CN113025901A - 一种石油阀体用钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种石油阀体用钢及其制备方法，包括C、Si、Mn、P、S、Cr、Mo、Ni、Nb：0.01～0.02％、V：0.01～0.02％、Al、Cu、Ti、As、Sn、Sb、Pb、Bi、H、O、N、Fe和不可避免的杂质；制备方法包括步骤：电炉冶炼、LF精炼、VD真空处理、连铸和轧制。本发明通过添加V、Nb微合金化元素，促进析出强化和细晶强化，使材料的强度和韧性得到提高，尤其是低温冲击韧性，制备过程控制冶炼、连铸和轧制工艺参数，使钢材具有纯净度高、组织致密和良好机械性能，满足深海石油开采的需求。

Description

一种石油阀体用钢及其制备方法
技术领域
本发明属于钢材技术领域，具体涉及一种石油阀体用钢及其制备方法。
背景技术
石油阀体是石油开采领域中大量使用的钢材，随着世界经济的快速发展，石油消耗日益增加。为了满足市场需求，石油开采向深海领域发展，这就要求石油阀体应具有更高的强度、韧性和耐腐蚀等性能，目前用于深海石油开采的石油阀体一般要求-60℃条件下冲击功≥30J。
发明专利CN110438390A公开了一种Φ280mm大规格圆棒材的石油管道阀体用钢及其生产方法，公开了化学成分C：0.30～0.33％，Si：0.20～0.35％，Mn：0.65～0.70％，Cr：1.00～1.10％，Ni：0.20～0.25％，Mo：0.20～0.25％，V：≤0.02％，P≤0.020％，S≤0.015％，Alt≤0.040，气体[H]≤1.5ppm，[O]≤20ppm，[N]≤100ppm；其余为Fe及其他不可避免杂质。该方法得到的圆钢能够满足-46℃条件下冲击功≥27J，无法满足-60℃条件下冲击功≥30J的要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种石油阀体用钢及其制备方法，通过添加V、Nb微合金化元素，促进析出强化和细晶强化，使材料的强度和韧性得到提高，尤其是低温冲击韧性，制备过程控制冶炼、连铸和轧制工艺参数，使钢材具有纯净度高、组织致密和良好机械性能，满足深海石油开采的需求。
本发明提供了如下的技术方案：
一种石油阀体用钢，包括以下质量百分比的成分：
C：0.28～0.33％，Si：0.15～0.35％，Mn：0.70～0.80％，P≤0.015％，S≤0.010％，Cr：1.00～1.10％，Mo：0.15～0.25％，Ni：0.20～0.50％，Nb：0.01～0.02％，V：0.01～0.02％，Al：0.015～0.035％，Cu≤0.20％，Ti≤0.01％，As≤0.015％，Sn≤0.01％，Sb≤0.005％，Pb≤0.005％，Bi≤0.005％，H≤0.00015％，O≤0.0020％，N≤0.0100％，其它为Fe和不可避免的杂质。
上述石油阀体用钢的制备方法，包括以下步骤：电炉冶炼、LF精炼、VD真空处理、连铸和轧制。
进一步的，电炉冶炼步骤中：采用铁水热装技术，铁水热装比为45％-90％；电炉炉壁采用多功能模块吹氧和碳粉喷吹技术；电炉冶炼的出钢控制终点C≥0.08％，P≤0.01％，出钢温度≥1580℃。
进一步的，LF精炼步骤中：采用沉淀脱氧与扩散脱氧的复合脱氧方法，前中期喂入铝线进行沉淀脱氧，初样铝达到0.03％～0.05％，扩散脱氧以复合碳化硅为主，硅铁粉为辅；钢水进站迅速造白渣，冶炼中后期少量多批次加入扩散脱氧剂以保持还原性气氛，白渣保持时间≥20min，冶炼时间≥40min。
进一步的，VD真空处理步骤中：真空度不超过67Pa，保持时间≥10min；破空后喂入铝线以调整钢水中Al的含量在0.023％～0.033％；根据浇注顺序确定硅钙线喂入量：第一炉80～100米，连浇炉50～60米；软吹时间≥20min。
