CN116334475A - 一种超深井井架用经济型550MPa热轧H型钢和生产方法 - Google Patents

一种超深井井架用经济型550MPa热轧H型钢和生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超深井井架用经济型550MPa热轧H型钢和生产方法，以质量百分比计，包括以下配比：C为0.15～0.18wt％，Si为0.28～0.35wt％，Mn为1.40～1.49wt％，P≤0.03wt％，S≤0.01wt％，V为0.095～0.3wt％，Als≤0.025wt％，其余为铁。将铁熔融成铁水，对铁水进行预处理，将预处理后的铁水转炉冶炼，然后进行LF精炼，并加入0.095～0.3wt％的V，将LF精炼后的铁水进行异型坯全保护浇铸，对铸坯的表面进行清理，将坯料进行粗轧形成H型钢，再通过万能轧机精轧，轧制后的H型钢经过第一段冷却，然后再第二段冷却，H型钢回温后进行空冷，空冷后进行矫直，形成550MPa热轧H型钢。

Description

一种超深井井架用经济型550MPa热轧H型钢和生产方法
技术领域
本发明属于低合金高强度结构钢技术领域，具体属于一种超深井井架用经济型550MPa热轧H型钢和生产方法。
背景技术
随着我国深井超深井的不断开发，对钻井井架用H型钢的性能要求也越来越高。目前井架用型钢主要是Q345、Q420等焊接H型钢，由钢板切割后经过20多道程序组焊而成，存在生产周期长，热变形严重及焊缝残余应力高，且焊接用钢板强度相对较低，导致整个井架重量偏重，给安装和搬迁带来很大不便等缺点。新一代热轧H型钢TMCP工艺从微合金化冶炼开始，到最终成型，经历冶炼、异型坯连铸、开坯轧制、万能可逆粗轧、万能可逆精轧及轧后控制冷却路径等工艺，通过控制轧制过程的温度和变形量，结合轧后的冷却温度和冷却速度，控制不同横截面位置的微观组织状态，从而制备高强度热轧H型钢。该工艺利用微合金化、在一定轧制温度下进行连续大变形及轧后快速冷却技术，优化冷却路径，控制组织相变，实现析出强化，细晶强化及相变强化，最终实现H型钢的高性能。热轧H型钢相对焊接H型钢具有生产周期短，性能优，成本低，且能避免焊接引起的热变形和残余应力等显著优势，在深井超深井钻井井架轻量化及降本增效等方面具有广泛的应用前景。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种超深井井架用经济型550MPa热轧H型钢和生产方法，进一步降低合金含量，严格控制轧制工艺和后续冷却工艺，能将热轧H型钢的屈服强度稳定控制在550MPa以上的同时，保证低温韧性良好，满足深井超深井钻机井架局部构件高强度高低温韧性的使用要求。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种超深井井架用经济型550MPa热轧H型钢，以质量百分比计，包括以下配比：C为0.15～0.18wt％，Si为0.28～0.35wt％，Mn为1.40～1.49wt％，P≤0.03wt％，S≤0.01wt％，V为0.095～0.3wt％，Als≤0.025wt％，其余为铁。
一种超深井井架用经济型550MPa热轧H型钢的生产方法，包括以下过程，
按质量百分比计，原料包括以下配比：C为0.15～0.18wt％，Si为0.28～0.35wt％，Mn为1.40～1.49wt％，P≤0.03wt％，S≤0.01wt％，V为0.095～0.3wt％，Als≤0.025wt％，其余为铁；
将铁熔融成铁水，对铁水进行预处理，将预处理后的铁水转炉冶炼，然后进行LF精炼，并加入0.095～0.3wt％的V，将LF精炼后的铁水进行异型坯全保护浇铸，对铸坯的表面进行清理，将坯料进行粗轧形成H型钢，再通过万能轧机精轧，轧制后的H型钢经过第一段冷却，然后再第二段冷却，H型钢回温后进行空冷，空冷后进行矫直，形成550MPa热轧H型钢。
优选的，异型坯经加热炉加热至1230～1250℃；开坯机开轧的温度为1110～1150℃，开坯终扎的温度为1000～1020℃，万能轧机开轧的温度为930～960℃，终轧温度为860～880℃，总压下量≥60％。
优选的，H型钢进行第一段冷却时的开始温度为857℃～877℃，停止冷却温度为607～677℃，冷却速度为118℃/s～157℃/s。
优选的，H型钢进行第二段冷却时的开始冷却温度为605～675℃，停止冷却温度为500～530℃，冷却速度为35～45℃/s。
