CN108486483A - 一种三牙轮钻头牙轮用钢及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三牙轮钻头牙轮用钢，其化学成分质量百分比为：C:0.17~0.20%，Si:0.20~0.35%，Mn:0.75~0.95%，Cr:0.22~0.30%，Mo:0.30~0.40%，Ni:3.40~3.75%，Al:0.010~0.030%，P≤0.018%，S≤0.005%，[O]≤0.0012%，[N]≤0.0050%，[H]≤0.00015%，余量为Fe。从上述结构可知，本发明的一种三牙轮钻头牙轮用钢及其生产方法，通过合理设计C、Cr含量，使材料性能具有较GB/T 13343和SY/T 5164标准中三牙轮钻头牙轮钢更高的强度，且其整体力学性能也更为均匀、稳定。

Description

一种三牙轮钻头牙轮用钢及其生产方法

技术领域

本发明涉及钢铁行业中的合金结构钢的技术领域，具体涉及一种三牙轮钻头牙轮用钢及其生产方法。

背景技术

钻具是钻井工程的损耗件，一般钻具（钻头）费用占钻孔成本的40%~50%。牙轮钻头是使用最广泛的一种钻井钻头，具有的高效和长寿的特点。作为一种钻削岩层的工具已广泛应用于石油钻井、矿山开采和地质钻探中。牙轮钻头按牙齿类型可分为铣齿牙轮钻头、镶齿牙轮钻头；按牙轮数目可分为单牙轮钻头、三牙轮钻头和组装多牙轮钻头。国内外使用最多、最广的是三牙轮钻头。

牙轮钻头工作时切削齿交替接触井底，破岩扭矩小，切削齿与井底接触面积小，比压高，易于吃入地层；工作刃总长度大，因而相对磨损小。牙轮钻头在旋转时具有冲击、压碎和剪切破坏地层岩石的作用，所以，牙轮钻头能够适应软、中、硬各种地层。钻头性能的不断改进降低了钻井成本，钻头的使用寿命和钻速两个指标最终决定钻井成本。提高钻头的机械转速和使用寿命是降低钻井成本的有效途径，提高钻速和使用寿命均主要由材质和结构决定的，在钻头结构不断优化的情况下，采用高强度、高韧性、高耐磨性、耐腐蚀的钢材可以显著提高钻速和使用寿命。在钻井过程中，牙轮钻头承受复杂的循环载荷的作用，工作介质为井液(矿层水)，大多井液含有腐蚀介质，因而牙轮钻头的主要失效形式为合金齿脱落、断裂和腐蚀、磨损。牙轮钻头的钻速和使用寿命决定和影响了整套钻井设备的工作效率。当牙轮钻头发生断裂后，还需要进行打捞、更换钻头的井场作业，这样不但影响钻采的周期，而且增加了开采和勘探费用，使开采成本上升。根据现场调查，每发生一次断裂事故，开采作业费和影响出油折价之和为2～3万元。因此石油勘探、开采业必然会促进钢质牙轮钻头不断向更高强度、高韧性、高耐磨性、高耐腐蚀性发展。

我国GB/T 13343《矿用三牙轮钻头》和SY/T 5164《三牙轮钻头》标准中对钢质三牙轮钻头力学性能等级进行了规定，其中石油和天然气钻井用三牙轮钻头牙轮钢具有最高的力学性能：抗拉强度Rm≥1078MPa、屈服强度Re≥833MPa、断后伸长率A≥10%、断面收缩率Z≥40%、冲击吸收能量≥64J。目前国内普遍采用的15MnNi4Mo（SN2025）牙轮钻头钢，经淬火+低温回火处理之后，可以达到上述强韧性要求，但这种钢抗拉强度达到1300MPa、屈服强度达到1100MPa已是极限，强度再进一步提升的空间有限。目前国内牙轮钢材普遍使用模铸+锻造工艺生产，生产效率低，生产成本高。

发明内容

本发明的目的在于：克服现有技术的不足，提供一种三牙轮钻头牙轮用钢及其生产方法，具备较GB/T 13343和SY/T 5164标准中三牙轮钻头牙轮钢更高的强度。具有如下力学性能：抗拉强度Rm≥1500MPa、屈服强度Re≥1250MPa。本发明通过冶炼工艺控制有害元素和非金属夹杂物，提高了材料的纯净度，提高了牙轮钻头的疲劳寿命。本发明采用连铸+开坯+连轧工艺代替模铸+锻造，具备更高的生产效率和更低的生产成本。