进一步的，连铸步骤中：采用18～30℃的低过热度全程保护浇注，浇注过程采用M-EMS+S-EMS+F-EMS三段式电磁搅拌，浇注断面Φ800mm，拉速为0.16m/min。
进一步的，轧制步骤包括：钢坯加热、开坯、连轧轧制和缓冷，轧制步骤将Φ800mm连铸圆坯轧制为Φ250mm～Φ300mm石油阀体用钢。
进一步的，钢坯加热采用步进梁式加热炉加热，以预热+加热一段+加热二段+均热四段式还原性气氛加热，均热段温度控制在1220～1280℃，保温时间≥4h，总加热时间≥12h。
进一步的，开坯前通过高压水除鳞去除钢坯氧化铁皮，除鳞水压在18～24Mpa；开坯过程采用大压下量轧制工艺，单道次最大压下量达110mm。
进一步的，进连轧轧制温度≥950℃，终轧温度≥850℃；轧后钢材入坑缓冷，缓冷时间≥48h，出坑温度小于200℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明通过添加V、Nb微合金化元素，促进析出强化和细晶强化，提高了钢材低温冲击性能，在保证钢材强度的基础上，同时提高了钢材的韧性，使石油阀体用钢具有良好的综合机械性能；
(2)本发明制备过程中控制冶炼、连铸、加热和轧制工艺参数，使钢材具有纯净度高、组织致密和良好机械性能，满足深海石油开采的需求；
(3)本发明通过窄成分范围控制，有效保证钢材性能的稳定性和均匀性；
(4)本发明通过开坯过程大压下量轧制工艺，提高钢材的内部质量，有效提高石油阀体的使用寿命。
具体实施方式
以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
一种石油阀体用钢，包括以下质量百分比的成分：C：0.32％，Si：0.25％，Mn：0.73％，P：0.008％，S：0.003％，Cr：1.02％，Ni：0.21％，Mo：0.23％，Cu：0.02％，Al：0.025％，V：0.016％，Nb：0.010％，As：0.0036％，Sn：0.0007％，Sb：0.0024％，Bi：0.0006％，Pb：0.001％，Ti：0.0017％，H：0.00008％，O：0.0015％，N：0.0066％，其它为Fe和不可避免的杂质。
上述石油阀体用钢的制备方法，包括以下步骤：
(1)电炉冶炼
在110吨超高功率电弧炉中冶炼，为控制钢水中的As、Sn、Sb、Bi、Pb等有害元素，选择优质铁水+废钢，采用铁水热装技术，铁水热装比≥80％。电炉冶炼过程采用炉壁吹氧和碳粉喷吹，稳定控制终点碳，整个过程保持泡沫渣操作。出钢过程采用EBT(偏心炉底)出钢，保证无渣出钢。出钢终点C：0.12％，出钢P≤0.010％，出钢温度：1613℃，其余残余元素含量符合标准要求。出钢过程加入大铝块130kg进行沉淀脱氧；加入石灰600kg，促净剂200kg；加入硅锰合金、硅铁合金和进口高碳铬铁进行合金化。
(2)LF精炼
钢包进站后LF炉加热升温，进行造渣和合金微调操作。精炼过程采用沉淀脱氧与扩散脱氧的复合脱氧方法，前中期喂入铝线进行沉淀脱氧，初样铝达到0.030％～0.050％，扩散脱氧以复合碳化硅为主，硅铁粉为辅。采用CaO-SiO2-Al2O3三元渣系，稳定碱度控制。钢水进站迅速造白渣，冶炼中后期少量多批次加入扩散脱氧剂以保持还原性气氛，白渣保持时间60min，冶炼时间≥40min，有效吸附钢中的夹杂物，确保钢水纯净度。LF采用水冷惰性气体炉盖，减少钢水二次氧化。
(3)VD真空处理
VD氩气流量自动控制，防止二次氧化，实现钢水有效脱氢。VD真空过程真空度51Pa，保持时间16min，破空后喂入铝线以调整钢水中Al的含量在0.023％～0.033％。根据浇注顺序确定硅钙线喂入量：第一炉80～100米，连浇炉50～60米。钢包双透气砖底吹设计，软吹时间59min，以保证钢水中非金属夹杂物充分上浮，提高钢水纯净度。
(4)连铸
