CN112410660A - 一种无磁钻具用钢材的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及钢材领域，提供一种无磁钻具用钢材的制造方法，包括冶炼及精炼，无磁钻具用钢材主要化学成分的重量百分比为C≤0.06%,Mn 17‑20%,P≤0.015%,S≤0.015%,Si≤1.0%,Ni 1.0‑1.5%,Cr14‑15%,Mo 0.4‑0.7%,Nb≤0.1%,N 0.3‑0.45%，其余为铁；按照所述的无磁钻具用钢材化学成分的重量百分比混合为冶炼钢水；将步骤1）中的钢水进行铸造钢锭，之后开坯锻造、电渣重熔，所述的电渣重熔采用高压电渣炉制造电渣锭，向熔炼室充入氮气或加入氮化合金，然后在400‑900℃进行20—50%的形变强化，最后冷却得无磁钻具用钢材；优点为：本发明无磁钻具用钢材奥氏体稳定，满足环境使用要求；生产工艺环保、经济、科学；节约成本。

Description

一种无磁钻具用钢材的制造方法

技术领域

本发明涉及钢材领域，尤其是涉及一种无磁钻具用钢材的制造方法。

背景技术

在石油开采的作业过程中，可控定向钻采技术需要精确地控制钻孔的方位，通常是靠磁性指南针或其它磁性仪表来定位，若把这些仪表放在常规的钢制钻具中，钢制钻具本身自带的磁场会使这些定位仪表就会受到磁力线干扰，从而干扰定位，因此，在每根钻柱上必须安装一个或几个无磁性钻具以利定向钻井作业。在磁性指南针所处的位置附近配置无磁钻铤，其目的主要是给磁性指南针提供一个无磁场的环境，使磁性指南针摆脱贴近的铁磁性钻柱的影响。如果磁性指南针处于铁磁性钻柱的水眼中，由于铁磁性钻具的磁导率极高，水眼部分的地球磁场强度趋于零，磁性指南针便不能正确指示南北极。磁性指南针处于无磁钻铤水眼中时，由于钻铤无磁性(按物理学定义是顺磁性的)，即无磁钻铤的磁导率与空气的磁导率大致相同，水眼空间的地磁场与当地原来的地磁场相同，磁性指南针便可以正常指示当地原来的地磁场方向。API标准规定的无磁钻具的用钢在加工和使用过程中相对磁导率应小于1.010，同时要有较高的结构强度、冲击韧性，较好的耐磨性。

检索发现国外钻井公司使用过蒙乃尔合金、铍铜合金、钛合金、铬镍不锈钢来制造无磁钻具，但造价较高，稀缺金属镍的用量大。日本专利2004-156086公开了一种钢的屈服强度大于960MPa的高强度无磁钢，该专利中锰含量偏低，锰、镍、氮都是扩大奥氏体区的元素，可提高锰含量、降低镍含量，也可继续提高钢中的氮含量来使钢保持奥氏体；该专利通过向钢中添加稀缺金属镍和铜来防止凝固过程中氮的析出，不利于降低钢的成本；该专利钢中Cu的范围为0.35-2.00％，若钢中Cu＞1.00％，则对钢的热加工塑性产生不利影响。

发明内容

本发明的目的在于为解决现有技术的不足，而提供一种无磁钻具用钢材的制造方法。

本发明新的技术方案是：一种无磁钻具用钢材的制造方法，包括冶炼及精炼，所述的无磁钻具用钢材的制造方法如下：

1）冶炼

无磁钻具用钢材主要化学成分的重量百分比为C≤0.06%,Mn 17-20%,P≤0.015%,S≤0.015%,Si≤1.0%,Ni 1.0-1.5%,Cr14-15%,Mo 0.4-0.7%,Nb≤0.1%,N 0.3-0.45%，其余为铁；按照所述的无磁钻具用钢材化学成分的重量百分比混合为冶炼钢水；

2）精炼

将步骤1）中的钢水进行铸造钢锭，之后开坯锻造、电渣重熔，所述的电渣重熔采用高压电渣炉制造电渣锭，向熔炼室充入氮气或加入氮化合金，然后在400-900℃进行20—50%的形变强化，最后冷却得无磁钻具用钢材。