本发明所采取的技术方案是：

一种三牙轮钻头牙轮用钢，其化学成分质量百分比为：C:0.17~0.20%，Si:0.20~0.35%，Mn:0.75~0.95%，Cr:0.22~0.30%，Mo:0.30~0.40%，Ni:3.40~3.75%，Al:0.010~0.030%，P≤0.018%，S≤0.005%，[O]≤0.0012%，[N]≤0.0050%，[H]≤0.00015%，余量为Fe。

下面具体说明本发明三牙轮钻头牙轮用钢化学成分的限定理由：

C：能显著提高钢的强度，同时又可以提高钢的淬透性和淬硬性，但也使钢的塑性恶化，显著提高钢的脆性转变温度。为满足淬透性，同时考虑冲击韧性，并保证本钢种具备良好的强韧性配合，C含量取0.17%-0.20%。

Si：在钢中能溶入铁素体，能提高合金钢的强度和硬度，降低钢的塑性和韧性。其最低含量为0.18%才能达到效果，但过高的Si含量，特别是与Mn、Cr元素共存时，容易引起钢的晶粒粗化，增加钢的回火脆性，同时Si是显著提高钢的脆性转变温度元素之一。综合材料的总体要求，本钢种将Si含量确定为0.20-0.35%。

Mn：在钢中能溶入铁素体，强化基体，在轧后冷却时能细化珠光体且能相对提高珠光体含量，因此，能提高强度和硬度，显著提高淬透性，改善热处理性能，且对材料的塑性影响较小。当Mn含量低于1.8%时，随着其含量增加，钢材强度不断增加，而对韧性不会有显著危害。综合本发明的强韧性要求，Mn含量确定为0.75%-0.95%。

Cr：能显著提高材料的淬透性，同时能提高硬度、抗腐蚀、耐磨和耐候性。Cr还有提高钢的淬火及回火稳定性作用。综合考虑，Cr含量为0.22-0.30%。

Mo：具有提高材料的淬透性、热强性、抗腐蚀性与防点蚀倾向等作用，钢中添加0.20%~0.40%的Mo元素，对耐磨性提高非常显著。所以本发明确定Mo含量为0.30%-0.40%。

Ni：能够提高钢的强度，同时保持良好的塑性和韧性。一定的镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力。镍由于降低临界转变温度和降低各元素的扩散速度，提高钢的淬透性。在高温下有防锈和耐热能力，但是由于镍是稀缺资源，价格昂贵。所以本发明中Ni含量控制在3.40%-3.75%。

Al：提高钢的抗氧化性，降低钢中气体含量，提高钢的耐磨性和疲劳强度，同时作为细化晶粒元素存在于钢种，起到提高钢的低温性能和耐蚀性能的作用。但如果Al含量过高，容易形成坚硬的Al₂O₃夹杂，严重破坏钢的冲击韧性。所以本发明对Al含量界定了明确的控制范围为0.010%-0.030%。

O：在室温时对钢的强度影响不大，但使钢的伸长率和面缩率显著的降低，在较低温度和O含量极低时，材料的强度和塑性均随O含量的增加而急剧降低。冲击性能方面，随着O含量的增加冲击的最大值逐渐降低，脆性转变温度却很快地升高，脆性转变温度的范围也随着变宽。同时，随着O含量的增加，材料的氧化夹杂物出现几率大大增加，从而降低材料的疲劳寿命。本发明及生产工艺可以将O含量稳定控制在0.0012%以内。

H：氢使钢的塑性降低，主要是使延伸率及断面收缩率降低。氢在钢中会产生“发纹”或形成应力区，在钢进行锻轧加工时发纹扩展而形成裂纹，使钢出现“白点”。同时氢还会引起点状偏析、氢脆。因此，本发明及工艺将H控制在0.00015%以下。

N：氮能使钢材强化，但显著降低钢材塑性和韧性，增加时效倾向和冷脆性。一般要求含量小于0.0080%。本发明及生产工艺可以将O含量控制在0.0050%以内。

一种三牙轮钻头牙轮用钢的生产方法，包括下列步骤：按上述组分的质量百分比，

1）转炉冶炼：在100吨以上的顶底复吹式转炉中冶炼，以铁水与优质废钢为原料进行初炼，实现预脱P，出钢加入合成精炼渣、复合脱氧剂及多种高纯合金进行预脱氧及成分初调；

