CN111575590A

CN111575590A - 一种三牙轮钻头牙掌用钢及其制备方法

Info

Publication number: CN111575590A
Application number: CN202010587844.6A
Authority: CN
Inventors: 左辉; 翟万里; 唐宁; 石可伟; 郑力宁; 肖波
Original assignee: Jiangsu Lihuai Steel Co ltd
Current assignee: Jiangsu Lihuai Steel Co ltd
Priority date: 2020-06-24
Filing date: 2020-06-24
Publication date: 2020-08-25

Abstract

本发明公开了一种三牙轮钻头牙掌用钢及其制备方法，其化学成分质量百分比为：C：0.18%‑0.20%，Si：0.20%‑0.30%，Mn：0.90%‑1.00%，Cr：0.50%‑0.65%，Mo：0.50%‑0.60%，Ni：0.70%‑1.00%，Al：0.010%‑0.020%，Cu：0.20%‑0.50%，P≤0.015%，S≤0.005%，[O]≤0.0012%，[N]≤0.0050%，[H]≤0.00015%，余量为Fe。本发明成分设计合理、工艺先进，与目前市场上供应的超高强度牙轮钻头用钢相比：具有更高的强韧性，抗拉强度Rm≥1150MPa、屈服强度Rel≥900MPa、断后伸长率A≥15%、断面收缩率Z≥60%、冲击吸收能量≥100J；具有更高的疲劳寿命，能有效减少复杂环境下牙轮钻头牙掌的断裂失效事故，显著减少经济损失；具有更高的耐腐蚀性，适用于各种地质环境；具有更低的生产成本，显著提高经济效益。

Description

一种三牙轮钻头牙掌用钢及其制备方法

技术领域

本发明属于合金钢技术领域，具体涉及一种高强韧性、长寿命、耐腐蚀三牙轮钻头牙掌用钢及其制备方法。

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。钻头性能的不断提升，提高了钻头的使用寿命和钻速，从而降低了钻井的成本，而钻头的钻速和使用寿命主要由其材质和钻头结构决定的。在钻头结构不断优化的情况下，采用高强韧性、高耐磨性、耐腐蚀的钢材可以显著提高其钻速和使用寿命。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，且牙掌外侧磨损严重，因而牙轮钻头牙掌常见的失效形式为断裂和腐蚀、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掌钢具有最高的力学性能：抗拉强度Rm≥980MPa、屈服强度Rel≥785MPa、断后伸长率A≥9%、断面收缩率Z≥40%、冲击吸收能量≥47J。目前国内普遍采用的15CrNiMo牙轮钻头牙掌用钢，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1050MPa、屈服强度达到850MPa、断后伸长率A达到≥12%、断面收缩率Z达到≥50%已是极限，冲击吸收能量达到≥60J已是极限，强韧性再进一步提升的空间有限。目前国内牙掌钢材普遍使用模铸+锻造工艺生产，生产效率低，生产成本高。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种三牙轮钻头牙掌用钢，该三牙轮钻头牙掌用钢具有高强韧性、长寿命、耐腐蚀的性能，与三牙轮钻头牙轮用钢配套使用，可以提高牙轮钻头整体的使用寿命；本发明的另一目的在于提供该三牙轮钻头牙掌用钢的制备方法，采用连铸+开坯+连轧工艺代替模铸+锻造，制备方法具备更高的生产效率和更低的生产成本。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种三牙轮钻头牙掌用钢，其化学成分质量百分比为：C：0.18%-0.20%，Si：0.20%-0.30%，Mn：0.90%-1.00%，Cr：0.50%-0.65%，Mo：0.50%-0.60%，Ni：0.70%-1.00%，Al：0.010%-0.020%，Cu：0.20%-0.50%，P≤0.015%，S≤0.005%，[O]≤0.0012%，[N]≤0.0050%，[H]≤0.00015%，余量为Fe。

本发明的进一步改进方案为：

制备上述的一种三牙轮钻头牙掌用钢的方法，包括以下步骤：

（1）转炉冶炼：在100吨以上的顶底复吹式转炉中冶炼，出钢P≤0.010%，出钢过程加入合成精炼渣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，造碱度5~8精炼渣；

