CN103667928B

CN103667928B - 一种抗低温脆性n80级石油管用钢及其制造方法

Info

Publication number: CN103667928B
Application number: CN201310633405.4A
Authority: CN
Inventors: 戈文英; 梁娜; 张海霞; 翟正龙; 窦圣朋; 袁淑君; 何爱国; 王蕾
Original assignee: Laiwu Iron and Steel Group Co Ltd
Current assignee: Laiwu Iron and Steel Group Co Ltd
Priority date: 2013-11-29
Filing date: 2013-11-29
Publication date: 2016-04-27
Anticipated expiration: 2033-11-29
Also published as: CN103667928A

Abstract

本发明涉及一种抗低温脆性N80级石油管用钢及其制造方法，其采用电炉冶炼，铁水比例不小于60%；终点C：0.10～0.15%、P≤0.008%。精炼渣碱度值为3.0～3.5，LF出钢前，控制钢中酸溶铝含量目标在0.015～0.040%，按照1.0～2.5m/t钢喂入钙线进行钙变质处理。精炼后真空处理。采用连铸浇注铸坯，连铸中采用结晶器电磁搅拌和末端电磁搅拌。控制中间包温度，拉速，加热均热温度1200～1250℃，加热时间2～3.5小时，开轧温度1100～1150℃，终轧温度850～1000℃。制得热轧圆钢。采用发明钢制得的钢管具有优良的抗低温脆性，可以应用于-50℃石油作业环境。

Description

一种抗低温脆性N80级石油管用钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种抗低温脆性N80级石油管用钢及其制造方法，属于石油套管用钢技术领域。

背景技术

石油产业的飞速发展，人们对石油工业用钢的需求日益加大，随着全球石油储量的逐步减少，恶劣环境下油气田以及深井和其它苛刻条件下的油气田相继开发，如英国北海油田、北美、挪威、俄罗斯、哈萨克斯坦及我国东北等地区的油田，这些油田冬季服役温度常低至-30～-50℃。低温环境下比较突出的问题是低温脆断，低温脆性不仅取决于晶格类型，还受材料的成分、组织等因素影响，因此改善钢材的低温性能对于石油管用钢具有重要的意义。

中国专利CN1088998A高韧性高强度石油管用钢提供了一种N80石油管用钢，其主要成分为C：0.15～0.60%、Si：0.08～0.5%、Mn：0.70～1.5%、Cr：0.20～1.00%、Ca：0.003～0.015%、Al：0.01～0.08%、S≤0.035%、P≤0.035%、Ni≤0.3%、Mo≤0.2%、Cu≤0.4%、V≤0.2%、Ti≤0.10%、Ni≤0.05%、RE≤0.02%，余量为铁。

中国专利文献CN1894434A（申请号200480037950.6）公开了一种超高强度的管线管的钢板和具有优异的低温韧度的超高强度的管线管及其制造方法，所述钢板包含0.03至0.07质量%的C、不超过0.6质量%的Si、1.5至2.5质量%的Mn、不超过0.015质量%的P、不超过0.003质量%的S、0.1至1.5质量%的Ni、0.15至0.60质量%的Mo、0.01至0.10质量%的Nb、0.005至0.030质量%的Ti、不超过0.06质量%的AL、一种或多种规定量的B、N、V、Cu、CR、CA、REM(稀土金属)和Mg，剩余部分由铁和不可避免的杂质组成,并且在2.5≤P≤4.0下(HV-AVE)/(HV-M)的比值介于0.8至0.9之间，其中HV-AVE是基体金属厚度方向上的平均维式硬度并且HV-M是取决于C含量的马氏体硬度(HV-M=270+1300C),并且拉伸强度TS-C介于900MPA和1100MPA之间；P=2.7C+0.4SI+MN+0.8CR+0.45(NI+CU)+(1+Β)MO-1+Β(当B≥3PPM时Β=1,并且当B<3PPM时Β=0)。

虽然上述产品作为管路用钢常规条件下具有优异的韧性和强度，但在高寒或极寒等特殊条件下，韧性和强度显著下降，影响了其在高寒地区的应用。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种抗低温脆性N80级石油管用钢及其制造方法。

发明概述

本发明采用Mn、Cr、Mo、Nb、Al多元合金化方法，并严格控制钢中P、S，As、Sn、Pb、Sb、Bi有害元素含量来提高钢材的综合性能；本发明还提供了钢的制造方法，严格控制生产工艺，从而控制组织、晶粒度等影响钢材低温性能的因素，生产的石油管用钢纯净度高、具有良好的抗低温性能。

