的透气砖，对钢包内的钢水进行吹氩，氩气吹入强度为每吨钢水1.2-3.5升/分钟，吹氩精炼的时间为6-20分钟，促进脱氧产物的上浮。

所述LF精炼主要是对钢包渣进行处理，降低钢包渣氧化性。在所述LF精炼的步骤中，控制钢包渣碱度在2.0-3.5之间，使钢水中的S含量在0.010重量％以下，促进夹杂的上浮。并且在该步骤中，所述精炼渣的用量为相对于每吨钢水4.5-6千克，铝丸的用量为相对于每吨钢水0.3-0.6千克，LF精炼的温度为1600-1630℃，LF精炼的时间为10-30分钟。

所述真空精炼的步骤包括在真空条件下将增碳剂、硅铁合金、锰铁合金、铬铁合金、钼铁合金和钛铁合金中的一种或几种以及金属铝在真空条件下与LF精炼得到的钢水接触，使在该步骤获得的钢水中，C含量为0.43-0.46重量％、Si含量为0.15-0.25重量％、Mn含量为1.0-1.2重量％、Cr含量为1.0-1.2重量％、Mo含量为0.2-0.3重量％、Al含量为0.02-0.04重量％、Ti含量为0.015-0.025重量％。真空精炼的温度为1590-1620℃，真空精炼的时间为10-18分钟，所述真空条件的真空度为本领域常规的真空度，所述真空度为相对的真空度，即一个标准大气压与密闭空间中的气压的差值，优选为500帕以下，以降低钢水中的H和O的含量。优选情况下，所述增碳剂、硅铁合金、锰铁合金、铬铁合金、钼铁合金和钛铁合金中的一种或几种以及金属铝是在真空精炼5分钟后加入。所述真空精炼优选为真空循环脱气法(RH)。本发明中的增碳剂为本领域公知的增碳剂，优选为沥青焦、无烟煤和碳粉中的一种或几种。

本发明提供的方法还包括在所述炉外精炼后进行浇铸，浇铸按照常规方法进行，优选为大方坯连铸。作为一种优选的实施方式，所述浇铸在惰性气体氛围中进行。所述惰性气体为零族气体，优选为氩气。浇铸时可以控制钢水过热度为20-40℃，如钢水的温度为1505-1525℃；浇铸后，可以按照常规方法进行冷却，如在室温下堆垛自然冷却。

本发明提供的方法还包括将浇注得到的钢坯进行轧制，本发明的轧制可以按照常规的方法进行；作为一种优选的实施方式，所述轧制的方法包括在温度为1270℃-1300℃下进行加热，并在1230℃-1270℃下保温1.5-2.5小时后进行轧制，且终轧温度为900℃以上。钢坯轧制后，采用常规的方法冷却即可，如采用堆垛空冷方式冷却。

下面结合实施例对本发明进行详细说明。各实施例控制的具体数值如表1所示。

实施例1

该实施例用于说明本发明提供的钻铤钢及其制备方法。

将脱硫后的钢水进行吹炼，以钢水总重量为基准，当钢水中C含量为0.05重量％、P含量为0.009重量％、S含量为0.008重量％时立即出钢到钢包中。出钢时，相对于每吨钢水，先加沥青焦3.2千克(C含量为76重量％，攀枝花阳城冶金辅料有限公司)进行增碳，出钢1/3后，相对于每吨钢水，先在钢包中加入预脱氧剂铝铁合金(Al含量为40重量％，安阳市恒旺冶金耐材有限公司)3.7千克，然后相对于每吨钢水，加入精炼渣6.0千克、Fe-Mn-Si(Si含量为18重量％，Mn含量为68重量％，安阳市恒旺冶金耐材有限公司)6.8千克、Fe-Mn(Mn含量为81重量％，安阳市恒旺冶金耐材有限公司)6.2千克、Fe-Si(Si含量为74重量％，安阳市恒旺冶金耐材有限公司)2.0千克、Fe-Cr(Cr含量为63％，攀枝花攀宏冶金制品有限公司)15.2千克、Fe-Mo(Mo含量为60重量％，攀枝花攀宏冶金制品有限公司)4.2千克，进行Si、Mn、Cr、Mo元素的合金化，使所得钢水中，以钢水的总重量为基准，C含量为0.38重量％、Si含量为0.18重量％、Mn含量为0.98重量％、Cr含量为1.04重量％、Mo含量为0.26重量％。最后采用喂丝机喂铝线进行进一步的脱氧，相对于每吨钢水，铝喂入量为0.40千克，钢水中的溶解氧为0.0027重量％。

