CN114134420B - 一种油气钻采防喷管用钢及生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种油气钻采防喷管用钢及生产方法，化学成分质量百分比为：C：0.39％～0.42％，Si：0.20％～0.30％，Mn：0.70％～0.80％，Cr：0.75％～0.85％，Mo：0.21％～0.28％，Ni：1.70％～1.90％，P≤0.012％，S≤0.008％，氧含量≤30ppm，氮含量≤100ppm，氢含量≤2ppm，其余为Fe及不可避免的杂质。优点是：合理的成分设计保证表面硬度、力学性能、耐蚀性和钢质纯净度。现有产品均为模铸生产，本发明采用连铸替代模铸，采用转炉+LF+RH+矩形坯流程生产油气钻采防喷管用钢，保证了钢质纯净度及连浇性，提高了成材率。

Description

一种油气钻采防喷管用钢及生产方法
技术领域
本发明属于防喷管的生产领域，尤其涉及一种油气钻采防喷管用钢E4340及生产方法。
背景技术
随着我国生态文明建设的不断推进，以清洁能源页岩气为代表的新能源领域成为我国加快培育和发展的战略性新兴产业。油气钻采防喷管是防止油田井喷事故发生用防喷器的重要结构管件。因为其工作在高含酸性气体油气田的特殊环境下，所以要求钢材具有高强度、低温冲击韧性和高的钢质纯净度，以及优异的耐蚀性和耐磨性。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种油气钻采防喷管用钢及生产方法，采用转炉+LF+RH+矩形坯(350mm×470mm)生产油气钻采防喷管用钢E4340，实现了转炉流程批量生产高品质油气钻采防喷管用钢。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种油气钻采防喷管用钢，其化学成分质量百分比为：
C：0.39％～0.42％，Si：0.20％～0.30％，Mn：0.70％～0.80％，Cr：0.75％～0.85％，Mo：0.21％～0.28％，Ni：1.70％～1.90％，P≤0.012％，S≤0.008％，氧含量≤30ppm，氮含量≤100ppm，氢含量≤2ppm，其余为Fe及不可避免的杂质。
一种油气钻采防喷管用钢的生产方法，包括以下步骤：
1)180t转炉冶炼：废钢占10±2％，其余为铁水；氧气顶底复吹，出钢温度1650～1655℃，出钢终点C为0.25％～0.35％，P≤0.010％，出钢1/4～1/3时加入合金及辅料进行脱氧合金化；
合金吨钢加入量：硅锰9kg/t，铝粒0.58kg/t，高碳铬铁12～13kg/t，钼铁4.4kg/t，镍板20kg/t；辅料吨钢加入量：菱镁石21～22kg/t，活性石灰35kg/t，石灰石11～12kg/t，烧结矿10.5kg/t，矩形坯保护剂40kg/炉；
2)LF炉：采用20000～25000A大电流升温化渣，当渣面波动、钢水及电弧不裸露时，补加活性石灰，每吨钢加入4.5～5kg，取样分析化学成分，按照化学成分目标值补加合金，并增碳，合金和碳粉加到氩气流上；同时，渣面进行扩散脱氧，当钢水温度达到1615～1620℃温度时取样分析化学成分，补加扩散脱氧剂继续调渣，补加合金：高碳锰铁1.6～1.7kg/t，硅铁0.8～0.9kg/t，高碳铬铁1.2kg/t，铝线140米/炉，焦丁增碳剂66kg/炉，同时继续保持白渣熔炼20～30min；
3)RH精炼：入RH炉前温度1600～1620℃，在真空泵启动前氩气压力控制0.1～0.3MPa，渣面微动钢水不裸露，当真空度达到100Pa时开始计时，保持时间10～15min，根据C含量，补加高碳锰钢，同时将氩气压力调整至0.3～0.5MPa，静吹氩结束后，加入硅钙线100米/炉；
