CN106048415B - 一种Ni微合金化石油钻铤用钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Ni微合金化石油钻铤用钢及其制备方法，该Ni微合金化石油钻铤用钢按质量百分比计包括：C：0.40‑0.48％，Si：0.15‑0.35％，Mn：1.00‑1.20％，Cr：1.05‑1.30％，Mo：0.20‑0.35％，Ni：0.20‑0.40％，P：≤0.015％，S：≤0.010％，其余为铁元素和不可避免的杂质元素。其制备方法包括电炉冶炼、LF炉外精炼、VD炉真空处理、连铸和轧制工序。本发明的Ni微合金化石油钻铤用钢具有良好的综合机械性能，稳定的淬透性，保证热处理稳定性，因增加Ni进行微合金化，提高了低温冲击韧性。

Description

一种Ni微合金化石油钻铤用钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及石油钻探用钢领域，特别涉及一种中碳CrMnMo并添加了少量Ni进行微合金化，具有良好综合机械性能及低温冲击韧性的石油钻铤用钢及其制备方法。

背景技术

钻铤是石油、天然气钻柱的最重要组成部分之一，具有向钻头提供钻进的压力及提高钻柱刚性的作用，能承受钻井作业的高速旋转、与岩石的剧烈摩擦，很大的扭矩(钻井深度要达到3千米以上，钻铤要逐节连接下去)以及启动、停止时冲击力等各种交变应力的作用。随着我国石油天然气工业的不断发展，石油钻铤作为石油钻井作业中必不可少的钻具的需求越来越大，同时钻井作业对钻铤的质量提出的要求也越来越高，所以高性能的石油钻铤的需求也就越来越迫切。用于石油开采的钻铤钢材要具有高强度、高硬度、抗扭转、抗弯曲、抗耐磨，良好冲击韧性等性能要求。目前，用于开采石油的钻铤材料，基本上是铬钼钢制造，对微量元素的含量进行有效的控制。但是，最近几年钻采环境更加复杂和恶劣，要求钻铤能在更加苛刻的条件下进行工作，对其耐压强度、冲击韧性和耐腐性提出更高要求。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种通过Ni微合金化所制备的石油钻铤用钢，该钢具有高强度及高硬度的同时，具有良好的韧塑性、低温冲击韧性和耐磨性能，用于制备的石油钻铤可以应用于高强度、高硬度、低温等环境中。

为达到上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种Ni微合金化石油钻铤用钢，所述Ni微合金化石油钻铤用钢的化学成分按质量百分比计包括：C：0.40-0.48％，Si：0.15-0.35％，Mn：1.00-1.20％，Cr：1.05-1.30％，Mo：0.20-0.35％，Ni：0.20-0.40％，P：≤0.015％，S：≤0.010％，0.015-0.025％，其余为铁元素和不可避免的杂质元素。

根据该钢材料的服役环境及各元素在钢中的作用效果，优选地，所述Ni微合金化石油钻铤用钢的化学成分按质量百分比计包括：C：0.45-0.47％，Si：0.24-0.28％，Mn：1.08-1.12％，Cr：1.16-1.20％，Mo：0.29-0.30％，Ni：0.21-0.22％，P：≤0.010％，S：≤0.005％，Al：0.015-0.025％，其余为铁元素和不可避免的杂质元素。

本发明的另一个目的在于，提供一种Ni微合金化石油钻铤用钢的制备方法，所述方法包括冶炼、LF炉外精炼+VD真空处理、连铸和轧钢工序，其特征在于：

1)在冶炼工序中，保证炉体状况最佳，以减少炉体因素而使钢中气体增加，电炉冶炼全过程造泡沫渣操作，均匀脱碳、减少吸氮，控制出钢P含量不大于0.008％，终点[C]≥0.10wt％，钢水的出钢温度1600-1640℃，同时进行钢包合金化；

2)在LF炉外精炼+VD真空处理工序中，精炼渣碱度为3.0-3.5，加强脱硫操作，保持白渣操作，进行成分微调，喂入铝线，LF出钢前，喂钙线；VD炉真空处理工序中，真空度小于67MPa，保持时间大于17分钟，氩气搅拌及VD炉处理后软吹氩，VD后软吹氩时间不小于20分钟；

3)在连铸工序中，采用连铸保护浇注铸坯，连铸中采用电磁搅拌，控制中间包过热度为20-30℃，浇注断面Φ500mm拉速在0.35±0.01m/min，浇注断面Φ650mm拉速在0.25±0.01m/min；为了保证连铸坯质量，不能在冷床停留，要及时入坑缓冷，入坑温度大于650℃，Φ500mm圆坯缓冷72小时以上，Φ650mm圆坯缓冷96小时以上，且保证出坑温度不大于200℃；

4)在轧制工序中，控制加热炉均热温度在1180-1250℃，Φ500mm加热时间≥6.5小时，Φ650mm加热时间≥8.0小时，开轧温度1090-1190℃，终轧温度大于900-1000℃。