2）精炼：在100吨以上的LF炉中进行钢水深脱氧及合金化，精炼过程全程搅拌，精炼后期采用弱搅拌，防止钢水二次氧化；

3）真空脱气：在LF精炼后采用RH循环脱气设备进行真空脱气和去除夹杂物处理；

4）软吹去除夹杂物：真空处理之后进行软吹处理，软吹时间为40分钟，确保夹杂物充分上浮去除；

5）浇铸：采用Φ450mm圆坯连铸机，使用结晶器保护渣、中间包覆盖剂，实行全程全保护浇铸生产；

6）轧钢：利用开坯+连轧大棒材生产线大压下量轧制Φ70mm~Φ130mm三牙轮钻头牙轮用钢；

7）精整：采用软化退火+矫直+抛丸+涡流探伤+超声波探伤+人工修磨的精整工艺消除钢材表面缺陷，剔除有内部缺陷钢材。

本发明更进一步改进方案是，所述步骤1）中，采用滑板挡渣留钢出钢防止回P。

本发明更进一步改进方案是，所述步骤2）中，造碱度渣R=5~8的精炼渣，通过钢渣反应强化脱S、去除夹杂。

本发明更进一步改进方案是，所述步骤2）中，所述弱搅拌的通气速率小于200L/min。

本发明更进一步改进方案是，所述步骤3）中，在高真空下保持30分钟以上，保证［H］≤0.00015%、［O］≤0.0012%，所有成分进入要求的范围。

本发明更进一步改进方案是，所述步骤4）中，真空处理之后进行软吹处理，软吹时间为40分钟，确保夹杂物充分上浮去除。

本发明更进一步改进方案是，所述步骤5）中，采用6机6流连铸机，浇铸生产Φ450mm连铸圆坯。

本发明更进一步改进方案是，所述步骤6）中，采用1080~1100℃开轧、950~980℃终轧控温轧制，充分细化原始晶粒度。

按照本发明生产高强度、长寿命三牙轮钻头牙轮用钢（18MnCrNi4Mo），具有高强度以及高纯净度，材料经过整体淬火+低温回火后力学性能可以达到如下水平：抗拉强度Rm≥1500MPa、屈服强度Re≥1250MPa。

本发明的有益效果在于：

第一、本发明的一种三牙轮钻头牙轮用钢及其生产方法，通过合理设计C、Cr含量，使材料性能具有较GB/T 13343和SY/T 5164标准中三牙轮钻头牙轮钢更高的强度，且其整体力学性能也更为均匀、稳定。

第二、本发明的一种三牙轮钻头牙轮用钢及其生产方法，使用Al进行强脱氧、专用合成精炼渣精炼，利用RH真空设备进行脱气处理，长时间软吹去除夹杂物，全程保护浇注，提高了材料的洁净度，从而提高了材料的疲劳寿命。

第三、本发明的一种三牙轮钻头牙轮用钢及其生产方法，采用铁水预处理+BOF+LF+RH+CCM工艺，保证较低的H、O、N含量和有害残余元素含量，使得材料具有优异综合力学性能。

第四、本发明的一种三牙轮钻头牙轮用钢及其生产方法，采用开坯+连轧的轧制工艺，在保证压缩比的前提下，加大前三道次的压下量，有效提高钢材组织的致密性，避免了因内部缺陷导致的疲劳失效。

第五、本发明的一种三牙轮钻头牙轮用钢及其生产方法，通过连铸+轧制工艺代替模铸+锻造，在保证产品质量的前提下，提高了生产效率，降低了生产成本。

第六、本发明的一种三牙轮钻头牙轮用钢及其生产方法，通过合理成分设计及先进的工艺满足了高深度、复杂地层钻探的要求，有效减少了牙轮钻头的失效次数，延长了钻头的使用寿命，大幅节约了成本，提高了生产效率。

附图说明

图1为目前国内使用的高强度牙轮钻头用钢15MnNi4Mo与本发明的化学成分对比表。

图2为4组实施例的化学成分对比表。

图3为4组实施例与15MnNi4Mo钢的力学性能对比表。

图4为4组实施例非金属夹杂物控制水平表。

具体实施方式

如图1所示，本发明的化学组分与15MnNi4Mo钢化学组分的对比情况。

并按照按照以下方法生产制备4组实施例：

1）转炉冶炼：在100吨以上的顶底复吹式转炉中冶炼，以铁水与优质废钢为原料进行初炼，实现预脱P，出钢加入合成精炼渣及多种高纯合金进行预脱氧及成分初调，采用滑板挡渣留渣出钢防止回P；

2）精炼：在100吨以上的LF炉中进行钢水深脱氧及合金化，造高碱度精炼渣，通过钢渣反应强化脱S、去夹杂，精炼过程全程搅拌，精炼后期采用弱搅拌，防止钢水二次氧化；

3）真空脱气：在LF精炼后采用RH循环脱气设备进行真空脱气和去除夹杂物处理，在高真空下保持25分钟以上，保证［H］≤0.00015%、［O］≤0.0012%，所有成分进入要求的范围；