4)连铸：中间包温度1510～1528℃，拉速0.48～0.51m/min，中包H≤2ppm，矩形坯中包渣100kg/炉，保护渣60kg/炉，结晶器电磁搅拌电流400A，末端电磁搅拌电流330A，频率8Hz；全过程保护浇铸，结晶器保护渣使用中碳钢保护渣；铸坯切割采用自动加人工相结合的方式，连铸坯红钢垫底，上压两炉铸坯保证平直度，保温时间30～40h；
5)轧制程序：采用1150mm BD初轧机开坯，轧制7道次，压下量：第1道次60±0.5mm，第2道次70±0.5mm，第3道次66±0.5mm，第4道次57±0.5mm，第5道次66±0.5mm，第6道次72±0.5mm，第7道次72±0.5mm，经过3架850mm轧机，1架735mm轧机，然后进入8架连轧机组轧制；
6)热处理工艺采用正火+淬火+高温回火：
正火工艺：均匀升温到860±10℃，保温0.5-1h，出炉空冷或风冷；
淬火工艺：钢材装炉温度为500℃～520℃，均匀升温到860±10℃，保温4～5h，进行淬火处理；
回火工艺：均匀升温到680±10℃，保温2～3h，空冷。
所述的扩散脱氧剂为铝粒，铝粒的加入量为0.2～0.3kg/t。
步骤5)钢材调质态下布氏硬度在280HBW～320HBW，屈服强度ReL≥725Mpa，抗拉强度≥850Mpa，断面收缩率≥45％，断面伸长率≥17％。
所述的矩形坯保护剂为中碳保护剂，化学成分按质量份计：
SiO2：22～28份；CaO：22～28份；Al2O3：6～11份；MgO：1.5～4.5份；F：5～11份；游离碳C：14～23份；碱度：0.8～1.2。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)合理的成分设计保证表面硬度、力学性能、耐蚀性和钢质纯净度。
(2)现有产品均为模铸生产，本发明采用连铸替代模铸，采用180t转炉+LF+RH+矩形坯(350mm×470mm)流程生产油气钻采防喷管用钢E4340，保证了钢质纯净度及连浇性，提高了成材率。
(3)成品钢材低倍组织、非金属夹杂物、表面硬度、力学性能均满足高端产品要求。
(4)生产节奏快，单炉产钢量大，成品材压缩比大。
附图说明
图1是正火工艺的升温曲线图。
图2是淬火工艺的升温曲线图。
具体实施方式
下面对本发明进行详细地描述，但是应该指出本发明的实施不限于以下的实施方式。
一种油气钻采防喷管用钢，综合考虑Ni、Cr、Mo对耐蚀性的影响，油气钻采防喷管用钢E4340的化学成分质量百分比见表1：
表1化学成分(质量分数)/％
Figure BDA0003374953320000031
表1中，氧含量、氮含量、氢含量的单位为ppm，其余为Fe及不可避免的杂质。
油气钻采防喷管用钢的生产方法，其工艺路线为：高炉铁水→铁水预处理→180t转炉冶炼→精炼炉LF→真空脱气RH→矩形坯连铸350mm×470mm连铸坯→步进式加热炉加热→高压水除鳞→1150BD轧制→850连轧机组→中棒连轧机组→缓冷→正火→扒皮→精整→超声波探伤→检验→入库。具体包括以下步骤：
(1)180t转炉冶炼：废钢占10±2％，其余为铁水；氧气顶底复吹，出钢温度1650～1655℃，出钢终点C为0.25％～0.35％，P≤0.010％，出钢1/4～1/3时加入合金及辅料进行脱氧合金化；
合金吨钢加入量：硅锰9kg/t，铝粒0.58kg/t，高碳铬铁12～13kg/t，钼铁4.4kg/t，镍板20kg/t。辅料吨钢加入量：菱镁石21～22kg/t，活性石灰35kg/t，石灰石11～12kg/t，烧结矿10.5kg/t，矩形坯保护剂40kg/炉；