发明详述

本发明的技术方案如下：

一种抗低温脆性N80级石油管用钢，其化学成分按质量百分比计为：

C：0.24～0.32%、Si：0.15～0.35%、Mn：0.65～1.20%、Cr：0.70～1.20%、Mo：0.30～0.55%、P：≤0.012％、S：≤0.005％、Al_s：0.015～0.040%、Nb：0.010～0.050%、Ni：≤0.50%、Cu：≤0.10％、As：≤0.020％、Sn：≤0.020％、Pb：≤0.0025％、Sb：≤0.025％、Bi：≤0.005％，其余为Fe和不可避免的杂质。

在上述优化设计基础上，为保证钢的性能稳定一致，优选的，钢的组成按质量百分数为：

C：0.24～0.28%、Si：0.15～0.35%、Mn：0.65～0.75%、Cr：0.80～1.00%、Mo：0.40～0.50%、P：≤0.012％、S：≤0.005％、Al_s：0.015～0.040%、Nb：0.030～0.050%、Ni：0.10～0.25%、Cu：≤0.10％、As：≤0.020％、Sn：≤0.020％、Pb：≤0.0025％、Sb：≤0.025％、Bi：≤0.005％，其余为Fe和不可避免的杂质。

材料的成分对钢的低温性能有重要影响。对于碳而言，随着含碳量的增加，冲击功上平台下移，脆性转变温度向高温移动，转变温度区间变宽，而且含碳量在0.30%以上更明显，综合考虑强度与低温性能，设计C：0.24～0.32wt%；Mn/C对脆性转变温度有很大影响，为了保证有比较满意的脆性转变温度，设计Mn：0.65～0.90wt%，使Mn/C约为3；

Mo含量为0.30～0.55wt%，过高或过低的Mo都会使钢的脆性变大，含Mo钢具有良好的抗高温回火脆性；

添加微量的Nb：0.010～0.050wt%，通过其碳、氮化物质点弥散析出及Nb的固溶、细化晶粒，极大地提高钢的强度、韧性，特别是低温韧性；

添加一定的Ni，改善钢的低温韧性；P、S对钢材的塑性、冲击性能都有不利影响，应尽量减少其含量，设计P：≤0.012％、S：≤0.005％，低P、S设计可以改善钢的低温脆性；

同时As、Sn、Pb、Sb、Bi有害元素含量必须严格控制，以提高钢的纯净度，提高钢的综合性能。

上述抗低温脆性N80级石油管用钢的制造方法，包括以下步骤：

（1）冶炼

冶炼原料为重型废钢及铁水，冶炼过程中铁水比例为60wt%～70wt%，铁水中硫含量控制在0.040wt%以下；冶炼全过程造泡沫渣操作，经均匀脱碳，减少钢水吸氮操作，加强脱磷操作，使终点钢水C含量：0.10～0.15wt%、P含量≤0.008wt%；残余及有害元素含量Cu：≤0.10wt％、As：≤0.020wt％、Sn：≤0.020wt％、Pb：≤0.0025wt％、Sb：≤0.025wt％、Bi：≤0.005wt％，钢水的出钢温度1620～1680℃，出钢时按每吨钢水流加铝锰铁1.5～2.5kg、合成渣10～15kg，合金化过程中使用磷含量不大于0.025wt%的锰铁和铬铁；

（2）LF炉外精炼

精炼渣碱度值为3.0～3.5，TFe（总铁）+MnO≤1.0wt%，精炼过程保持白渣，脱硫；LF出钢前，控制钢中酸溶铝含量为0.015～0.040wt%，按每吨钢1.0～2.5m喂入钙线进行钙变质处理；