然后，对钢包内的钢水进行吹氩精炼，吹氩精炼的时间为14分钟，氩气吹入强度为每吨钢水1.2升/分钟；当钢水送到LF炉(带电加热的130吨钢包精炼炉)后，相对于每吨钢水，加入精炼渣4.5千克和铝丸0.3千克，然后加热钢水到1630℃，LF精炼共进行22分钟，然后将LF精炼后的钢水立即送到RH真空装置(带成分微调和真空循环脱气的钢包精炼炉)进行真空处理，真空度控制在300帕以下，真空精炼的温度为1620℃，钢水真空处理5分钟后，加入铝丸、碳粉、Fe-Si、Fe-Mn、Fe-Cr、Fe-Mo、Fe-Ti等合金对钢水成分进行微调，使所得钢水中，以钢水的总重量为基准，C含量为0.44重量％、Si含量为0.25重量％、Mn含量为1.15重量％、Cr含量为1.13重量％、Mo含量为0.30重量％、Al含量为0.03重量％、Ti含量为0.015重量％、P含量为0.010重量％、S含量为0.006％，H含量为0.00012重量％、Ni含量为0.05重量％、Cu含量为0.04重量％、Sn含量为0.005重量％、N含量为0.0052重量％。RH真空精炼共进行18分钟。

将真空精炼后的钢水进行浇铸得到钢坯，浇铸在氩气氛围中进行，钢水平均浇铸温度为1520℃。

采用推钢式加热炉加热钢坯到1285℃，然后在1255℃温度下保温2小时，总加热时间为4小时。然后开始轧制钻铤用圆钢坯，终轧温度控制在900℃以上。轧后采用堆垛空冷方式进行冷却。

各成分的检测方法分别为碳素钢和中低合金钢火花源原子发射光谱分析方法，国家标准为GB/T4336。氧、氮含量的检测方法为脉冲加热惰气熔融-红外线吸收法，国家标准为GB/T11261。检测结果如表2所示。

实施例2

该实施例用于说明本发明提供的钻铤钢及其制备方法。

将含铁原料熔化成钢水，然后进行脱硫，将脱硫后的钢水进行吹炼，以钢水总重量为基准，当钢水中C含量为0.12重量％、P含量为0.008重量％、S含量为0.009重量％时立即出钢到钢包中。出钢时，相对于每吨钢水，先加沥青焦2.1千克(C含量为76重量％，攀枝花阳城冶金辅料有限公司)进行增碳，出钢1/3后，相对于每吨钢水，先在钢包中加入预脱氧剂铝铁合金(Al含量为40重量％，安阳市恒旺冶金耐材有限公司)2.8千克，然后相对于每吨钢水，加入精炼渣6.0千克、Fe-Mn-Si(Si含量为18重量％，Mn含量为68重量％，安阳市恒旺冶金耐材有限公司)6.5千克、Fe-Mn(Mn含量为81重量％，安阳市恒旺冶金耐材有限公司)6.0千克、Fe-Si(Si含量为74重量％，安阳市恒旺冶金耐材有限公司)1.8千克、Fe-Cr(Cr含量为63％，攀枝花攀宏冶金制品有限公司)15.4千克、Fe-Mo(Mo含量为60重量％，攀枝花攀宏冶金制品有限公司)3.6千克，进行Si、Mn、Cr、Mo元素的合金化，使所得钢水中，以钢水的总重量为基准，C含量为0.35重量％、Si含量为0.18重量％、Mn含量为0.99重量％、Cr含量为1.05重量％、Mo含量为0.25重量％。最后采用喂丝机喂铝线进行进一步的脱氧，相对于每吨钢水，铝喂入量为0.30千克，钢水中的溶解氧为0.0023重量％。