4）软吹去除夹杂物：真空处理之后进行软吹处理，软吹时间为40分钟，确保夹杂物充分上浮去除；

5）连铸：采用Φ450mm圆坯连铸机，使用结晶器保护渣、中间包覆盖剂，实行全程全保护浇铸生产；

6）轧钢：利用开坯+连轧大棒材生产线大压下量轧制Φ70mm～Φ130mm三牙轮钻头牙轮用钢，采用1080~1100℃开轧、950~980℃终轧控温轧制，充分细化原始晶粒度；

7）精整：采用软化退火+矫直+抛丸+涡流探伤+超声波探伤+人工修磨的精整工艺消除钢材表面缺陷，剔除有内部缺陷钢材。

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。

如图2所示，所得各实施例的三牙轮钻头牙轮用钢（18MnCrNi4Mo）的化学成分。

如图3所示，所得各实施例的三牙轮钻头牙轮用钢（18MnCrNi4Mo）的力学性能与现有技术的对比情况。

如图4所示，所得各实施例的非金属夹杂物控制水平对比情况。

一般特级优质钢非金属夹杂物控制级别为各系均≤1.5级，而本发明通过合理的工艺设计和过程控制，非金属夹杂物已稳定控制在1.0级以下，钢质纯净度极高；而且，其中C粗和C细均为0级。

Claims (9)

1.一种三牙轮钻头牙轮用钢，其特征在于：其化学成分质量百分比为：C:0.17~0.20%，Si:0.20~0.35%，Mn:0.75~0.95%，Cr:0.22~0.30%，Mo:0.30~0.40%，Ni:3.40~3.75%，Al:0.010~0.030%，P≤0.018%，S≤0.005%，[O]≤0.0012%，[N]≤0.0050%，[H]≤0.00015%，余量为Fe。

2.生产如权利要求1所述的一种三牙轮钻头牙轮用钢的方法，其特征在于包括下列步骤：

1）转炉冶炼：在100吨以上的顶底复吹式转炉中冶炼，以铁水与优质废钢为原料进行初炼，实现预脱P，出钢加入合成精炼渣、复合脱氧剂及多种高纯合金进行预脱氧及成分初调；

2）精炼：在100吨以上的LF炉中进行钢水深脱氧及合金化，精炼过程全程搅拌，精炼后期采用弱搅拌，防止钢水二次氧化；

3）真空脱气：在LF精炼后采用RH循环脱气设备进行真空脱气和去除夹杂物处理；

4）软吹去除夹杂物：真空处理之后进行软吹处理，软吹时间为40分钟，确保夹杂物充分上浮去除；

5）浇铸：采用Φ450mm圆坯连铸机，使用结晶器保护渣、中间包覆盖剂，实行全程全保护浇铸生产；

6）轧钢：利用开坯+连轧大棒材生产线大压下量轧制Φ70mm~Φ130mm三牙轮钻头牙轮用钢；

7）精整：采用软化退火+矫直+抛丸+涡流探伤+超声波探伤+人工修磨的精整工艺消除钢材表面缺陷，剔除有内部缺陷钢材。

3.如权利要求2所述的一种三牙轮钻头牙轮用钢的生产方法，其特征在于：所述步骤1）中，采用滑板挡渣留钢出钢防止回P。

4.如权利要求2所述的一种三牙轮钻头牙轮用钢的生产方法，其特征在于：所述步骤2）中，造碱度渣R=5~8的精炼渣，通过钢渣反应强化脱S、去除夹杂。

5.如权利要求2所述的一种三牙轮钻头牙轮用钢的生产方法，其特征在于：所述步骤2）中，所述弱搅拌的通气速率小于200L/min。

6.如权利要求2所述的一种三牙轮钻头牙轮用钢的生产方法，其特征在于：所述步骤3）中，在高真空下保持30分钟以上，保证［H］≤0.00015%、［O］≤0.0012%，所有成分进入要求的范围。

7.如权利要求2所述的一种三牙轮钻头牙轮用钢的生产方法，其特征在于：所述步骤4）中，真空处理之后进行软吹处理，软吹时间为40分钟，确保夹杂物充分上浮去除。

8.如权利要求2所述的一种三牙轮钻头牙轮用钢的生产方法，其特征在于：所述步骤5）中，采用6机6流连铸机，浇铸生产Φ450mm连铸圆坯。

9.如权利要求2所述的一种三牙轮钻头牙轮用钢的生产方法，其特征在于：所述步骤6）中，采用1080~1100℃开轧、950~980℃终轧控温轧制，充分细化原始晶粒度。