本发明的有益效果为：本发明无磁钻具用钢材奥氏体稳定，满足环境使用要求；生产工艺环保、经济、科学；节约成本。

具体实施方式

一种无磁钻具用钢材的制造方法，包括冶炼及精炼，所述的无磁钻具用钢材的制造方法如下：

1）冶炼

无磁钻具用钢材主要化学成分的重量百分比为C≤0.06%,Mn 17-20%,P≤0.015%,S≤0.015%,Si≤1.0%,Ni 1.0-1.5%,Cr14-15%,Mo 0.4-0.7%,Nb≤0.1%,N 0.3-0.45%，其余为铁；按照所述的无磁钻具用钢材化学成分的重量百分比混合为冶炼钢水；

2）精炼

将步骤1）中的钢水进行铸造钢锭，之后开坯锻造、电渣重熔，所述的电渣重熔采用高压电渣炉制造电渣锭，向熔炼室充入氮气或加入氮化合金，然后在400-900℃进行20—50%的形变强化，最后冷却得无磁钻具用钢材。

为获得较低的磁导率必须采用奥氏体不锈钢。在化学成分设计上，无磁钻具用钢材采用Cr-Mn-N系不锈钢，以Mn代替大部分的Ni，并加入一定量的N来稳定奥氏体，当钢的Ni当量＝Ni+0.60Mn+0.18Cr+9.69(C+N)-0.11Si2≥16时，就可以稳定奥氏体，确保相对磁导率小于1.010。奥氏体不锈钢自高温奥氏体状态急冷到室温所获得的奥氏体组织处于亚稳状态，其奥氏体稳定程度受钢的成分所制约。当继续冷至室温以下或经受冷变形时，将可能有马氏体组织产生，这种类型的马氏体包括α′和ε两种类型，前者为体心正方结构，呈铁磁性。后者为密集六方结构，无磁性。马氏体转变是一种无扩散相变，通过剪切机构由大规模有规则的原子排列的变化，在很短的时间内完成这种转变，快冷和形变是马氏体转变的外部条件，奥氏体的稳定程度是其马氏体转变的内在条件。无磁钻具在使用过程中，受到拉、压、扭转等应力，易使钢形变产生马氏体，会使无磁钻具因相对磁导率超过1.010而使无磁钻具的使用失去作用。对于每种成份的奥氏体不锈钢均存在MS和Md两个相变点，MS是在冷却过程开始产生马氏体相变的最高温度，Md是形变诱发马氏体转变的最高温度，通常是以其应变量30 ％冷变形后产生50％α′的温度作为标识，即Md(30)。两者均受钢中的合金元素含量的影响。

Mo可提高钝化膜的强度，增强耐局部腐蚀性，如点蚀、缝隙腐蚀，特别是在卤盐或海水中有氯离子的情况下，还有一定的固溶强化作用，Mo降低钢中奥氏体的稳定性，且降低N在钢中的溶解度，不能添加过多，适宜的Mo重量百分含量控制在≤1.0％，最佳控制范围在0.25-0.80％。

Cr是缩小奥氏体相区的元素，易导致钢中产生铁素体而使钢的相对磁导率超标，同时Cr也是不锈钢的基本元素，有着很好的抗腐蚀性能，具体添加时应根据钢中Mn、Ni、N等扩大奥氏体相区的元素含量来确定Cr的重量百分含量，以确保本专利钢为单一奥氏体组织。本专利设定Cr的重量百分含量在12.00-20.00％，最佳控制范围在13-18％。

P易偏析到晶界，使钢产生低温脆性，是一种杂质元素，所以含量越低越好。因要兼顾制造成本，且因高锰钢的冶炼特性，本专利设定P的重量百分含量容许上限为0.015％。

S对钢的热加工塑性和耐腐蚀性产生不良影响，且易产生硫化锰偏析，是一种杂质元素，所以其含量是越低越好。因要兼顾制造成本，本专利设定S的重量百分含量容许上限为0.015％。

Claims (1)

1.一种无磁钻具用钢材的制造方法，包括冶炼及精炼，其特征在于：

所述的无磁钻具用钢材的制造方法如下：

1）冶炼

无磁钻具用钢材主要化学成分的重量百分比为C≤0.06%,Mn 17-20%,P≤0.015%,S≤0.015%,Si≤1.0%,Ni 1.0-1.5%,Cr14-15%,Mo 0.4-0.7%,Nb≤0.1%,N 0.3-0.45%，其余为铁；按照所述的无磁钻具用钢材化学成分的重量百分比混合为冶炼钢水；

2）精炼

将步骤1）中的钢水进行铸造钢锭，之后开坯锻造、电渣重熔，所述的电渣重熔采用高压电渣炉制造电渣锭，向熔炼室充入氮气或加入氮化合金，然后在400-900℃进行20—50%的形变强化，最后冷却得无磁钻具用钢材。