CN110735091A - 用微钛处理合金钢提高j k55钢级油井管冲击功的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用微钛处理合金钢提高J K55钢级油井管冲击功的方法，合金管通过0.010％～0.040％的Ti进行处理，包括电炉冶炼、LF炉精炼、管坯连铸、1240℃～1290℃管坯加热、1150℃～1210℃两辊斜轧穿孔、1050℃～1160℃PQF连轧机轧制成荒管、定减径轧制、冷床风机吹风冷却、成型。本发明的有益效果是：油管抗拉强度≥700Mpa、屈服强度≥430Mpa、延伸率≥33％、室温横向冲击功≥50J，组织为铁素体加珠光体；成分设计合理，操作、控制简便，成本低；冲击韧性较好，产品性能满足J55和K55钢级要求，用于石油套管和油管。
Description
技术领域
本发明属于冶金行业的无缝钢管制造技术领域，特别是涉及一种用微钛处理合金钢提高J K55钢级油井管冲击功的方法。
背景技术
J55和K55钢级油井管是油田最常用的石油专用管材之一，用量较大。API 5CT规定：J55和K55级别钢管要求成品中P、S≤0.030％，屈服强度≥379Mpa，J55钢级抗拉强度≥517Mpa，K55钢级抗拉强度≥655Mpa，伸长率率≥24％，对冲击性能没有强制要求。随着石油工业的发展，钻井工况日趋复杂，对石油工业用套管的要求更加苛刻，部分油田对J55和K55钢级套管的冲击性能提出强制要求。
钢铁材料的生产中钢材的强度和韧性是一对矛盾，通常提高强度，就降低韧性，或者反过来，韧性改善，强度就下降。广泛用于生产J55和K55钢级无缝钢管的37Mn5钢种，含碳约为0.37％，锰约为1.5％，采用炼钢-连铸-管坯加热-穿孔-连轧-定径-空冷的工艺生产的钢管，成品屈服强度在420Mpa左右，抗拉强度在690Mpa左右，满足J55和K55钢级无缝钢管强度要求，但冲击功值多处于15J～20J之间,冲击功偏低,且波动范围大。
现有技术中名为“一种K55级高频电阻焊石油套管钢及其制造方法”的中国专利CN102828121A添加V元素添加Nb、Cr、V元素，冶炼难度加大，且合金成本较高。现有技术中名为“一种厚壁石油套管接箍料用无缝钢管及其生产方法”CN 102330018A添加0.02％～0.04％的V，且定径后需进行喷雾快速冷却，生产成本较高。
目前通过采用材料中添加适量V、Nb合金化元素或采用离线热处理工艺等手段，生产出力学性能满足J55和K55要求的无缝钢管，此种工艺是可行的，但无缝钢管的制造成本大幅度增加。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的不足，提供一种能够提高J/K55钢级油井管的冲击韧性的制造方法，采用碳锰钢基础上添加微量钛元素的成分设计，实现产品的高强度和高冲击韧性，同时具有较低的生产成本。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用微钛处理合金钢提高J K55钢级油井管冲击功的方法，该油井管的成分重量百分比为，C：0.30％～0.40％、Si：0.15％～0.40％、Mn：1.20％～1.50％、P：≤0.015％、S：≤0.008％、Ni：≤0.20％、Cr：≤0.15％、Mo：≤0.10％、Cu：≤0.20％、Al：0.020％～0.050％、V：≤0.03％、Nb：≤0.15％、Ti：0.010％～0.040％、N：≤0.012％，其余为Fe及不可避免的杂质元素，该方法包括：电炉冶炼、管坯连铸、热轧成型、定减径轧制、冷却成型，所述电炉冶炼后进行LF炉精炼，所述LF炉精炼工序添加钛丝、调整合金元素含量；所述热轧成型包括钢坯在环形炉预热段、加热段、均热段，所述预热段包括温度为900℃～1150℃的预热Ⅰ区、温度为1150℃～1240℃的预热Ⅱ区，所述加热段包括温度为1240℃～1290℃的加热Ⅰ区、温度为1250℃～1300℃的加热Ⅱ区，所述均热段包括温度为1240℃～1290℃的均热Ⅰ区、温度为1240℃～1290℃的均热Ⅱ区段。
所述定减径轧制时的热定径定径出口温度为830℃～900℃。
所述管坯连铸是钢坯在环形炉中加热到1240℃～1290℃，1150℃～1210℃通过两辊斜轧穿孔机穿成毛管，再经过5机架限动芯棒连轧机轧制成荒管，连轧温度1050℃～1160℃。
所述冷却为冷床风机吹风冷却方式。