然后，对钢包内的钢水进行吹氩精炼，吹氩精炼的时间为12分钟，氩气吹入强度为每吨钢水2.0升/分钟；当钢水送到LF炉(带电加热的130吨钢包精炼炉)后，相对于每吨钢水，加入精炼渣5.0千克和铝丸0.55千克，然后加热钢水到1615℃，LF精炼共进行19分钟，然后将LF精炼后的钢水立即送到RH真空装置(带成分微调和真空循环脱气的钢包精炼炉)进行真空处理，真空度控制在300帕以下，真空精炼的温度为1605℃，钢水真空处理5分钟后，加入铝丸、碳粉、Fe-Si、Fe-Mn、Fe-Cr、Fe-Mo、Fe-Ti进行成分微调，使所得钢水中，以钢水的总重量为基准，C含量为0.43重量％、Si含量为0.21重量％、Mn含量为1.20重量％、Cr含量为1.20重量％、Mo含量为0.25重量％、Al含量为0.04重量％、Ti含量为0.019重量％、P含量为0.009重量％、S含量为0.006％，H含量为0.00013重量％、Ni含量为0.05重量％、Cu含量为0.04重量％、Sn含量为0.005重量％、N含量为0.0058重量％。RH真空精炼共进行15分钟。

将真空精炼后的钢水进行浇铸得到钢坯，浇铸在氩气氛围中进行，钢水平均浇铸温度为1523℃。

采用推钢式加热炉加热钢坯到1288℃，然后在1260℃温度下保温1.5小时，总加热时间为3.7小时。然后开始轧制钻铤用圆钢坯，终轧温度控制在900℃以上。轧后采用堆垛空冷方式进行冷却。

各成分的检测方法分别为碳素钢和中低合金钢火花源原子发射光谱分析方法，国家标准为GB/T4336。氧、氮含量的检测方法为脉冲加热惰气熔融-红外线吸收法，国家标准为GB/T11261。检测结果如表2所示。

实施例3

该实施例用于说明本发明提供的钻铤钢及其制备方法。

将含铁原料熔化成钢水，然后进行脱硫，将脱硫后的钢水进行吹炼，以钢水总重量为基准，当钢水中C含量为0.09重量％、P含量为0.010重量％、S含量为0.009重量％时立即出钢到钢包中。出钢时，相对于每吨钢水，先加沥青焦2.8千克(C含量为76重量％，攀枝花阳城冶金辅料有限公司)进行增碳，出钢1/3后，相对于每吨钢水，先在钢包中加入预脱氧剂铝铁合金(Al含量为40重量％，安阳市恒旺冶金耐材有限公司)2.8千克，然后相对于每吨钢水，加入精炼渣6.0千克、Fe-Mn-Si(Si含量为18重量％，Mn含量为68重量％，安阳市恒旺冶金耐材有限公司)5.8千克、Fe-Mn(Mn含量为81重量％，安阳市恒旺冶金耐材有限公司)5.0千克、Fe-Si(Si含量为74重量％，安阳市恒旺冶金耐材有限公司)1.8千克、Fe-Cr(Cr含量为63％，攀枝花攀宏冶金制品有限公司)15.5千克、Fe-Mo(Mo含量为60重量％，攀枝花攀宏冶金制品有限公司)3.7千克，进行Si、Mn、Cr、Mo元素的合金化，使所得钢水中，以钢水的总重量为基准，C含量为0.38重量％、Si含量为0.20重量％、Mn含量为0.97重量％、Cr含量为1.06重量％、Mo含量为0.25重量％。最后采用喂丝机喂铝线进行进一步的脱氧，相对于每吨钢水，铝喂入量为0.44千克，钢水中的溶解氧在0.0020重量％。

然后，对钢包内的钢水进行吹氩精炼，吹氩精炼的时间为20分钟，氩气吹入强度为每吨钢水3升/分钟；当钢水送到LF炉(带电加热的130吨钢包精炼炉)后，相对于每吨钢水，加入精炼渣5.8千克和铝丸0.45千克，然后加热钢水到1615℃，LF精炼共进行17分钟，然后将LF精炼后的钢水立即送到RH真空装置(带成分微调和真空循环脱气的钢包精炼炉)进行真空处理，真空度控制在300帕以下，真空精炼的温度为1603℃，钢水真空处理5分钟后，加入铝丸、碳粉、Fe-Si、Fe-Mn、Fe-Cr、Fe-Mo、Fe-Ti进行成分微调，使所得钢水中，以钢水的总重量为基准，C含量为0.45重量％、Si含量为0.20重量％、Mn含量为1.06重量％、Cr含量为1.06重量％、Mo含量为0.25重量％、Al含量为0.040重量％、Ti含量为0.020重量％、P含量为0.011重量％、S含量为0.006％，H含量为0.00010重量％、Ni含量为0.05重量％、Cu含量为0.04重量％、Sn含量为0.005重量％、N含量为0.0060重量％。RH真空精炼共进行14分钟。