连铸弧形半径17m，静压力大，有利于凝固补缩。连铸过程采用长水口氩气保护、整体浸入式水口、中间包采用专用覆盖剂等措施，实现保护浇铸，防止二次氧化。连铸采用全程保护浇注，防止防水二次氧化。为保证铸坯内部质量，采用26℃的低过热度全程保护浇注，防止钢水二次氧化，有效降低铸坯的偏析，提高铸坯低倍致密性，减少铸坯缺陷。同时，浇注过程采用三段式电磁搅拌(M-EMS+S-EMS+F-EMS)，有效改善钢坯疏松、偏析等问题。浇注断面Φ800mm，拉速为0.16m/min。采用9机架多点矫直，保证钢坯表面质量和弯曲度等。
因该产品属裂纹敏感性钢种，为防止铸坯产生较大中心裂纹，铸坯在线切断后及时红送至加热炉加热，一方面可减轻中心裂纹，另一方面可降低加热能源消耗。
(5)轧制
轧制步骤包括：钢坯加热、开坯、连轧轧制和缓冷，轧制步骤将Φ800mm连铸圆坯轧制为Φ250mm～Φ300mm石油阀体用钢。
钢坯加热采用步进梁式加热炉加热，以预热+加热一段+加热二段+均热四段式还原性气氛加热，均热段温度1265℃，保温时间5.2h，总加热时间16.2h。
开坯前通过高压水除鳞去除钢坯氧化铁皮，除鳞水压在18～24Mpa；开坯过程采用大压下量轧制工艺，采用Ф1320mm二辊可逆式轧机，保证大压缩比，单道次最大压下量达110mm，，能有效促进钢坯心部缺陷的焊合。
进连轧轧制温度1185℃，终轧温度945℃，轧制比10.2。
轧后钢材入坑缓冷，缓冷时间56h，出坑温度小于200℃。
实施例2
一种石油阀体用钢，包括以下质量百分比的成分：C：0.28％，Si：0.28％，Mn：0.76％，P：0.008％，S：0.002％，Cr：1.06％，Ni：0.48％，Mo：0.22％，Cu：0.02％，Al：0.025％，V：0.014％，Nb：0.013％，As：0.0035％，Sn：0.0006，Sb：0.0023，Bi：0.0006％，Pb：0.001％，Ti：0.0016％，H：0.00010％，O：0.0011％，N：0.0057％，其它为Fe和不可避免的杂质。
上述石油阀体用钢的制备方法，除以下不同外，其余与实施例1相同，
(1)电炉冶炼步骤中：出钢终点C：0.11％，出钢温度：1620℃。
(2)LF精炼步骤中：白渣保持时间55min。
(3)VD真空处理步骤中：真空度47Pa，保持时间19min，软吹时间46min。
(4)连铸步骤中：过热度23℃。
(5)轧制步骤中：钢坯加热均热段温度1252℃，保温时间4.8h，总加热时间15.5h。进连轧轧制温度1194℃，终轧温度887℃，轧制比为8.2。缓冷时间56h。
实施例3
一种石油阀体用钢，包括以下质量百分比的成分：C：0.31％，Si：0.30％，Mn：0.75％，P：0.004％，S：0.002％，Cr：1.08％，Ni：0.35％，Mo：0.23％，Cu：0.01％，Al：0.026％，V：0.011％，Nb：0.018％，As：0.0034％，Sn：0.0005％，Sb：0.0022％，Bi：0.0006％，Pb：0.001％，Ti：0.0015％，H：0.00007％，O：0.0007％，N：0.0059％，其它为Fe和不可避免的杂质。
上述石油阀体用钢的制备方法，除以下不同外，其余与实施例1相同，
(1)电炉冶炼步骤中：出钢终点C：0.14％，出钢温度：1624℃。
(2)LF精炼步骤中：白渣保持时间60min。
(3)VD真空处理步骤中：真空度50Pa，保持时间17min，软吹时间37min。
(4)连铸步骤中：过热度：25℃。
(5)轧制步骤中：钢坯加热均热段温度1244℃，保温时间5.5h，总加热时间14.9h。进连轧轧制温度1176℃，终轧温度1002℃，轧制比为7.1。缓冷时间58h。
取实施例1～3的钢材检测力学性能、低倍组织、非金属夹杂物、奥氏体晶粒度。将实施例1～3制备得到的圆钢经过843～885℃淬火、649～704℃回火热处理后，在距表面50mm处取样检测圆钢的纵向拉伸、冲击性能等力学性能，具体数据如表1；低倍组织见表2；非金属夹杂物见表3；奥氏体晶粒度见表4。
表1力学性能
Figure BDA0002959152400000081
表2低倍组织/级