（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≤67Pa高真空下保持25~30分钟，保证［H］≤0.00015%、［O］≤0.0005%，所有成分进入要求的范围；

（4）软吹去除夹杂物：真空处理之后立即进行软吹处理，软吹强度确保渣面微动，钢液不裸露，软吹时间为30分钟以上，确保夹杂物充分上浮去除；

（5）浇铸：采用Φ450mm圆坯连铸机浇铸；

（6）轧钢：利用11道开坯+连轧大棒材生产线大压下量轧制Φ75mm～Φ150mm三牙轮钻头牙掌用钢；

（7）精整：通过精整消除钢材表面缺陷，剔除有内部缺陷钢材。

进一步的，所述步骤（1）以75%的铁水与25%的优质废钢为原料进行初炼，采用两次造渣，实现预脱P；采用滑板挡渣留钢出钢防止回P。

进一步的，所述步骤（2）精炼前期＞600NL/min大搅拌，通过钢渣反应强化脱S、去除夹杂；精炼后期采用100~150NL/min弱搅拌，确保钢液不裸露，防止钢水二次氧化。

进一步的，所述步骤（5）浇铸时，使用低碳钢结晶器保护渣、无碳中间包覆盖剂，实行全程全保护浇铸生产，浇铸时持续向中间包吹氮。

进一步的，所述步骤（7）采用760℃ 9h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，涡流探伤控制表面缺陷≤0.3mm，采用GB/T 4162 A级精度检测的方法进行超声波探伤，通过精整消除钢材表面缺陷，剔除有内部缺陷钢材。

目前国内使用的高强度牙轮钻头用钢15CrNiMo与本发明的化学成分对比情况如下表1所示。

表1 化学成分对比（wt%）

本发明三牙轮钻头牙掌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，提高钢的强度，同时考虑冲击韧性要求，并保证本钢种具备良好的强韧性配合，C含量取0.19%-0.21%。

Si：在钢中能溶入铁素体，能提高钢的强度和硬度，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0.20-0.30%。

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0.92%-1.00%。

Cr：能显著提高材料的淬透性，同时能提高强度、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0.50-0.65%。

Mo：在钢中是以碳化物的形态存在，能够显著提高材料的淬透性、热强性、抗腐蚀性与防点蚀倾向，提高钢的冲击韧性。钢中添加0.20%以上的Mo元素，对耐磨性提高非常显著。当Mo含量＞0.60%时，Mo的碳化物增多，分布在晶界处的碳化物对基体的割裂作用加强，易导致钢的韧性下降。所以本发明确定Mo含量为0.50%-0.60%。

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，还可以抑制Cu元素带来的裂纹倾向，但是由于镍是稀缺资源，价格昂贵。牙掌所受的磨损要远远低于牙轮，所以本发明中Ni含量控制在0.70%-1.00%。

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%-0.020%。

Cu：能提高钢的强度和韧性，特别是耐大气腐蚀能力，缺点是在热加工时容易产生热脆，铜含量超过0.50%时塑性显著下降。为提升钢的耐腐蚀性，综合考虑钢的性能，本发明对Cu含量明确了控制范围0.25%-0.50%。

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N含量控制在0.0050%以内。

P：是钢中的有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低钢的塑性。因此本发明对P含量进行了严格的限制，P≤0.015%。

S：通常情况下是有害元素，使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造或轧制时造成裂纹。S对焊接性能也不利，降低钢的耐腐蚀性。所以本发明严格限制了S≤0.005%。

本发明的有益效果为：

（1）本发明通过合理设计C、Mn含量，添加Cu元素，使材料性能具有较GB/T 13343和SY/T5164标准中三牙轮钻头牙掌钢更高的强韧性，且其整体力学性能也更为均匀、稳定。

（2）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。

（3）本发明采用铁水预处理+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。

（4）本发明采用11道开坯+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。

（5）本发明通过连铸+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。

（6）本发明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为实施例4制得的三牙轮钻头牙掌用钢的夹杂物形貌图。