将真空精炼后的钢水进行浇铸得到钢坯，浇铸在氩气氛围中进行，钢水平均浇铸温度为1520℃。

采用推钢式加热炉加热钢坯到1290℃，然后在1265℃温度下保温2.5小时，总加热时间为4.3小时。然后开始轧制钻铤用圆钢坯，终轧温度控制在900℃以上。轧后采用堆垛空冷方式进行冷却。

各成分的检测方法分别为碳素钢和中低合金钢火花源原子发射光谱分析方法，国家标准为GB/T4336。氧、氮含量的检测方法为脉冲加热惰气熔融-红外线吸收法，国家标准为GB/T11261。检测结果如表2所示。

实施例4

该实施例用于说明本发明提供的钻铤钢及其制备方法。

将含铁原料熔化成钢水，然后进行脱硫，将脱硫后的钢水进行吹炼，以钢水总重量为基准，当钢水中C含量为0.15重量％、P含量为0.010重量％、S含量为0.007重量％时立即出钢到钢包中。出钢时，相对于每吨钢水，先加沥青焦2.0千克(C含量为76重量％，攀枝花阳城冶金辅料有限公司)进行增碳，出钢1/3后，相对于每吨钢水，先在钢包中加入预脱氧剂铝铁合金(Al含量为40重量％，安阳市恒旺冶金耐材有限公司)2.1千克，然后相对于每吨钢水，加入精炼渣6.0千克、Fe-Mn-Si(Si含量为18重量％，Mn含量为68重量％，安阳市恒旺冶金耐材有限公司)5.6千克、Fe-Mn(Mn含量为81重量％，安阳市恒旺冶金耐材有限公司)4.8千克、Fe-Si(Si含量为74重量％，安阳市恒旺冶金耐材有限公司)2.4千克、Fe-Cr(Cr含量为63％，攀枝花攀宏冶金制品有限公司)15.6千克、Fe-Mo(Mo含量为60重量％，攀枝花攀宏冶金制品有限公司)3.7千克，进行Si、Mn、Cr、Mo元素的合金化，使所得钢水中，以钢水的总重量为基准，C含量为0.40重量％、Si含量为0.22重量％、Mn含量为0.99重量％、Cr含量为1.04重量％、Mo含量为0.26重量％。最后采用喂丝机喂铝线进行进一步的脱氧，相对于每吨钢水，铝喂入量为0.30千克，钢水中的溶解氧在0.0015重量％。

然后，对钢包内的钢水进行吹氩精炼，吹氩精炼的时间为10分钟，氩气吹入强度为每吨钢水3升/分钟；当钢水送到LF炉(带电加热的130吨钢包精炼炉)后，相对于每吨钢水，加入精炼渣6.0千克和铝丸0.5千克，然后加热钢水到1600℃，LF精炼共进行21分钟，然后将LF精炼后的钢水立即送到RH真空装置(带成分微调和真空循环脱气的钢包精炼炉)进行真空处理，真空度控制在300帕以下，真空精炼的温度为1590℃，钢水真空处理5分钟后，加入铝丸、碳粉、Fe-Si、Fe-Mn、Fe-Cr、Fe-Mo、Fe-Ti，使所得钢水中，以钢水的总重量为基准，C含量为0.46重量％、Si含量为0.16重量％、Mn含量为1.0重量％、Cr含量为1.01重量％、Mo含量为0.20重量％、Al含量为0.020重量％、Ti含量为0.025重量％、P含量为0.011重量％、S含量为0.005％，H含量为0.00012重量％、Ni含量为0.05重量％、Cu含量为0.04重量％、Sn含量为0.005重量％、N含量为0.0062重量％。RH真空精炼共进行10分钟。

将真空精炼后的钢水进行浇铸得到钢坯，浇铸在氩气氛围中进行，钢水平均浇铸温度为1515℃。

采用推钢式加热炉加热钢坯到1275℃，然后在1250℃温度下保温2小时，总加热时间为4.2小时。然后开始轧制钻铤用圆钢坯，终轧温度控制在900℃以上。轧后采用堆垛空冷方式进行冷却。

