CN103952632A - 石油钻采设备泥浆泵承压件用铸钢及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石油钻采设备泥浆泵承压件用铸钢，按照质量百分比由以下成份组成：C0.22％-0.3％，Mn0.7％-0.9％，Cr0.8％-1％，Mo0.2％-0.3％，Si0.2％-0.4％，Re0.01％-0.015％，S≤0.02％，P≤0.025％，Cu≤0.4％，Ni≤0.4％，W≤0.1％，微量元素之和≤1％，余量为Fe。本发明还公开了该种石油钻采设备泥浆泵承压件用铸钢的制备方法。本发明的铸钢，具有强度高、抗冲压耐磨性能、冲击韧性和焊接性能良好的特性，完全满足了石油钻采设备泥浆泵主要的承压件空气包、排出管路和滤网外壳的使用要求。

Description

石油钻采设备泥浆泵承压件用铸钢及制备方法

技术领域

本发明属于材料技术领域，涉及一种石油钻采设备泥浆泵承压件用铸钢，本发明还涉及该种铸钢的制备方法。

背景技术

随着石油钻采设备市场国际化，对石油钻机性能提出了更高的要求，钻采设备性能必须符合API Spec7K的要求。石油钻采设备泥浆泵的空气包、排出管路和滤网外壳等是受高压流体压力的关键承压部件，要求在70Mpa的压力下运行20分钟不渗漏，要求其材料的焊接性好、刚性好、强度高。

现有的材质使用ZG35CrMo，由于ZG35CrMo的可焊性较差，易产生冷裂纹，磁粉探伤通过率低，不能满足API Spec7K会标认证对材料的要求。采用锻造方式制作空气包虽然缺陷少，使用寿命长，但是工艺流程复杂，生产成本极高。为此，急需设计出一种性能优良、价格低廉的材料，解决技术与成本的矛盾，以满足石油钻采设备的发展要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种石油钻采设备泥浆泵承压件用铸钢，解决了现有技术中的石油钻采设备泥浆泵承压件，技术参数与制作成本不能兼顾的问题。

本发明的另一目的是提供该种石油钻采设备泥浆泵承压件用铸钢的制备方法。

本发明采用的技术方案是：一种石油钻采设备泥浆泵承压件用铸钢，按照质量百分比由以下成份组成：

C0.22％-0.3％，Mn0.7％-0.9％，Cr0.8％-1％，Mo0.2％-0.3％，Si0.2％-0.4％，Re0.01％-0.015％，S≤0.02％，P≤0.025％，Cu≤0.4％，Ni≤0.4％，W≤0.1％，微量元素之和≤1％，余量为Fe。

本发明采用的另一技术方案是：一种上述的石油钻采设备泥浆泵承压件用铸钢的制备方法，按照以下步骤实施：

步骤1、配料；

步骤2、冶炼；

步骤3、氧化脱碳，去气去夹杂；

步骤4、还原期调整成分，倾炉出钢。

本发明的有益效果是：具有强度高、抗冲压耐磨性能、冲击韧性和焊接性能良好的特性，完全满足了石油钻采设备泥浆泵主要的承压件空气包、排出管路和滤网外壳的使用要求，满足API Spec7K会标认证对材料的要求，空气包满足了欧盟的CE认证标志。具体包括：

1)本发明具有良好的力学性能、焊接性和强的抗冲压耐磨性能的特性，完全满足了石油钻采设备泥浆泵主要承压铸钢件空气包、派出管路和滤网外壳的使用要求。

2)本发明经双基尔试块取样进行力学性能测试表明，其力学性能指标远远高于API Spec7K的要求。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的石油钻采设备泥浆泵承压件用铸钢，按照质量百分比(wt％)由以下成份组成：C0.22％-0.3％，Mn0.7％-0.9％，Cr0.8％-1％，Mo0.2％-0.3％，Si0.2％-0.4％，Re0.01％-0.015％，S≤0.02％，P≤0.025％，Cu≤0.4％，Ni≤0.4％，W≤0.1％，微量元素之和≤1％，余量为Fe。

本发明铸钢材料中的各个组分含量的控制原理是：

C元素是强化铸钢的最有效元素，但考虑到铸钢件的焊接性能，故把C含量控制在0.3％以下；Mn元素在铸钢中起到多种功效，如固溶强化，增加强度和硬度，提高淬透性、改善铸钢的热加工性能。考虑到空气包等承压铸钢件需要承受泥浆的冲击、挤压和磨损，工况条件恶劣，又考虑到锰增高降低焊接性能，故把锰含量控制在0.7％-0.9％；Cr元素加入也起固溶强化作用，能增加强度和硬度，更多考虑地到铬的抗氧化性和抗腐蚀性；Mo能使钢的晶粒细化，提高钢的淬透性，抑制合金钢的回火脆性；为了减少钢中夹杂物的含量，降低铸钢件的“冷脆性”，P元素控制在0.025％以下；考虑到设备的使用工况，降低铸钢件的“热脆性”，S元素控制在0.02％以下；Re(稀土)的加入是为了改变铸钢中夹杂的形态而进行的变性处理。这一切都为铸钢材料具有良好的力学性能、焊接性和强的抗冲压耐磨性能提供了必要的条件。