C:碳是碳化物形成元素，通过固溶强化和析出强化的作用提高钢的强度，随钢中含碳量增加，屈服强度和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低。根据API 5CT标准要求和K55钢级油井管试验结果,本发明确定钢的化学成分中碳含量为0.30％～0.40％。
Si：硅是常用的脱氧剂，在合金钢中能提高钢的固溶体的强度，并显著地提高钢的弹性极限、屈服极限和屈强比，但是加入大量的硅会降低钢的韧性，为此，控制硅元素的成分范围为0.15％～0.40％。
Mn：锰具有脱氧作用,对铁素体及奥氏体具有较强的固溶强化作用，可弥补因碳含量降低而损失的屈服强度。但锰含量过高时，会造成钢的韧性降低，也增加管坯的中心偏析倾向，影响钢的性能均匀性，一般油井管锰的含量为1.20％～1.50％。
Ti：钛是强碳、氮化物形成元素，钛能和N、C结合形成稳定的氮化物、碳化物，阻止奥氏体晶粒的长大，从而细化晶粒，提高钢的强度和韧性。含钛量过低不能发挥其应起到的作用，过多的钛含量易形成粗大的Ti(C，N)夹杂物，对钢的韧性起到破坏作用，合适的范围是0.010％～0.040％。
Al：铝是常用脱氧剂，具有细化晶粒和提高钢的抗氧化性能作用，含量较高会降低钢的强塑性，应严格控制在：0.020％～0.050％。
N:氮在钢中是以氮化物的形式存在，氮含量过高将恶化钢的塑性和冲击韧性，而少量的氮化物能起到细化晶粒的作用，控制其含量≤0.012％。
本发明的有益效果是：合金冶炼操作简便，生产成本较低；采用合理的管坯加热、热轧生产工艺，钢管室温组织为铁素体和珠光体组织，晶粒细小均匀，晶粒度达到7.5级以上，TN第二相析出物分布均匀、细小，产品性能完全满足API 5CT标准J55和K55钢级的要求，且冲击韧性在室温横向Akv时达到50J以上。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的描述。
本发明的一种用微钛处理合金钢提高J K55钢级油井管冲击功的方法，该油井管的成分重量百分比为，C：0.30％～0.40％、Si：0.15％～0.40％、Mn：1.20％～1.50％、P：≤0.015％、S：≤0.008％、Ni：≤0.20％、Cr：≤0.15％、Mo：≤0.10％、Cu：≤0.20％、Al：0.020％～0.050％、V：≤0.03％、Nb：≤0.15％、Ti：0.010％～0.040％、N：≤0.012％，其余为Fe及不可避免的杂质元素，该方法包括：电炉冶炼、管坯连铸、热轧成型、定减径轧制、冷却成型，所述电炉冶炼后进行LF炉精炼，所述LF炉精炼工序添加钛丝、调整合金元素含量；所述热轧成型包括钢坯在环形炉预热段、加热段、均热段，所述预热段包括温度为900℃～1150℃的预热Ⅰ区、温度为1150℃～1240℃的预热Ⅱ区，所述加热段包括温度为1240℃～1290℃的加热Ⅰ区、温度为1250℃～1300℃的加热Ⅱ区，所述均热段包括温度为1240℃～1290℃的均热Ⅰ区、温度为1240℃～1290℃的均热Ⅱ区段。
所述定减径轧制时的热定径定径出口温度为830℃～900℃。
所述管坯连铸是钢坯在环形炉中加热到1240℃～1290℃，1150℃～1210℃通过两辊斜轧穿孔机穿成毛管，再经过5机架限动芯棒连轧机轧制成荒管，连轧温度1050℃～1160℃。
所述冷却为冷床风机吹风冷却方式。
C:碳是碳化物形成元素，通过固溶强化和析出强化的作用提高钢的强度，随钢中含碳量增加，屈服强度和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低。根据API 5CT标准要求和K55钢级油井管试验结果,本发明确定钢的化学成分中碳含量为0.30％～0.40％。
Si：硅是常用的脱氧剂，在合金钢中能提高钢的固溶体的强度，并显著地提高钢的弹性极限、屈服极限和屈强比，但是加入大量的硅会降低钢的韧性，为此，控制硅元素的成分范围为0.15％～0.40％。
Mn：锰具有脱氧作用,对铁素体及奥氏体具有较强的固溶强化作用，可弥补因碳含量降低而损失的屈服强度。但锰含量过高时，会造成钢的韧性降低，也增加管坯的中心偏析倾向，影响钢的性能均匀性，一般油井管锰的含量为1.20％～1.50％。
Ti：钛是强碳、氮化物形成元素，钛能和N、C结合形成稳定的氮化物、碳化物，阻止奥氏体晶粒的长大，从而细化晶粒，提高钢的强度和韧性。含钛量过低不能发挥其应起到的作用，过多的钛含量易形成粗大的Ti(C，N)夹杂物，对钢的韧性起到破坏作用，合适的范围是0.010％～0.040％。