Figure BDA0002959152400000082
Figure BDA0002959152400000091
表3非金属夹杂物/级
Figure BDA0002959152400000092
表4奥氏体晶粒度/级
实施例 规格/mm 奥氏体晶粒度
标准要求 / ≥5.0
1 Φ250 8.0
2 Φ280 8.0
3 Φ300 8.0
从上述检测结果可以看出，本发明制备的石油阀体用钢，纯净度高、组织致密、晶粒细小，钢材纵向力学性能符合标准要求，尤其是-60℃的低温冲击富余量较多，能够更好的适应深海石油开采的需求，并且通过窄成分范围冶炼，保证钢材的力学性能稳定、均匀。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种石油阀体用钢，其特征在于，包括以下质量百分比的成分：
C：0.28～0.33%，Si：0.15～0.35%，Mn：0.70～0.80%，P≤0.015%，S≤0.010%，Cr：1.00～1.10%，Mo：0.15～0.25%，Ni：0.20～0.50%，Nb：0.01～0.02%，V：0.01～0.02%，Al：0.015～0.035%，Cu≤0.20%，Ti≤0.01%，As≤0.015%，Sn≤0.01%，Sb≤0.005%，Pb≤0.005%，Bi≤0.005%，H≤0.00015%，O≤0.0015%，N≤0.01%，其它为Fe和不可避免的杂质。
2.一种权利要求1所述的石油阀体用钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：电炉冶炼、LF精炼、VD真空处理、连铸和轧制。
3.根据权利要求2所述的石油阀体用钢的制备方法，其特征在于，电炉冶炼步骤中：采用铁水热装技术，铁水热装比为45%-90%；电炉炉壁采用多功能模块吹氧和碳粉喷吹技术；电炉冶炼的出钢控制终点C≥0.08%，P≤0.01%，出钢温度≥1580℃。
4. 根据权利要求2所述的石油阀体用钢的制备方法，其特征在于， LF精炼步骤中：采用沉淀脱氧与扩散脱氧的复合脱氧方法，前中期喂入铝线进行沉淀脱氧，初样铝达到0.03%～0.05%，扩散脱氧以复合碳化硅为主，硅铁粉为辅；钢水进站迅速造白渣，冶炼中后期少量多批次加入扩散脱氧剂以保持还原性气氛，白渣保持时间≥20min，冶炼时间≥40min。
5.根据权利要求2所述的石油阀体用钢的制备方法，其特征在于，VD真空处理步骤中：真空度不超过67Pa，保持时间≥10min；破空后喂入铝线以调整钢水中Al的含量在0.023%～0.033%；根据浇注顺序确定硅钙线喂入量：第一炉80～100米，连浇炉50~60米；软吹时间≥20min。
6.根据权利要求2所述的石油阀体用钢的制备方法，其特征在于，连铸步骤中：采用18～30℃的低过热度全程保护浇注，浇注过程采用M-EMS+S-EMS+F-EMS三段式电磁搅拌，浇注断面Φ800mm，拉速为0.16m/min。
7.根据权利要求2所述的石油阀体用钢的制备方法，其特征在于，轧制步骤包括：钢坯加热、开坯、连轧轧制和缓冷，轧制步骤将Φ800mm连铸圆坯轧制为Φ250mm～Φ300mm石油阀体用钢。
8.根据权利要求7所述的石油阀体用钢的制备方法，其特征在于，钢坯加热采用步进梁式加热炉加热，以预热+加热一段+加热二段+均热四段式还原性气氛加热，均热段温度控制在1220～1280℃，保温时间≥4h，总加热时间≥12h。
9.根据权利要求7所述的石油阀体用钢的制备方法，其特征在于，开坯前通过高压水除鳞去除钢坯氧化铁皮，除鳞水压在18～24Mpa；开坯过程采用大压下量轧制工艺，单道次最大压下量达110mm。
10.根据权利要求7所述的石油阀体用钢的制备方法，其特征在于，进连轧轧制温度≥950℃，终轧温度≥850℃；轧后钢材入坑缓冷，缓冷时间≥48h，出坑温度小于200℃。
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