其中，矩形坯保护剂可为中碳保护剂，其化学成分按质量份计：
SiO2：22～28份；CaO：22～28份；Al2O3：6～11份；MgO：1.5～4.5份；F：5～11份；游离碳C：14～23份；碱度：0.8～1.2。
(2)LF炉：采用20000～25000A大电流升温化渣，当渣面波动、钢水及电弧不裸露时，补加活性石灰，每吨钢加入4.5～5kg，5min后第一次取样分析化学成分，按照化学成分目标值补加合金，并增碳，合金和碳粉应加到氩气流上，以促进合金和碳粉快速熔化和均匀化。同时，渣面进行扩散脱氧，闭炉门10min，当钢水温度达到1615～1620℃温度时第二次取样分析化学成分，以确认各化学元素成分含量距目标值要求的偏离值，二次样取走后，补加扩散脱氧剂(铝粒0.2～0.3kg/t)继续调渣，补加合金：高碳锰钢1.6～1.7kg/t，硅铁0.8～0.9kg/t，高碳铬铁1.2kg/t，铝线140米/炉，焦丁增碳剂66kg/炉，同时继续保持白渣熔炼20～30min。LF后渣样成分见表2所示。
表2 LF后渣样成分/％
成分 CaO SiO<sub>2</sub> Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> FeO MgO
含量 51.51 7.988 32.03 0.78 6.969
(3)RH精炼：入RH炉前温度1600～1620℃，在真空泵启动前氩气压力控制0.1～0.3MPa，以渣面微动钢水不裸露，当真空度达到100Pa时开始计时，保持时间10～15min，根据C含量，补加高碳锰钢，同时将氩气压力调整至0.3～0.5MPa，静吹氩结束后，加入硅钙线100米/炉。
(4)连铸：中间包温度1510～1528℃，拉速0.48～0.51m/min，中包H控制≤2ppm，矩形坯中包渣100kg/炉，保护渣60kg/炉，结晶器电磁搅拌电流400A，末端电磁搅拌电流330A，频率8Hz；全过程保护浇铸，结晶器保护渣使用中碳钢保护渣；铸坯切割采用自动加人工相结合的方式，连铸坯红钢垫底，上压两炉铸坯保证平直度，保温时间30～40h。
(5)轧制程序：采用1150mm BD初轧机开坯，轧制7道次，压下量：第1道次60±0.5mm，第2道次70±0.5mm，第3道次66±0.5mm，第4道次57±0.5mm，第5道次66±0.5mm，第6道次72±0.5mm，第7道次72±0.5mm，，经过3架850mm轧机，1架735mm轧机，然后进入8架连轧机组轧制。
6)热处理工艺采用正火+淬火+高温回火：
调质炉型号：台车式电阻炉RT3-240-9；
炉膛尺寸：2800mm×1500mm×900mm；
最大装炉量：8t；
正火工艺：均匀升温到860±10℃，保温0.5-1h，出炉空冷或风冷；
淬火工艺：钢材装炉温度为500～520℃，均匀升温到860±10℃，保温4～5h，进行淬火处理；
回火工艺：均匀升温到680±10℃，保温2～3h，空冷。
实施例
实施例1-5化学成分见表3；实施例1-5产品低倍组织见表4；实施例1-5产品非金属夹杂物见表5；实施例1-5产品热处理后硬度和力学性能见表6；实施例1-5产品超声波探伤结果见表7；实施例1-5产品奥氏体晶粒度检验结果见表3。
表3各实施例钢的化学成分(wt％)
元素 C Si Mn P S Ni Cr Mo N O H
例1 0.41 0.24 0.74 0.012 0.006 1.81 0.79 0.25 0.0051 0.0008 0.00002
例2 0.4 0.22 0.76 0.012 0.007 1.83 0.8 0.23 0.0062 0.0007 0.00002