Al：铝是常用脱氧剂，具有细化晶粒和提高钢的抗氧化性能作用，含量较高会降低钢的强塑性，应严格控制在：0.020％～0.050％。
N:氮在钢中是以氮化物的形式存在，氮含量过高将恶化钢的塑性和冲击韧性，而少量的氮化物能起到细化晶粒的作用，控制其含量≤0.012％。
实施例：
热轧成型：钢坯在环形炉预热段、加热段、均热段等各段的温度控制，见表1。
表1环形炉加热圆坯各段温度
钢坯在环形炉中加热到1240℃～1290℃，1150℃～1210℃通过两辊斜轧穿孔机穿成毛管，再经过5机架限动芯棒连轧机轧制成荒管，连轧温度1050℃～1160℃，然后采用14机架定减径机热定径，定径出口温度830℃～900℃，上大冷床进行风机吹风空冷，锯切，矫直，探伤。
管的加工：钢管分切，管端螺纹加工，钢管进行水压试验，接箍拧接，通径，测长称重，喷标，涂漆、入库
本发明实施例钢的化学成分见表2，加热、轧制工艺见表3，力学性能见4。
表2本发明实施例钢的化学成分(wt，％)
| 实施例 | C | Si | Mn | P | S | Ni | Cr | Mo | Cu | Al | V | Ti | N |
| 1 | 0.38 | 0.26 | 1.45 | 0.015 | 0.005 | 0.03 | 0.03 | 0.03 | 0.07 | 0.024 | 0.01 | 0.024 | 0.0091 |
| 2 | 0.35 | 0.25 | 1.40 | 0.014 | 0.007 | 0.03 | 0.06 | 0.04 | 0.06 | 0.034 | 0.01 | 0.017 | 0.0078 |
| 3 | 0.33 | 0.25 | 1.34 | 0.017 | 0.005 | 0.03 | 0.06 | 0.04 | 0.06 | 0.022 | 0.01 | 0.013 | 0.0085 |
表3本发明实施例钢的加热、轧制工艺
| 实施例 | 环形炉加热温度，℃ | 穿孔开轧温度，℃ | 连轧开轧温度，℃ | 定径终轧温度，℃ |
| 1 | 1290 | 1208 | 1113 | 873 |
| 2 | 1270 | 1194 | 1105 | 851 |
| 3 | 1250 | 1181 | 1087 | 837 |
表4本发明实施例钢的力学性能
由表5可见，本发明的成分设计和轧制工艺生产出的石油套管，能满足API 5CT标准SR16的补充要求。
Claims (4)
1.一种用微钛处理合金钢提高J K55钢级油井管冲击功的方法，其特征在于：该油井管的成分重量百分比为，C：0.30％～0.40％、Si：0.15％～0.40％、Mn：1.20％～1.50％、P：≤0.015％、S：≤0.008％、Ni：≤0.20％、Cr：≤0.15％、Mo：≤0.10％、Cu：≤0.20％、Al：0.020％～0.050％、V：≤0.03％、Nb：≤0.15％、Ti：0.010％～0.040％、N：≤0.012％，其余为Fe及不可避免的杂质元素，该方法包括：电炉冶炼、管坯连铸、热轧成型、定减径轧制、冷却成型，所述电炉冶炼后进行LF炉精炼，所述LF炉精炼工序添加钛丝、调整合金元素含量；所述热轧成型包括钢坯在环形炉预热段、加热段、均热段，所述预热段包括温度为900℃～1150℃的预热Ⅰ区、温度为1150℃～1240℃的预热Ⅱ区，所述加热段包括温度为1240℃～1290℃的加热Ⅰ区、温度为1250℃～1300℃的加热Ⅱ区，所述均热段包括温度为1240℃～1290℃的均热Ⅰ区、温度为1240℃～1290℃的均热Ⅱ区段。
2.根据权利要求1所述的用微钛处理合金钢提高J K55钢级油井管冲击功的方法，其特征在于：所述定减径轧制时的热定径定径出口温度为830℃～900℃。
3.根据权利要求1所述的用微钛处理合金钢提高J K55钢级油井管冲击功的方法，其特征在于：所述管坯连铸是钢坯在环形炉中加热到1240℃～1290℃，1150℃～1210℃通过两辊斜轧穿孔机穿成毛管，再经过5机架限动芯棒连轧机轧制成荒管，连轧温度1050℃～1160℃。
4.根据权利要求1所述的用微钛处理合金钢提高J K55钢级油井管冲击功的方法，其特征在于：所述冷却为冷床风机吹风冷却方式。
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