各成分的检测方法分别为碳素钢和中低合金钢火花源原子发射光谱分析方法，国家标准为GB/T4336。氧、氮含量的检测方法为脉冲加热惰气熔融-红外线吸收法，国家标准为GB/T11261。检测结果如表2所示。

对比例1

该实施例用于说明现有技术中的钻铤钢及其制备方法。

将含铁原料熔化成钢水，然后进行脱硫，将脱硫后的钢水进行吹炼，以钢水总重量为基准，当钢水中C含量为0.06重量％、P含量为0.018重量％、S含量为0.016重量％时立即出钢到钢包中。出钢时，相对于每吨钢水，先加沥青焦2.5千克(C含量为76重量％，攀枝花阳城冶金辅料有限公司)进行增碳，出钢1/3后，相对于每吨钢水，先在钢包中加入预脱氧剂铝铁合金(Al含量为40重量％，安阳市恒旺冶金耐材有限公司)3.2千克，然后相对于每吨钢水，加入精炼渣6.0千克、Fe-Mn-Si(Si含量为18重量％，Mn含量为68重量％，安阳市恒旺冶金耐材有限公司)4.6千克、Fe-Mn(Mn含量为81重量％，安阳市恒旺冶金耐材有限公司)4.0千克、Fe-Si(Si含量为74重量％，安阳市恒旺冶金耐材有限公司)2.4千克、Fe-Cr(Cr含量为63％，攀枝花攀宏冶金制品有限公司)13.6千克、Fe-Mo(Mo含量为60重量％，攀枝花攀宏冶金制品有限公司)2.5千克，进行Si、Mn、Cr、Mo元素的合金化，使所得钢水中，以钢水的总重量为基准，C含量为0.39重量％、Si含量为0.20重量％、Mn含量为0.85重量％、Cr含量为0.88重量％、Mo含量为0.18重量％。最后采用喂丝机喂铝线进行进一步的脱氧，相对于每吨钢水，铝喂入量为0.30千克，钢水中的溶解氧在0.0028重量％。

然后，对钢包内的钢水进行吹氩精炼，吹氩精炼的时间为12分钟，氩气吹入强度为每吨钢水2.5升/分钟；当钢水送到LF炉(带电加热的130吨钢包精炼炉)后，加入精炼渣4.2千克，然后加热钢水到1625℃，LF精炼共进行16分钟，然后将LF精炼后的钢水立即送到RH真空装置(带成分微调和真空循环脱气的钢包精炼炉)进行真空处理，真空度控制在300帕以下，真空精炼的温度为1610℃，钢水真空处理5分钟后，加入碳粉、Fe-Si、Fe-Mn、Fe-Cr、Fe-Mo，使所得钢水中，以钢水的总重量为基准，C含量为0.47重量％、Si含量为0.33重量％、Mn含量为0.90重量％、Cr含量为0.88重量％、Mo含量为0.18重量％、Al含量为0.014重量％、Ti含量为0.01重量％、P含量为0.020重量％、S含量为0.013％，H含量为0.00014重量％、Ni含量为0.05重量％、Cu含量为0.05重量％、Sn含量为0.005重量％、N含量为0.0065重量％。RH真空精炼共进行15分钟。

将真空精炼后的钢水进行浇铸得到钢坯，浇铸在氩气氛围中进行，钢水平均浇铸温度为1520℃。

采用推钢式加热炉加热钢坯到1295℃，然后在1270℃温度下保温1.5小时，总加热时间为3.5小时。然后开始轧制钻铤用圆钢坯，终轧温度控制在900℃以上。轧后采用堆垛空冷方式进行冷却。

各成分的检测方法分别为碳素钢和中低合金钢火花源原子发射光谱分析方法，国家标准为GB/T4336。氧、氮含量的检测方法为脉冲加热惰气熔融-红外线吸收法，国家标准为GB/T11261。检测结果如表2所示。

机械性能测试

将实施例1-4和对比例1制备的钻铤钢按标准取样，并按常规的调质工艺进行热处理后，进行机械性能测试，其中，拉伸性能按照GB/T228金属材料室温拉伸试验方法进行，分别检测屈服强度ReL，抗拉强度Rm，伸长率A及端面收缩率Z。按照GB/T229金属夏比缺口冲击试验方法检测冲击功Akv。检测的结果列在表3中。

