CN103510010A - 一种Cr合金化电阻焊石油套管用钢及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种Cr合金化电阻焊石油套管用钢及其制造方法，其化学成分：C：0.15%-0.20%，Si：0.10%-0.35%，Mn：0.90%-1.15%，P：≤0.020%，S：≤0.008%，Ti：0.010%-0.030%，Cr：0.08%-0.28%，Als：0.02%-0.06%， N：≤0.008%，其余为Fe和不可避免元素。其制造方法包括冶炼、连铸、轧制、冷却、卷取，连铸板坯加热温度为1100-1200℃，采用两阶段控制轧制，第一阶段开轧温度为1050-1150℃，终轧温度大于970℃，累计变形量60%以上；第二阶段开轧温度小于990℃，终轧温度为780-850℃，累计变形量70%以上；轧后的钢带以冷却速度10-15℃/s冷却至570-640℃进行卷取；其金相组织为铁素体-珠光体，其珠光体体积含量占6%-40%。本发明采用Cr合金化设计，无需添加Nb、V贵重合金，通过控制轧制、冷却、卷曲工艺，使钢板满足API SPEC 5CT标准对J55级钢管的要求。
Description
技术领域
本发明属于一种ERW（ERW，Electric Resistance Weld，高频电阻焊）套管用钢的制造领域，尤其涉及API SPEC 5CT中一种Cr合金化电阻焊石油套管用钢及其制造方法。
背景技术
石油套管是油田最常用的石油专用管材之一，用量大，花钱多，是油气田钻采作业中必不可少的施工材料。ERW套管与无缝管相比，具有壁厚均匀、尺寸精度高、射孔性能好、抗挤毁能力强、成本低等显著优势，中、低钢级ERW套管正在替代传统的无缝钢管。
API Spec 5CT规定：J55级别钢管的屈服强度在379-552MPa之间，抗拉强度≥517MPa，伸长率≥24%，冲击功没有强制要求，可选择Akv（21℃，横向）≥20J。
J55直缝焊石油套管钢要求材料除了具备相应的强度要求外，还具有良好的焊接性能、成型性能和冲击韧性。目前，ERW-J55钢的成分设计通常采用低碳（<0.20%），结合Nb、V和Ti多元化合金强化的成分设计。如“一种基于电炉薄板坯连铸连轧流程生产J55钢级石油套管用钢的方法”公开号CN 1884787A、“一种低成本的石油套管用钢及其生产方法” 公开号CN 101200791A、“高强韧性J55石油套管用钢及其生产方法” 公开号CN 101210299A，均采用Nb、Ti复合添加；“一种钒合金化直缝电阻焊石油套管用钢及其制造方法”公开号CN 1019994057A采用V、Ti复合添加；采用Nb、Ti或V、Ti复合添加，合金成本高，且Nb微合金化钢在实际生产中往往会带来铸坯角横裂等问题；“一种石油套管用钢、高频焊石油套管及其制造方法”公开号CN 101928877A、“直缝焊石油套管用热轧板带及其生产方法” 公开号CN 101033525A、“制造J55级焊接石油套管的低合金高强度钢” 公开号CN 1924061A采用Nb或者V或者Ti之一强化，单个添加Nb或者V或者Ti强化，生产的钢带屈服强度偏低，考虑到制管时包申格效应导致强度的下降，最终钢管的强度难以满足标准要求。以上公开的直缝焊石油套管用钢达到了美国石油协会API Spec 5CT规定的J55钢带要求，但都存在强度偏低或贵重合金成本高的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述问题和不足而提供一种高频电阻焊石油套管钢及其制造方法，特别是采用Cr合金化设计，无需添加Nb、V贵重合金，通过控制轧制、冷却、卷曲工艺，使钢板满足API SPEC 5CT标准对J55级钢管的要求。