优选地，所述步骤1)中，加入高锰合金、高铬合金、硅锰合金、钼铁、镍板进行钢包合金化。

优选地，所述步骤2)中，喂铝线3.0m/t钢加强脱硫，喂钙线2.5m/t钢进行钢中夹杂物球化处理。

本发明中，所述步骤3)中，采用30℃以内的低过热度浇铸。

针对该钢材料应具有高强度及高硬度，同时兼顾其冲击韧性、耐磨性等要求，本发明提供一种中碳CrMnMo钢，并加入微量Ni元素，保证其低温的服务环境。根据该钢材料加工产品的使用特性，提出的力学性能、高倍组织、淬透性及表面硬度等要求，本发明依据各元素在钢中的作用，同时兼顾时效带来强度的降低，在用户的要求基础上，充分考虑时效强度的降低值，在成分控制上进行优化设计，保证力学性能即满足使用要求同时存在一定的富余量(比要求值高50MPa以上保证时效降低值)。另外，考虑为了保证石油钻铤综合性能，进行了淬火、正火热处理，为了保证热处理的稳定性，避免因成分波动造成性能的波动，我们将主要影响元素C控制±0.01％范围内，Si、Mn、Cr控制±0.02％范围内，将贵重合金Mo、Ni控制±0.005％更精确范围内，另外Al作为细晶元素，内控0.015-0.025％。

本发明提供的窄成分控制，制得的成品钢材具有良好综合机械性能，强度比使用要求富余量100MPa以上，良好的淬透性且带宽窄，保证后续热处理的稳定性。与现有普通CrMo系列石油钻铤用钢比较，具有强度、硬度更高，韧塑性更好，同时具有良好的低温冲击韧性，更适合低温环境等优势。

根据发明实施例的Ni微合金化中碳CrMnMo石油钻铤用钢的优势在于合理的生产工艺，优化过程控制参数，提高钢的纯净度，保证钢材组织均匀性，最终保证钢材使用性能。

与现有技术相比，本发明的技术方案的优良效果如下：

第一，本发明的钢成分设计，对强度主要影响因素C、Si、Mn、Cr按要求的中上限控制，保证钢材的强度和硬度，通过过程工艺优化，提供钢材的纯净度，细化晶粒，在高强度高硬度基础上，同时保证了钢材塑韧性，因此，本发明的石油钻铤用钢具备良好的综合机械性能。

第二，本发明的石油钻铤用钢具有良好综合机械性能，且强度富余量高等特点，可适更深井的开采，同时适用寿命要较一般强度刚满足标准要求或富余量不大的钢材要高。

第三，本发明通过Ni微合金，保证了钢材的低温冲击韧性，适应更低温度环境的使用要求，一般CrMo钢，只适用常温服役环境。

第四，本发明通过窄成分控制，有效保证钢材性能的稳定性，尤其淬透性，良好淬透性同时带宽在4HRC以内，保证后续热处理稳定性，同时，良好的淬透性也是良好综合机械性的保证。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细的说明。

实施例1-3

本发明的Ni微合金化石油钻铤用钢的制备方法包括以下步骤：

(1)冶炼

采用EBT超高功率100吨位电炉冶炼，为了有效降低钢中夹杂物含量，电炉冶炼应提高铁水的兑入量大于60％，入炉的原料应经过优选，不允许配入渣铁、罐帮铁等高磷高硫废钢，同时炉体状况良好才能冶炼，保证最佳炉况并减少由炉体因素而使钢中的气体含量增加。电炉冶炼全过程保持泡沫渣操作，均匀脱碳、减少吸氮，采用大渣量深脱碳以加强脱P，控制终点[P]≤0.008wt％。高温快速脱碳，控制终点[C]≥0.10wt％，其余残余元素含量符合设计要求。钢水出钢温度控制在1600-1640℃，同时随出钢流加入钢芯铝2.5-3.5kg/t钢进行沉淀脱氧，加入高锰合金、硅锰合金、高铬合金、钼铁合金进行合金化。

(2)精炼+VD真空处理

LF炉精炼白渣操作大于20分钟，碱度为3.0-3.5。硫降低钢材的抗蚀性能，必须加强脱硫操作，保证最终硫含量小于0.005％，喂铝线1.5m/t钢。根据精炼取样分析，再加入硅铁、硅锰进行成分微调，LF炉出钢前，按照1.5-3.5kg/t钢喂入钙线，对夹杂物进行球化处理，以便夹杂物上浮被精炼渣吸附。

LF精炼后进行VD真空处理，真空度小于67Pa，保持时间大于17分钟，VD后软吹氩的时间大于20分钟，保证钢种气体及夹杂物充分脱除。

(3)连铸

为了保证良好的铸坯内部质量，采用低过热度(20-30℃)全程保护浇注，同时使用电磁搅拌，可有效扩大等轴晶区，抑制柱状晶的发展，从而可减轻中心偏析和中心疏松；合理二冷工艺，优化二冷区水量分布，采用气雾冷却及自动控制，矫直点表面温度大于900℃，避免带液芯矫直。采用多点弯曲矫直、对弧准确、辊缝对中等技术保证二次冷却区铸坯受力均匀。