表2

序号	T[O]/％	A类夹杂/级	B类夹杂/级	C类夹杂/级	D类夹杂/级	晶粒度/级
							实施例1	0.0012	1.0	1.0	0.5	0.5	8.0
对比例	0.0018	2.0	1.5	1.0	0.5	6.5
							实施例2	0.0012	1.0	1.0	0.5	0.5	8.0
实施例3	0.0010	0.5	1.0	0.5	0.5	8.5
							实施例4	0.0011	0.5	1.0	0.5	0.5	9.0

表3

序号	ReL/MPa	Rm/MPa	A/％	Z/％	Akv/J	距离淬火端50mm的硬度/HRC
							实施例1	990	1110	20.0	55.0	84	43
对比例	900	1050	14.0	46.0	58	43
							实施例2	955	1070	20.0	57.0	82	45
实施例3	965	1060	19.0	52.0	108	47
							实施例4	975	1090	25.0	55.0	95	48

从表2、表3可以看出：实施例1-4的钻铤钢与对比例的钻铤钢相比，D类夹杂物的含量级别相同，T[O]含量及A、B、C类夹杂物的含量级别比对比例的钻铤钢低，尤其是A类夹杂明显低于现有技术；并且，钢的晶粒度比对比例细小，距离淬火端50mm的硬度均大于40HRC，钢的屈服强度、抗拉强度、伸长率A、端面收缩率Z和冲击功显著提高，例如，实施例1提供的钻铤钢的屈服强度ReL为990兆帕、抗拉强度Rm为1110兆帕，伸长率A为20.0％、端面收缩率Z为55.0％、冲击功Akv为84焦耳；而对比例1提供的钻铤钢的屈服强度ReL为900兆帕、抗拉强度Rm为1050兆帕，伸长率A为14.0％、端面收缩率Z为46.0％、冲击功Akv为58焦耳。由此可知，本发明通过将钢中C、Si、Mn、Cr、Mo的含量控制在适当的范围，降低P、S含量，控制A、B、C、D类非金属夹杂物的含量级别，同时向钢中添加一定含量的微量元素Al和Ti，使制备的钻铤钢具有更高的强度和塑韧性。

Claims (18)

1.一种钻铤钢，其特征在于，以该钻铤钢总重量为基准，以元素计，C含量为0.41-0.47重量％、Si含量为0.15-0.3重量％、Mn含量为0.95-1.2重量％、Cr含量为0.95-1.2重量％、Mo含量为0.15-0.3重量％、Al含量为0.02-0.04重量％、Ti含量为0.01-0.03重量％、P含量≤0.02重量％、S含量≤0.015重量％、Ni含量≤0.2重量％、Cu含量≤0.2重量％、Sn含量≤0.05重量％、H含量≤0.0002重量％，N含量≤0.007重量％，余量为铁；所述钻铤钢的洁净度由T[O]含量以及A类、B类、C类和D类非金属夹杂物的含量级别表示，其中，该钻铤刚中的T[O]含量为≤0.0020重量％，按照夹杂物评级标准GB/T10561评价出该钻铤刚中的A类夹杂物为≤1.5级、B类夹杂物为≤1.5级、C类夹杂物为≤1.5级、D类夹杂物为≤1.5级。

2.根据权利要求1所述的钻铤钢，其中，以该钻铤钢总重量为基准，以元素计，C含量为0.43-0.46重量％、Si含量为0.15-0.25重量％、Mn含量为1.0-1.2重量％、Cr含量为1.0-1.2重量％、Mo含量为0.2-0.3重量％、Al含量为0.02-0.04重量％、Ti含量为0.015-0.025重量％、P含量≤0.015重量％、S含量≤0.010重量％、Ni含量≤0.2重量％、Cu含量≤0.2重量％、Sn含量≤0.05重量％、H含量≤0.00015重量％，N含量≤0.007重量％，余量为铁，T[O]含量为≤0.0015重量％。