本发明铸钢的制备方法，按照以下步骤实施：

步骤1、配料选取不含大量Ni、Cu、W的无锈、无油废钢铁，加适量生铁或石墨块，将配碳量控制在0.5％-0.6％。

步骤2、采用碱性电弧炉熔化、氧化、还原“三期”炼钢法进行冶炼，熔化期吹氧助熔添加活性石灰造渣，加小铁矿石增加渣中的氧化铁，待反应后倾炉流渣，如此反复至磷含量≤0.015％；

步骤3、氧化期温度不低于1580℃，采用吹氧和加矿石综合氧化法脱碳，去气去夹杂，脱碳速度控制在0.01-0.03％/min，脱碳量不低于0.3％，氧化终了碳含量不低于0.15％；

步骤4、还原期扒除干净氧化渣，按铸钢总质量的10％加入石灰和萤石造还原渣，石灰和萤石的配比为4：1，随炉加入合金调整成分并推渣搅拌，用复合脱氧剂碳化硅扩散脱氧，保持白渣不低于20分钟；出钢前5-10分钟，按铸钢总质量的0.1％-0.15％加入稀土(Re)含量45％的稀土硅对夹杂物的形态进行变质改性处理；成分微调，将磷、硫控制在范围内，出钢温度在1600℃-1620℃，倾炉出钢；

步骤5、浇注温度控制在1560℃-1590℃，浇注时采用吹气式滑动水口吹入惰性气体均匀成分和温度，净化钢水，并引流浇注钢水成型，砂型保温10小时打箱脱模；

步骤6、浇注成形后的毛坯在900℃±10℃保温正火4-5小时，冷却至300℃±10℃时热切冒口。

如需补焊，可在二次正火处理前对铸件缺陷进行预热补焊，焊条烘干温度为350℃，烘干时间1小时；铸件预热温度为200℃，补焊用Φ3.2mm的J707焊条，焊后打磨平滑，加热至350℃保温2-3小时进行消氢和去应力处理。

步骤7、铸件打磨完后进行二次正火处理，在900℃±10℃保温正火3-4小时后空冷，并进行抛丸处理。

粗加工后表面如有气孔、砂眼等铸造缺陷，用电弧气刨机清理干净缺陷，按步骤6的要求进行补焊并打磨光滑，24小时后进行表面无损探伤。

步骤8、铸件最终热处理，对粗加工后的铸件先加热至910±10℃保温4-5小时后淬油；然后再加热至630±20℃保温5-6小时后水冷。

上述的步骤1-步骤4为炼钢工艺；步骤5为浇注工艺；步骤6-步骤7为清切补焊工艺；步骤8为热处理工艺。

实施例1

步骤1、选取不含大量Ni、Cu、W的无锈无油废钢铁10吨，配加碳含量4.2％的生铁800kg，熔清化验含碳量为0.56％。

步骤2、熔化期吹氧助熔，活性石灰300-400kg分批加入造渣，小铁矿300kg分批加入，增加渣中的氧化铁，待反应后倾炉流渣，如此反复二十分钟后，化验分析磷含量为0.01％；

步骤3、加热温度至1580℃，采用吹氧和矿石综合氧化法脱碳，脱碳速度控制在0.01-0.03％/min，脱碳时间为25分钟，脱碳量为0.38％；

步骤4、还原期扒除干净氧化渣，按4：1加石灰和萤石造还原渣800kg左右，随炉加入锰铁、铬铁、钼铁等合金调整成分并推渣搅拌，用复合脱氧剂碳化硅扩散脱氧，保持白渣25分钟；出钢前5-10分钟，加45％的稀土硅15kg对夹杂物的形态进行变质改性处理；取样化验分析材料的化学成分(wt％)为，C为0.25％，Mn为0.75％，Cr为0.89％，Mo为0.25％，Si为0.35％，S为0.015％，P为0.012％，Cu为0.12％，Ni为0.15％，W为0.05％，微量元素之和≤1％，各个成分均在控制范围内，出钢温度在1615℃，倾炉出钢。