为实现本发明，针对目前J55级ERW石油套管用钢生产存在的技术问题，发明者们从合金元素筛选与配比、工艺优化与参数选择、组织优化等几个方面进行了大量而系统的试验研究，最终确定了可满足本发明目的合金元素配比及制造工艺。
本发明是这样实现的：该Cr合金化电阻焊石油套管用钢的成分按重量百分比计如下：C：0.15%-0.20%，Si：0.10%-0.35%，Mn：0.90%-1.15%，P：≤0.020%，S：≤0.008%，Ti：0.010%-0.030%，Cr：0.08%-0.28%，Als：0.02%-0.06%， N：≤0.008%，其余为Fe和不可避免元素。
本发明各合金元素范围选择的说明：
C：碳为碳化物形成元素，通过固溶强化提高钢材的强度，是保证强度的最有效元素。碳含量的提高可以有效提高淬透性，因此，碳含量不宜过低；但碳含量过高将影响钢带的冲击韧性，所以，碳含量也不能过高，碳控制在0.15%-0.20％较为适宜。
Si：硅可以起到固溶强化作用，但其含量过高会使钢的塑性和韧性降低，其最佳范围是0.10%-0.35％。
Mn：锰具有固溶强化作用，还能增加奥氏体稳定性，对提高淬透性也有利，有效保证钢的强度。但锰含量过大，可增加连铸坯的中心偏析倾向，影响热轧钢材的组织均匀性，给焊缝质量带来负面影响，其最佳范围是0.90%-1.15％。
P：磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏，应控制其含量≤0.020%。
S：硫是钢中有害元素，使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，焊接性能也不利，应控制其含量≤0.008%。
Ti：钛是强碳氮化物形成元素，显著细化奥氏体晶粒，可弥补因碳降低而引起的强度的下降。但含量太高，易形成粗大的TiN，降低材料性能，合适的范围是0.010%-0.030%。
Cr：铬可通过固溶强化和细晶强化来提高强度。Cr是中等碳化物形成元素，在所有各种碳化物中，铬碳化物是最细小的一种，它可均匀地分布在钢体积中，并且阻碍奥氏体晶界的移动和奥氏体晶粒的长大，起到细化晶粒的作用；Cr元素溶入奥氏体后增大过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移，提高钢的淬透性。钢材具有高的强度、硬度。但Cr含量过高会显著提高钢的脆性转变温度，降低伸长率。合适的范围是0.08%-0.28%。
Als：铝是常用的脱氧剂，在钢中加入少量的铝，可细化晶粒，提高冲击韧性，合适的范围是0.02%-0.06%。
N：固溶氮有钉扎位错的强烈作用，对韧性有不良影响，应控制其含量≤0.008%。
本发明Cr合金化电阻焊石油套管用钢的制造方法包括以下步骤，包括冶炼—>连铸—>轧制—>冷却—>卷取。
（1）轧制工艺：连铸板坯加热温度为1100-1200℃，进行两阶段控制轧制，第一阶段开轧温度为1050-1150℃，终轧温度大于970℃，累计变形量60%以上；第二阶段开轧温度小于990℃，终轧温度为780-850℃，累计变形量70%以上，有效细化奥氏体晶粒，提高钢带最终强度和韧性。
（2）冷却工艺：轧后的钢带以冷却速度10-15℃/s冷却至570-640℃进行卷取。该冷却速度下，可以有效细化铁素体晶粒，可提高强度，保证一定的韧性；在570-640℃卷取，获得铁素体-珠光体组织，保证珠光体含量占6%-40%；同时在该温度范围卷取有助于细小的第二相粒子析出，对钢带的强度和韧性有利，且卷取机的负荷小。
本发明技术方案的有益效果在于：1）用Cr合金化取代贵重合金Nb、V、Ti复合添加，节约合金成本，又保证足够的强度；生产出的ERW石油套管用钢带，满足API SPEC 5CT标准对J55级钢管的要求。2）避免了Nb微合金化钢在实际生产中往带来铸坯角横裂问题。3）钢带具有一定的韧性和良好焊接性。
附图说明
图1为本发明实施例1钢板的显微组织。
图2为本发明实施例3钢板的显微组织。