3.一种钻铤钢的制备方法，该方法包括：

(1)采用脱硫后的铁水进行吹炼；

(2)将吹炼后的钢水出钢到钢包中，并在出钢到钢包的过程中进行增碳和合金化；

(3)将合金化后的钢水进行炉外精炼，所述炉外精炼的方法包括吹氩精炼、LF精炼及真空精炼；

(4)将炉外精炼后的钢水进行浇注；

其特征在于，在所述吹炼步骤中控制吹炼终点的钢水中C含量≥0.05重量％，P含量≤0.015重量％，S含量≤0.010重量％；

所述增碳和合金化的步骤包括在出钢过程中将增碳剂、精炼渣、硅铁合金、硅锰合金、铬铁合金和钼铁合金加入到钢包中，使得在该步骤得到的钢水中，以所述钢水总重量为基准，C含量为0.35-0.40重量％、Si含量为0.15-0.3重量％、Mn含量为0.95-1.10重量％、Cr含量为0.95-1.10重量％、Mo含量为0.2-0.3重量％；

所述吹氩精炼的时间为6-20分钟，氩气吹入强度为每吨钢水1.2-3.5升/分钟；

在所述LF精炼的步骤中，控制钢包渣碱度在2.0-3.5之间，使钢水中的S含量在0.010重量％以下；

所述真空精炼的步骤包括在真空条件下将增碳剂、硅铁合金、锰铁合金、铬铁合金、钼铁合金和钛铁合金中的一种或几种以及金属铝在真空条件下与LF精炼得到的钢水接触，使在该步骤获得的钢水中，C含量为0.43-0.46重量％、Si含量为0.15-0.25重量％、Mn含量为1.0-1.2重量％、Cr含量为1.0-1.2重量％、Mo含量为0.2-0.3重量％、Al含量为0.02-0.04重量％、Ti含量为0.01-0.03重量％。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，在所述吹炼步骤中，以铁水总重量为基准，所述吹炼步骤终点的C含量控制在0.05-0.15重量％。

5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述在出钢过程中将增碳剂、精炼渣、硅铁合金、硅锰合金、铬铁合金和钼铁合金加入到钢包中的方法包括在出钢开始时将增碳剂加入到钢包中，并在出钢1/4-1/2时将硅铁合金、硅锰合金、铬铁合金和钼铁合金加入到钢包中。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，该方法还包括将增碳剂加入到钢包后在将硅铁合金、硅锰合金、铬铁合金和钼铁合金加入到钢包中前，将预脱氧剂加入钢包中，对钢水进行预脱氧。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述预脱氧剂为铝铁合金或复合脱氧剂，相对于每吨钢水，预脱氧剂的加入量为2-4千克。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述复合脱氧剂为硅钙钡合金和铝锰铁合金中的一种或几种。

9.根据权利要求3-8中任意一项所述的方法，其中，该方法还包括在所述增碳和合金化步骤后，对所述钢水喂铝线，以控制钢水中的溶解氧为0.0030重量％以下。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，相对于每吨钢水，铝线的喂入量为0.25-0.60千克。

11.根据权利要求3、5或6所述的方法，其中，所述增碳剂为选自沥青焦、无烟煤和碳粉中的一种或几种。

12.根据权利要求3所述的方法，其中，所述LF精炼的条件包括所用精炼渣的用量为相对于每吨钢水4.5-6千克，铝丸的用量为相对于每吨钢水0.3-0.6千克，控制钢包渣的碱度为2.0-3.5，LF精炼的温度为1600-1630℃，LF精炼的时间为10-30分钟。

13.根据权利要求3所述的方法，其中，所述真空精炼的条件包括真空度在500帕以下，真空精炼的温度为1590-1620℃，真空精炼时间为10-18分钟。

14.根据权利要求3所述的方法，其中，在所述真空精炼的步骤中，所述增碳剂、硅铁合金、锰铁合金、铬铁合金、钼铁合金和钛铁合金中的一种或几种以及金属铝是在真空精炼5分钟后加入。

15.根据权利要求3所述的方法，其中，所述浇注在零族气体保护下进行，浇注时钢水过热度为20-40℃。

16.根据权利要求3所述的方法，其中，所述浇注时钢水的温度为1505-1525℃。

17.根据权利要求3所述的方法，其中，该方法还包括将浇注得到的钢坯加热到1270-1300℃，并在1230-1270℃下保温1.5-2.5小时，之后进行轧制，且终轧温度为900℃以上。

18.根据权利要求3所述的方法，其中，在所述吹炼步骤中，以所述脱硫后的铁水的总量为基准，所述脱硫后的铁水中的C含量为＞3.5重量％，Ni含量＜0.2重量％、Cu含量＜0.2重量％、Sn含量＜0.05重量％。