为了保证铸坯的表面质量，应稳定结晶器液面，避免液面波动引起坯壳生长的不均匀、卷渣等；采用高频率小振幅的结晶器振动机构，可以减少振痕深度；选用具有良好的吸收夹杂物能力和渣膜润滑能力的连铸保护渣。

采用连铸保护浇注铸坯，连铸中采用电磁搅拌，控制中间包过热度为20-30℃，浇注断面Φ500mm拉速在0.35±0.01m/min，浇注断面Φ650mm拉速在0.25±0.01m/min。

另外，铸坯不能在冷床停留，必须及时入坑缓冷，缓冷制度：入坑温度大于650℃，Φ500mm圆坯缓冷72小时以上，Φ650mm圆坯缓冷96小时以上，且保证出坑温度不大于200℃。

(4)轧钢

控制加热炉均热温度在1180-1250℃。Φ500mm加热时间≥6.5小时，Φ650mm加热时间≥8.0小时，开轧温度1090-1190℃，终轧温度在大于900-1000℃。轧后钢材入坑缓冷，大于500℃入坑缓冷，缓冷时间大于24小时，确保出缓冷坑小于200℃。

以上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。

采用上述UHP超高功率EBT偏心炉底100吨电炉、LF炉外精炼、VD真空脱气处理、连铸浇注、轧制成材制得的一种Ni微合金化中碳CrMnMo石油钻铤用钢，具体工艺参数见表1钢的化学成分，表2过程控制参数包括电炉出钢温度、中间包钢水过热度、拉坯速度、加热炉钢坯加热温度和时间、轧制温度、缓冷时间。

表1钢的化学成分(wt％)

实施例	C	Mn	Si	P	S	Cr	Mo	Ni	Alt	Fe
											1	0.46	1.10	0.26	0.009	0.004	1.19	0.297	0.210	0.019	余量
2	0.46	1.10	0.29	0.010	0.004	1.18	0.300	0.212	0.025	余量
											3	0.46	1.10	0.28	0.010	0.005	1.18	0.298	0.218	0.020	余量

表2过程工艺参数

从实施例的钢材中抽取试样，测试其力学性能、调质硬度、非金属夹杂物、末端淬透性和晶粒度。850±20℃/油淬+610±25℃/油回火进行力学性能情况见表3，非金属夹杂物情况见表4，正火(880～900℃)+端淬(860±5℃)进行末端淬透性检验情况见表5，晶粒度情况见表6。

表3试样力学性能情况

表4钢材非金属夹杂物

表5钢材末端淬透性

表6钢材奥氏体晶粒度

实施例	晶粒度(级)
		1	8
2	8
		3	8

由以上结果可以看出，成品钢纯洁度高，晶粒细小弥散，保证钢材的高强度高硬度，同时具备良好的冲击韧性，尤其是低温冲击韧性，相对标准存在近40J以上的富余量，很好的保证更低井深温度低的服役环境要求。另外，良好的淬透性，且带宽窄，保证了热处理稳定性，最终保证使用的稳定性。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种Ni微合金化石油钻铤用钢的制备方法，其特征在于，所述Ni微合金化石油钻铤用钢的化学成分按质量百分比计包括：C：0.45-0.47％，Si：0.24-0.28％，Mn：1.08-1.12％，Cr：1.16-1.20％，Mo：0.29-0.30％，Ni：0.21-0.22％，P：≤0.010％，S：≤0.005％，Al：0.015-0.025％，其余为铁元素和不可避免的杂质元素；

所述制备方法包括冶炼、LF炉外精炼+VD真空处理、连铸和轧钢工序：

1)在冶炼工序中，电炉冶炼全过程造泡沫渣操作，均匀脱碳、减少吸氮，控制出钢P含量不大于0.008％，终点[C]≥0.10wt％，钢水的出钢温度1600-1640℃，同时进行钢包合金化；

2)在LF炉外精炼+VD真空处理工序中，精炼渣碱度为3.0-3.5，加强脱硫操作，喂入铝线，LF出钢前，喂钙线；真空度小于67MPa，保持时间大于17分钟，VD后软吹氩时间不小于20分钟；

3)在连铸工序中，采用连铸保护浇注铸坯，连铸中采用电磁搅拌，控制中间包过热度为20-30℃，浇注断面Φ500mm拉速在0.35±0.01m/min，浇注断面Φ650mm拉速在0.25±0.01m/min；为了保证连铸坯质量，要及时入坑缓冷，入坑温度大于650℃，Φ500mm圆坯缓冷72小时以上，Φ650mm圆坯缓冷96小时以上，且保证出坑温度不大于200℃；

4)在轧制工序中，控制加热炉均热温度在1180-1250℃，Φ500mm加热时间≥6.5小时，Φ650mm加热时间≥8.0小时，开轧温度1090-1190℃，终轧温度大于900-1000℃。

2.根据权利要求1所述的一种Ni微合金化石油钻铤用钢的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，加入高锰合金、高铬合金、硅锰合金、钼铁、镍板进行钢包合金化。

3.根据权利要求1所述的一种Ni微合金化石油钻铤用钢的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中，喂铝线3.0m/t钢加强脱硫，喂钙线2.5m/t钢进行钢中夹杂物球化处理。