图3为本发明实施例5钢板的显微组织。
图4为本发明实施例6钢板的显微组织。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步的说明。
采用铁水预处理+转炉冶炼+ LF精炼的冶炼+板坯连铸工艺路线。转炉冶炼采用顶吹或顶底复合吹炼， LF炉精炼轻脱硫处理、及进行钙处理，确保钢质的纯净度，连铸采用电磁搅拌或动态轻压下，确保钢坯质量。
连铸坯轧制前经加热炉加热至1100-1200℃，进行两阶段控制轧制，第一阶段开轧温度为1050-1150℃，终轧温度大于970℃，累计变形量60%以上；第二阶段开轧温度小于990℃，终轧温度为780-850℃，累计变形量70%以上。
将轧制后的钢带进以冷却速度10-15℃/s冷却至570-640℃进行卷取。该冷却速度下，可以有效细化铁素体晶粒，可提高强度，保证一定的韧性；在570-640℃卷取，获得铁素体-珠光体组织，保证珠光体含量占6%-40%；同时在该温度范围卷取有助于细小的第二相粒子析出，对钢带的强度和韧性有利，且卷取机的负荷小。
产品的化学成分如表1所示，采用的主要生产工艺参数见表2,石油套管用钢力学性能及晶粒度见表3所示。
表1 化学成分（wt，％）
| 实施例 | C | Si | Mn | P | S | Cr | Ti | Als | N |
| 1 | 0.20 | 0.22 | 1.12 | 0.002 | 0.003 | 0.08 | 0.014 | 0.025 | 0.004 |
| 2 | 0.18 | 0.25 | 1.10 | 0.010 | 0.006 | 0.10 | 0.018 | 0.027 | 0.003 |
| 3 | 0.16 | 0.30 | 1.15 | 0.016 | 0.006 | 0.27 | 0.030 | 0.026 | 0.006 |
| 4 | 0.17 | 0.20 | 1.10 | 0.005 | 0.004 | 0.23 | 0.021 | 0.030 | 0.005 |
| 5 | 0.20 | 0.27 | 0.96 | 0.012 | 0.005 | 0.15 | 0.030 | 0.044 | 0.006 |
| 6 | 0.20 | 0.19 | 1.06 | 0.011 | 0.004 | 0.16 | 0.024 | 0.037 | 0.004 |
表2 加热、轧制、冷却工艺
表3 力学性能和晶粒度
由表3可见，采用本发明的成分设计、轧制、冷却和卷取工艺，生产出的ERW石油套管用钢带，满足API SPEC 5CT标准对J55级钢管的要求。
Claims (3)
1.一种Cr合金化电阻焊石油套管用钢，其特征在于其化学成分重量百分比为：C：0.15%-0.20%，Si：0.10%-0.35%，Mn：0.90%-1.15%，P：≤0.020%，S：≤0.008%，Ti：0.010%-0.030%，Cr：0.08%-0.28%，Als：0.02%-0.06%， N：≤0.008%，其余为Fe和不可避免元素。
2.根据权利要求1所述的一种Cr合金化电阻焊石油套管用钢，其特征在于，其金相组织为铁素体-珠光体，其珠光体体积含量占6%-40%。
3.一种权利要求1所述Cr合金化电阻焊石油套管用钢的制造方法，包括冶炼、连铸、轧制、冷却、卷取，其特征在于：（1）轧制工艺：连铸板坯加热温度为1100-1200℃，采用两阶段控制轧制，第一阶段开轧温度为1050-1150℃，终轧温度大于970℃，累计变形量60%以上；第二阶段开轧温度小于990℃，终轧温度为780-850℃，累计变形量70%以上；（2）冷却工艺：轧后的钢带以冷却速度10-15℃/s冷却至570-640℃进行卷取。
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