例3 0.39 0.24 0.72 0.011 0.007 1.76 0.78 0.23 0.0045 0.0009 0.00017
例4 0.41 0.25 0.76 0.008 0.005 1.88 0.81 0.25 0.0051 0.0011 0.00005
例5 0.42 0.24 0.74 0.009 0.004 1.77 0.78 0.23 0.0051 0.0008 0.00005
本发明的一种油气钻采防喷管用钢的生产方法，工艺路线：高炉铁水→铁水预处理→180t转炉冶炼→精炼炉LF→真空脱气RH→矩形坯连铸350mm×470mm连铸坯→步进式加热炉加热→高压水除鳞→1150BD轧制→850连轧机组→中棒连轧机组→缓冷→正火→扒皮→精整→超声波探伤→检验→入库，具体包括如下步骤：
1)转炉冶炼：废钢占9wt％～11wt％，铁水占89wt％～91wt％；氧气顶底复吹，出钢温度1650～1655℃，出钢终点C为0.20％～0.30％，P≤0.010％，出钢1/4～1/3时加入无烟煤粉、铝球及合金进行脱氧合金化；
2)LF炉：采用20000～25000A大电流升温化渣，当渣面波动、钢水及电弧不裸露时，补加活性石灰，每吨钢加入4.5～5kg，5min后第一次取样分析化学成分，按照化学成分目标值补加合金，并增碳，合金和碳粉应加到氩气流上，以促进合金和碳粉快速熔化和均匀化。同时，渣面进行扩散脱氧，闭炉门10min，当钢水温度达到1615～1620℃温度时第二次取样分析化学成分，以确认各化学元素成分含量距目标值要求的偏离值，二次样取走后，补加扩散脱氧剂，继续调渣，补加合金，同时继续保持白渣熔炼20～30min。
3)RH精炼：入RH炉前温度1600～1620℃，在真空泵启动前氩气压力控制0.1～0.3MPa，以渣面微动钢水不裸露，当真空度达到100Pa时开始计时，保持时间10～15min，根据C含量，补加高碳锰铁，同时将氩气压力调整至0.3～0.5MPa，静吹氩结束后，加入硅钙线100米/炉。
4)连铸：中间包温度1515～1527℃，拉速0.48～0.50m/min，中包H控制≤2ppm，矩形坯中包渣100kg/炉，保护渣60kg/炉，结晶器电磁搅拌电流400A，末端电磁搅拌电流330A，频率8Hz；全过程保护浇铸，结晶器保护渣使用中碳钢保护渣；铸坯切割采用自动加人工相结合的方式，连铸坯红钢垫底，上压两炉铸坯保证平直度，保温时间35～40h。
5)轧制：采用1150mm BD初轧机开坯，轧制7道次，压下量：第1道次60.5mm，第2道次70mm，第3道次66.5mm，第4道次57mm，第5道次66mm，第6道次72mm，第7道次72.5mm，经过3架850mm轧机，1架735mm轧机，然后进入8架连轧机组轧制。成品规格及性能见表4-表8。
表4低倍组织
Figure BDA0003374953320000061
表5非金属夹杂物
Figure BDA0003374953320000062
表6热处理后的硬度和力学性能
Figure BDA0003374953320000071
表7超声波探伤结果
Figure BDA0003374953320000072
表8奥氏体晶粒度检验结果
Figure BDA0003374953320000073

Claims (4)

1.一种油气钻采防喷管用钢的生产方法，其特征在于，该油气钻采防喷管用钢的化学成分质量百分比为：
C：0.39%～0.42%，Si：0.20%～0.30%，Mn：0.70%～0.80%，Cr：0.75%～0.85%，Mo：0.21%～0.28%，Ni：1.70%～1.90%，P≤0.012%，S≤0.008%，氧含量≤30ppm，氮含量≤100ppm，氢含量≤2ppm，其余为Fe及不可避免的杂质；