步骤5、浇注温度1570℃，浇注时采用吹气式滑动水口吹入惰性气体均匀成分和温度，净化钢水，并引流浇注钢水成型，砂型保温10小时打箱脱模。

步骤6、浇注成形后的毛坯在900℃℃保温正火4.5小时，冷却至300℃时热切冒口。

如需补焊，可在二次正火处理前对铸件缺陷进行预热补焊，焊条烘干温度为350℃，烘干时间1小时；铸件预热温度为200℃，补焊用Φ3.2mm的J707焊条，焊后打磨平滑，加热至350℃保温2小时进行消氢和去应力处理。

步骤7、铸件打磨完后进行二次正火处理，在900℃保温正火3.5小时后空冷，并进行抛丸处理。

粗加工后表面如有气孔、砂眼缺陷，用电弧气刨机清理干净缺陷，按步骤6的要求进行补焊并打磨光滑，24小时后进行表面无损探伤。

步骤8、铸件最终热处理，对粗加工后的铸件先加热至910℃保温4.5小时后淬油；然后再加热至630℃保温5.5小时后水冷。

实施例1中，按照步骤1-步骤5实施，得到铸钢材料最终的化学成分(wt％)为：C0.26％，Mn0.79％，Cr0.89％，Mo0.25％，Si0.36％，S0.008％，P0.013％，Cu0.12％，Ni0.15％，W0.02％，微量元素之和≤1％，余量为Fe，在设计的铸件材料的成分范围内。

经过步骤6，铸件打磨完后进行二次正火处理，在900℃保温正火3.5小时后空冷，并进行抛丸处理；再经过步骤8铸件最终热处理，对粗加工后的铸件先加热至910℃保温4.5小时后淬油；然后再加热至630℃保温5.5小时后水冷。

基尔试块的力学性能为：抗拉强度Rm为780N/mm2，屈服强度ReL为560N/mm2，断后伸长率A为22％，断面收缩率Z为45％，硬度HBS为227。

实施例2

按照实施例1中的步骤1-步骤5实施，得到铸钢材料最终的化学成分(wt％)为：C为0.29％，Mn为0.88％，Cr为0.95％，Mo为0.27％，Si为0.35％，S为0.01％，P为0.016％，Cu为0.2％，Ni为0.1％，W为0.03％，微量元素之和≤1％，余量为Fe，在设计的铸件材料的成分范围内。

经过步骤6，铸件打磨完后进行二次正火处理，在900℃保温正火3.5小时后空冷，并进行抛丸处理；再经过步骤8铸件最终热处理，对粗加工后的铸件先加热至920℃保温4小时后淬油；然后再加热至650℃保温5.5小时后水冷。

基尔试块的力学性能为：抗拉强度Rm为820N/mm2，屈服强度ReL为526N/mm2，断后伸长率A为19％，断面收缩率Z为40％，硬度HBS为231。

实施例3

按照实施例1中的步骤1-步骤5实施，得到得到铸钢材料最终的化学成分(wt％)为：C为0.23％，Mn为0.75％，Cr为0.85％，Mo为0.22％，Si为0.28％，S为0.009％，P为0.015％，Cu为0.18％，Ni为0.14％，W为0.009％，微量元素之和≤1％，余量为Fe，在设计的铸件材料的成分范围内。

经过步骤6，铸件打磨完后进行二次正火处理，在910℃保温正火4小时后空冷，并进行抛丸处理；再经过步骤8铸件最终热处理，对粗加工后的铸件先加热至900℃保温4.5小时后淬油；然后再加热至610℃保温6小时后水冷。

基尔试块的力学性能为：抗拉强度Rm为730N/mm2，屈服强度ReL为570N/mm2，断后伸长率A为25％，断面收缩率Z为48％，硬度HBS为208。

实施例4

按照实施例1中的步骤1-步骤5实施，得到得到铸钢材料最终的化学成分(wt％)为：C为0.22％，Mn为0.87％，Cr为0.92％，Mo为0.24％，Si为0.37％，S为0.009％，P为0.011％，Cu为0.23％，Ni为0.17％，W为0.01％，微量元素之和≤1％，余量为Fe，在设计的铸件材料的成分范围内。

经过步骤6，铸件打磨完后进行二次正火处理，在910℃保温正火3小时后空冷，并进行抛丸处理；再经过步骤8铸件最终热处理，对粗加工后的铸件先加热至920℃保温4.5小时后淬油；然后再加热至640℃保温5.5小时后水冷。