精炼后真空处理，真空度小于67Pa，保持时间大于15分钟，真空处理（VD）后软吹氩时间大于15分钟；

（3）浇注

采用连铸浇注铸坯，控制连铸中间包钢水温度1522～1537℃，连铸拉坯速度0.50～1.15m/min；

（4）轧制

对连铸坯进行缓冷后轧制，控制加热炉钢坯均热温度1200～1250℃，均热时间2～3.5小时，开轧温度1100～1150℃，终轧温度850～1000℃。

根据本发明优选的，所述步骤（1）的冶炼为电炉冶炼。

所述步骤（1）的铝锰铁为本领域常用市售产品，优选的，所述步骤（1）的铝锰铁成分如下，均为重量百分比：

Al≥55%，Mn≥5%，Ti≥1%，Si≤0.8%，P≤0.05%，S≤0.05%，C≤0.5%，余量为铁和不可避免的杂质，各组分之和为100%。

所述步骤（1）的合成渣为本领域常用市售产品，优选的，所述步骤（1）的合成渣成分如下，均为重量百分比：

Al₂O₃≥50%，SiO₂≤15%，CaO=25～30%，MgO≤8%，H₂O≤0.5%，余量为铁和不可避免的杂质，各组分之和为100%。

根据本发明优选的，所述步骤（2）的脱硫，使硫含量不大于0.005wt%。

根据本发明优选的，所述步骤（3）的连铸中采用结晶器电磁搅拌和末端电磁搅拌，结晶器电磁搅拌参数200A/3.0Hz，末端电磁搅拌参数100A/12Hz。

上述制备方法中添加的原料如无特殊说明均可采用现有常规市售产品，制备方法中未加限定的工艺条件均可参照本领域常规技术。

与现有技术相比，本发明的技术方案的优良效果如下：

1、本发明钢采用多元合金化的方法，通过合理的合金元素设计及配比，添加Nb微合金化元素，获得了一种抗低温脆性石油管用钢，发明钢具有良好的抗低温脆性和综合性能，可应用于-50℃作业环境。

2、本发明在生产工程中，通过制造工艺优化，严格控制P、S及As、Sn、Pb、Sb、Bi有害元素含量，保证钢良好的抗低温脆性和综合性能，延长钢的使用寿命。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步说明，但本发明所保护范围不限于此。

原料说明

重型废钢：符合GB4223-2004标准的市售重型废钢。

检测方法

低倍检验按GB/T226、GB/T1979检测；

高倍检验按GB/T10561检测；

屈服强度、抗拉强度、延伸率按GB/T228、GB/T6397检测；

冲击功按GB/T229检测。

实施例

一种抗低温脆性N80级石油管用钢及其制造方法。采用UHP超高功率电炉、LF炉外精炼、VD真空脱气处理工艺冶炼，连铸浇注铸坯、轧制成材工艺生产钢材。实施例是以Φ160mm规格钢材的生产工艺来具体说明本发明是如何实施的。

抗低温脆性N80级石油管用钢的制造方法，包括以下步骤：

（1）冶炼

采用电炉冶炼，电炉冶炼入炉原料为重型废钢及铁水，铁水比例60wt%～70wt%，铁水脱硫严格执行工艺规程，铁水硫控制在0.030wt%以下；电炉冶炼全过程造泡沫渣操作，经均匀脱碳，减少钢水吸氮操作，加强脱磷操作，使终点钢水C含量：0.10～0.15wt%、P含量：≤0.008wt%，残余及有害元素含量Cu：≤0.10wt%、As：≤0.020wt%、Sn：≤0.020wt%、Pb：≤0.0025wt%、Sb：≤0.025wt%、Bi：≤0.005wt%，钢水的出钢温度1640～1660℃。电炉出钢过程随出钢流加铝锰铁1.5～2kg/t钢，合成渣用量10～15kg/t钢，所述铝锰铁成分如下，均为重量百分比：Al=55%，Mn=5%，Ti=1%，Si=0.8%，P=0.05%，S=0.05%，C=0.5%，余量为铁和不可避免的杂质，各组分之和为100%；所述合成渣成分如下，均为重量百分比：Al₂O₃=50%，SiO₂=15%，CaO=25%，MgO=8%，H₂O=0.5%，余量为铁和不可避免的杂质，各组分之和为100%。为控制P、S，合金化过程使用低磷、低硫的锰铁和铬铁，锰铁、铬铁的磷、硫含量不大于0.025wt%。

（2）LF炉外精炼

精炼渣碱度值为3.0～3.5，TFe+MnO≤1.0wt%，精炼过程保持白渣时间20～25分钟，加强脱硫操作。LF出钢前，控制钢中酸溶铝含量目标在0.020～0.030wt%，按照1.5～2m/t钢喂入钙线进行钙变质处理。

精炼后真空处理，真空度40～60Pa，保持时间15～18分钟，真空处理（VD）后软吹氩时间15～18分钟。

（3）浇注

采用连铸浇注铸坯，连铸中采用结晶器电磁搅拌和末端电磁搅拌。控制中间包温度1525～1535℃，拉速0.50～0.55m/min；结晶器电磁搅拌参数200A/3.0Hz，末端电磁搅拌参数100A/12Hz，以保证铸坯质量。

（4）轧制

对连铸坯进行缓冷后轧制，控制加热炉均热温度1200～1230℃，加热时间2.5～3.5小时，开轧温度1100～1130℃，终轧温度900～950℃。制得热轧圆钢。

具体参数见表1和表2。表1是采用实施例所述方法制备抗低温脆性N80级石油管用钢的不同化学成分配比列表，有害元素As≤0.015wt%、Sn≤0.015wt%、Pb≤0.0020wt%、Sb≤0.020wt%、Bi≤0.005wt%。