油气钻采防喷管用钢的生产方法，包括以下步骤：
1）180t转炉冶炼：废钢占10±2%，其余为铁水；氧气顶底复吹，出钢温度1650～1655℃，出钢终点C为0.25%～0.35%，P≤0.010%，出钢1/4～1/3时加入合金及辅料进行脱氧合金化；
合金吨钢加入量：硅锰9kg/t，铝粒0.58kg/t，高碳铬铁12～13kg/t，钼铁4.4kg/t，镍板20kg/t；辅料吨钢加入量：菱镁石21～22kg/t，活性石灰35kg/t，石灰石11～12kg/t，烧结矿10.5kg/t，矩形坯保护剂 40kg/炉；
2）LF炉：采用20000～25000A大电流升温化渣，当渣面波动、钢水及电弧不裸露时，补加活性石灰，每吨钢加入4.5～5kg，取样分析化学成分，按照化学成分目标值补加合金，并增碳，合金和碳粉加到氩气流上；同时，渣面进行扩散脱氧，当钢水温度达到1615～1620℃温度时取样分析化学成分，补加扩散脱氧剂继续调渣，补加合金：高碳锰铁1.6～1.7kg/t，硅铁0.8～0.9kg/t，高碳铬铁1.2kg/t，铝线140米/炉，焦丁增碳剂66kg/炉，同时继续保持白渣熔炼20～30min；
3）RH精炼：入RH炉前温度1600～1620℃，在真空泵启动前氩气压力控制0.1～0.3MPa，渣面微动钢水不裸露，当真空度达到 100Pa 时开始计时，保持时间10～15min，根据C含量，补加高碳锰钢，同时将氩气压力调整至0.3～0.5MPa，静吹氩结束后，加入硅钙线100米/炉；
4）连铸：中间包温度1510～1528℃，拉速0.48～0.51m/min，中包H≤2ppm，矩形坯中包渣100kg /炉，保护渣 60kg /炉，结晶器电磁搅拌电流400A，末端电磁搅拌电流330A，频率8Hz；全过程保护浇铸，结晶器保护渣使用中碳钢保护渣；铸坯切割采用自动加人工相结合的方式，连铸坯红钢垫底，上压两炉铸坯保证平直度，保温时间30～40h；
5）轧制程序：采用1150mm BD初轧机开坯，轧制7道次，压下量：第1道次60±0.5mm，第2道次70±0.5mm，第3道次66±0.5mm，第4道次57±0.5mm，第5道次66±0.5mm，第6道次72±0.5mm，第7道次72±0.5mm，经过3架850mm轧机，1架735mm轧机，然后进入8架连轧机组轧制；
6）热处理工艺采用正火+淬火+高温回火：
正火工艺：均匀升温到860±10℃，保温0.5-1h，出炉空冷或风冷；
淬火工艺：钢材装炉温度为500℃～520℃，均匀升温到860±10℃，保温4～5h，进行淬火处理；
回火工艺：均匀升温到680±10℃，保温2～3h，空冷。
2.根据权利要求1所述的一种油气钻采防喷管用钢的生产方法，其特征在于，所述的扩散脱氧剂为铝粒，铝粒的加入量为0.2～0.3kg/t。
3.根据权利要求1所述的一种油气钻采防喷管用钢的生产方法，其特征在于，步骤5）钢材调质态下布氏硬度在280HBW～320HBW，屈服强度ReL≥725Mpa，抗拉强度≥850Mpa，断面收缩率≥45%，断面伸长率≥17%。
4.根据权利要求1所述的一种油气钻采防喷管用钢的生产方法，其特征在于，所述的矩形坯保护剂为中碳保护剂，化学成分按质量份计：
SiO2：22～28份；CaO：22～28份；Al2O3：6～11份；MgO：1.5～4.5份；F：5～11份；游离碳C：14～23份；碱度：0.8～1.2。
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