具体实施方式

实施例1~4

按照以下方法制备三牙轮钻头牙掌用钢

（1）转炉冶炼：在100吨以上的顶底复吹式转炉中冶炼，以75%的铁水与25%的优质废钢为原料进行初炼，采用石灰两次造渣，实现预脱P，出钢P≤0.010%，出钢过程加入合成精炼渣及多种高纯合金进行预脱氧及成分初调，采用滑板挡渣留钢出钢防止回P；

（2）精炼：在100吨以上的LF炉中进行钢水深脱氧及合金化，造碱度5~8精炼渣，前期＞600NL/min大搅拌，通过钢渣反应强化脱S、去除夹杂。精炼后期采用100~150NL/min弱搅拌，确保钢液不裸露，防止钢水二次氧化；

（5）浇铸：采用Φ450mm圆坯连铸机，使用低碳钢结晶器保护渣、无碳中间包覆盖剂，实行全程全保护浇铸生产，持续向中间包吹氮；

（7）精整：采用760℃，9h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，涡流探伤控制表面缺陷≤0.3mm，采用GB/T 4162 A级精度检测的方法进行超声波探伤，通过精整消除钢材表面缺陷，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。

所得牙轮钻头牙掌用钢的化学成分如表2所示。

表2 牙掌用钢成分（wt%）

根据GB/T 228.1对实施例1~4制得的牙轮钻头牙掌用钢以及现有的牙轮钻头用钢15CrNiMo的力学性能进行测试，测试结果如表3所示，实施例1-4制得的牙轮钻头牙掌用钢的非金属夹杂物控制情况如表4和图1所示。

表3 本发明力学性能及与现有技术对比

表4 本发明非金属夹杂物控制水平

由表3可知，本发明制得的牙轮钻头牙掌用钢力学性能可以达到如下水平：抗拉强度Rm≥1150MPa、屈服强度Rel≥900MPa、断后伸长率A≥15%、断面收缩率Z≥60%、冲击吸收能量≥100J，与现有技术中使用的牙轮钻头用钢15CrNiMo相比，本发明的牙轮钻头牙掌用钢具有更优异的综合力学性能；由表4和图1可知，本发明的牙轮钻头牙掌用钢夹杂物少且小，级别低，具有更高的洁净度，从而提高了材料的疲劳寿命；本发明所制造的牙轮钻头牙掌在各种复杂地形下使用，未发生腐蚀和应力腐蚀导致的断裂，已广泛应用于矿山、油井开采和地质勘探，比普通牙轮钻头牙掌疲劳寿命提高了50%以上。

Claims

1.一种三牙轮钻头牙掌用钢，其特征在于，其化学成分质量百分比为：C：0.19%-0.21%，Si：0.20%-0.30%，Mn：0.92%-1.00%，Cr：0.50%-0.65%，Mo：0.50%-0.60%，Ni：0.70%-1.00%，Al：0.010%-0.020%，Cu：0.25%-0.50%，P≤0.015%，S≤0.005%，[O]≤0.0012%，[N]≤0.0050%，[H]≤0.00015%，余量为Fe。

2.制备如权利要求1所述的一种三牙轮钻头牙掌用钢的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（5）浇铸：采用Φ450mm圆坯连铸机浇铸；

3.根据权利要求2所述的一种三牙轮钻头牙掌用钢的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）以75%的铁水与25%的优质废钢为原料进行初炼，采用两次造渣，实现预脱P；采用滑板挡渣留钢出钢防止回P。

4.根据权利要求2所述的一种三牙轮钻头牙掌用钢的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）精炼前期＞600NL/min大搅拌，通过钢渣反应强化脱S、去除夹杂；精炼后期采用100~150NL/min弱搅拌，确保钢液不裸露，防止钢水二次氧化。

5.根据权利要求2所述的一种三牙轮钻头牙掌用钢的制备方法，其特征在于：所述步骤（5）浇铸时，使用低碳钢结晶器保护渣、无碳中间包覆盖剂，实行全程全保护浇铸生产，浇铸时持续向中间包吹氮。

6.根据权利要求2所述的一种三牙轮钻头牙掌用钢的制备方法，其特征在于：所述步骤（7）采用760℃ 9h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。