表1：实施例化学成分（重量，％）

实施例	C	Si	Mn	Cr	Mo	Al_s	P	S	Nb	Cu	Ni	Fe
													1	0.25	0.22	0.74	0.97	0.54	0.027	0.010	0.002	0.049	0.03	0.48	余量
2	0.26	0.26	0.73	0.99	0.40	0.035	0.009	0.003	0.040	0.03	0.10	余量
													3	0.26	0.25	0.74	0.98	0.41	0.036	0.008	0.002	0.039	0.03	0.11	余量
4	0.26	0.26	0.75	0.99	0.42	0.033	0.009	0.003	0.038	0.03	0.11	余量
													5	0.26	0.24	0.74	1.00	0.32	0.021	0.008	0.001	0.011	0.03	0.03	余量

表2是实施例采用不同连铸中间包钢水温度、拉坯速度、钢坯均热温度、均热时间及轧制温度条件的列表。

表2：连铸中间包钢水温度、拉坯速度、钢坯加热温度、时间及变形温度

表3低倍检验结果

表4高倍检验结果

结果分析：从表3可以看出，采用本发明制造的钢材组织致密、实物质量良好；从表4可以看出，采用本发明制造的钢材纯净度高、晶粒细小。

表5钢管调质处理后力学性能

从表1成分设计和表5检验的力学性能分析，可以看出对本发明钢的性能起到关键作用的Mo、Nb、Ni合金元素在本发明设计范围内，钢的综合性能最优。

另外，按中国专利文献CN1894434A（申请号200480037950.6）中的记载的工艺制备了两种钢的试样，并按上述检测条件进行了力学性能检测，参数见表6和表7。

表6对比例（中国专利文献CN1894434A）化学成分（重量，％）

对比例	C	Si	Mn	Mo	Al_s	P	S	Nb	Ti	Ni	Fe
												1	0.04	0.20	2.5	0.54	0.047	0.010	0.002	0.099	0.03	1.48	余量
2	0.07	0.56	1.52	0.17	0.035	0.009	0.003	0.010	0.006	0.10	余量

表7对比例（中国专利文献CN1894434A）力学性能

由表7可以看出，对比例的钢强度低，不能达到N80级石油管用钢性能要求。

Claims

1.一种抗低温脆性N80级石油管用钢的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）冶炼

冶炼原料为重型废钢及铁水，冶炼过程中铁水比例为60wt%～70wt%，铁水中硫含量控制在0.040wt%以下；冶炼全过程造泡沫渣操作，经均匀脱碳，减少钢水吸氮操作，加强脱磷操作，使终点钢水中C含量：0.10～0.15wt%、P含量≤0.008wt%；残余及有害元素含量Cu：≤0.10wt％、As：≤0.020wt％、Sn：≤0.020wt％、Pb：≤0.0025wt％、Sb：≤0.025wt％、Bi：≤0.005wt％，钢水的出钢温度1620～1680℃，出钢时按每吨钢水流加铝锰铁1.5～2.5kg、合成渣10～15kg，合金化过程中使用磷含量不大于0.025wt%的锰铁和铬铁；

所述铝锰铁成分如下，均为重量百分比：

Al≥55%，Mn≥5%，Ti≥1%，Si≤0.8%，P≤0.05%，S≤0.05%，C≤0.5%，余量为铁和不可避免的杂质，各组分之和为100%；

所述合成渣成分如下，均为重量百分比：

Al₂O₃≥50%，SiO₂≤15%，CaO=25～30%，MgO≤8%，H₂O≤0.5%，余量为铁和不可避免的杂质，各组分之和为100%；

（2）LF炉外精炼

精炼渣碱度值为3.0～3.5，TFe+MnO≤1.0wt%，精炼过程保持白渣，脱硫；LF出钢前，控制钢中酸溶铝含量为0.015～0.040wt%，按每吨钢1.0～2.5m喂入钙线进行钙变质处理；

精炼后真空处理，真空度小于67Pa，保持时间大于15分钟，真空处理后软吹氩时间大于15分钟；

（3）浇注

（4）轧制

对连铸坯进行缓冷后轧制，控制加热炉钢坯均热温度1200～1250℃，均热时间2～3.5小时，开轧温度1100～1150℃，终轧温度850～1000℃；

上述制得的抗低温脆性N80级石油管用钢，其化学成分按质量百分比计为：

2.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述步骤（1）的冶炼为电炉冶炼。

3.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述步骤（2）的脱硫，使硫含量不大于0.005wt%。

4.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述步骤（3）的连铸中采用结晶器电磁搅拌和末端电磁搅拌，结晶器电磁搅拌参数200A/3.0Hz，末端电磁搅拌参数100A/12Hz。