基尔试块的力学性能为：抗拉强度Rm为770N/mm2，屈服强度ReL为575N/mm2，断后伸长率A为23％，断面收缩率Z为43％，硬度HBS为207。

表1、对双基尔试块取样进行力学性能测试对比

实施例5

按照实施例1中的步骤1-步骤5实施，得到得到铸钢材料最终的化学成分(wt％)为：C为0.29％，Mn为0.74％，Cr为0.86％，Mo为0.24％，Si为0.32％，S为0.007％，P为0.010％，Cu为0.16％，Ni为0.2％，W为0.03％，微量元素之和≤1％，余量为Fe，在设计的铸件材料的成分范围内。

经过步骤6，铸件打磨完后进行二次正火处理，在910℃保温正火3.5小时后空冷，并进行抛丸处理；再经过步骤8铸件最终热处理，对粗加工后的铸件先加热至920℃保温4小时后淬油；然后再加热至650℃保温5.5小时后水冷。

基尔试块的力学性能为：抗拉强度Rm为760N/mm2，屈服强度ReL为580N/mm2，断后伸长率A为20％，断面收缩率Z为42％，硬度HBS为229。

按照以上工艺过程生产的石油钻采设备承压件用铸钢件力学性能指标参照上表1(对双基尔试块取样进行力学性能测试)：

综上所述，本发明的石油钻采设备泥浆泵承压件用铸钢材料，具有强度高、抗冲压耐磨性能、冲击韧性和焊接性能良好的特性，完全满足了石油钻采设备泥浆泵主要的承压件空气包、排出管路和滤网外壳的使用要求，满足API Spec7K会标认证对材料的要求。

Claims (7)

1.一种石油钻采设备泥浆泵承压件用铸钢，其特点在于，按照质量百分比由以下成份组成：C0.22％-0.3％，Mn0.7％-0.9％，Cr0.8％-1％，Mo0.2％-0.3％，Si0.2％-0.4％，Re0.01％-0.015％，S≤0.02％，P≤0.025％，Cu≤0.4％，Ni≤0.4％，W≤0.1％，微量元素之和≤1％，余量为Fe。 

2.一种权利要求1所述的石油钻采设备泥浆泵承压件用铸钢的制备方法，其特点在于，按照以下步骤实施： 

步骤1、配料； 

步骤2、冶炼； 

步骤3、氧化脱碳，去气去夹杂； 

步骤4、还原期调整成分，倾炉出钢。 

3.根据权利要求2所述的石油钻采设备泥浆泵承压件用铸钢的制备方法，其特点在于，所述的步骤1中，配料选取不含大量Ni、Cu、W的无锈、无油废钢铁，加适量生铁或石墨块，将配碳量控制在0.5％-0.6％。 

4.根据权利要求2所述的石油钻采设备泥浆泵承压件用铸钢的制备方法，其特点在于，所述的步骤2中，采用碱性电弧炉熔化、氧化、还原“三期”炼钢法进行冶炼，熔化期吹氧助熔添加活性石灰造渣，加小铁矿石增加渣中的氧化铁，待反应后倾炉流渣，如此反复至磷含量≤0.015％。 

5.根据权利要求2所述的石油钻采设备泥浆泵承压件用铸钢的制备方法，其特点在于，所述的步骤3中，氧化期温度不低于1580℃，采用吹氧和加矿石综合氧化法脱碳，去气去夹杂，脱碳速度控制在0.01-0.03％/min，脱碳量不低于0.3％，氧化终了碳含量不低于0.15％。 

6.根据权利要求2所述的石油钻采设备泥浆泵承压件用铸钢的制备方 法，其特点在于，所述的步骤4中，还原期扒除干净氧化渣，按铸钢总质量的10％加入石灰和萤石造还原渣，石灰和萤石的配比为4：1，随炉加入合金调整成分并推渣搅拌，用复合脱氧剂碳化硅扩散脱氧，保持白渣不低于20分钟；出钢前5-10分钟，按铸钢总质量的0.1％-0.15％加入稀土含量45％的稀土硅，对夹杂物的形态进行变质改性处理；成分微调，将磷、硫控制在范围内，出钢温度在1600℃-1620℃，倾炉出钢。 

7.根据权利要求2-6任一项对石油钻采设备泥浆泵承压件用铸钢的后续热处理方法，其特点在于： 

步骤5、浇注温度控制在1560-1590℃，浇注时采用吹气式滑动水口吹入惰性气体均匀成分和温度，净化钢水，并引流浇注钢水成型，砂型保温10小时打箱脱模； 

步骤6、浇注成形后的毛坯在900℃±10℃保温正火4-5小时，冷却至300℃±10℃时热切冒口；

步骤7、铸件打磨完后进行二次正火处理，在900℃±10℃保温正火3-4小时后空冷，并进行抛丸处理； 

步骤8、铸件最终热处理，对粗加工后的铸件先加热至910±10℃保温4-5小时后淬油；然后再加热至630±20℃保温5-6小时后水冷。