优选的，冷却介质为水介质，冷却水的温度不高于30℃。
优选的，H型钢停止冷却后，余热回温至630～710℃，然后空冷至室温。
优选的，冷却时通过在H型钢翼缘、腹板及R角外侧设置不同组的冷却水喷嘴，通过冷却水的流量和流速来调整冷却速度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供一种超深井井架用经济型550MPa热轧H型钢，通过给C-Mn钢添加V微合金化，实现奥氏体冷却过程中，V(C,N)相的弥散析出，对晶界起到钉扎作用，起到析出强化和细晶强化两种作用；同时，利用“新一代TMCP”原理：1)在奧氏体再结晶区完成粗轧，连续大变形和应变积累得到硬化的奥氏体，在未结晶区精轧进一步细化组织和晶粒；2)随后立即进行超快速冷却，使型钢迅速通过奥氏体相区，保持奥氏体硬化状态；3)在奥氏体向铁素体相变的动态相变点终止冷却；4)后续控制冷却路径，使得H型钢轧件连续通过铁素体，珠光体和贝氏体区，获得满足强度和韧性的复相组织，通过严格控制轧制工艺，优化轧后冷却速率，实现细晶强化和相变强化。
本发明的H型钢翼缘1/6处，壁厚中心微观组织为晶粒度为10.5级的等轴铁素体+珠光体复相组织，外表面有4.5～5.2mm的单相贝氏体组织；腹板中心处微观组织主要为晶粒度为11.0级的扁平状铁素体+珠光体，表层有0.5mm左右贝氏体组织；R角处心部组织为轧制变形扁平状铁素体+珠光体，晶粒度为10.0级，外表面同样有5mm左右厚度的单相贝氏体组织。翼缘1/6处屈服强度为580～650MPa，抗拉强度为660～750MPa，伸长率为23.0～27.5％，-40℃冲击吸收能为119～157J。
附图说明
图1为V(C，N)析出强化相透射照片；
图2为H型钢翼缘1/6处心部等轴铁素体+珠光体组织；
图3为H型钢翼缘1/6处外表面贝氏体组织；
图4为H型钢腹板心部扁平铁素体+珠光体组织。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明的经济型屈服强度550MPa级热轧H型钢的化学成分设计基于C-Mn钢，仅添加V微合金化，具体配比为：C：0.15～0.18，Si：0.28～0.35，Mn：1.40～1.49，P：≤0.03，S：≤0.01，V：0.095～0.3，Als≤0.025，其余为铁和残余的微量杂质。
该经济型屈服强度550MPa级热轧H型钢的生产工艺为：铁水预处理→转炉冶炼→LF精炼→异型坯全保护浇铸→铸坯表面清理→开坯轧制→H型钢粗轧→万能轧机精轧→轧后第一段快速冷却→轧后第二段快速冷却→钢材回温→空冷→矫直。
该经济型屈服强度550MPa级热轧H型钢的轧制工艺：异型坯经加热炉加热至1230～1250℃；开坯机开轧温度1110～1150℃，开坯终扎温度1000～1020℃，万能轧机开轧温度930～960℃，终轧温度860～880℃，总压下量≥60％。
该经济型屈服强度550MPa级热轧H型钢的冷却工艺：第一段冷却开始温度857℃～877℃，停止冷却温度607～677℃，冷却速度为118℃/s～157℃/s；紧接着进入第二段快速冷却，开始冷却温度605～675℃，停止冷却温度500～530℃，冷却速度35～45℃/s；快速冷却冷速通过在H型钢翼缘、腹板及R角外侧设置不同组的冷却水喷嘴，通过冷却水的流量和流速来调整冷却速度，冷却介质为水介质，保证冷却水温度不高于30℃。H型钢停止快速冷却后，余热回温630～710℃，然后空冷至室温。
如图1至图4所示，本发明的H型钢翼缘1/6处，壁厚中心微观组织为晶粒度为10.5级的等轴铁素体+珠光体复相组织，外表面有4.5～5.2mm的单相贝氏体组织；腹板中心处微观组织主要为晶粒度为11.0级的扁平状铁素体+珠光体，表层有0.5mm左右贝氏体组织；R角处心部组织为轧制变形扁平状铁素体+珠光体，晶粒度为10.0级，外表面同样有5mm左右厚度的单相贝氏体组织。翼缘1/6处屈服强度为580～650MPa，抗拉强度为660～750MPa，伸长率为23.0～27.5％，-40℃冲击吸收能为119～157J。
本发明经济型屈服强度550MPa级热轧H型钢的强化机理结合了析出强化、细晶强化和相变强化三种强化机理。通过给C-Mn钢添加V微合金化，实现奥氏体冷却过程中，V(C,N)相的弥散析出，对晶界起到钉扎作用，起到析出强化和细晶强化两种作用；同时，利用“新一代TMCP”原理：1)在奧氏体再结晶区完成粗轧，连续大变形和应变积累得到硬化的奥氏体，在未结晶区精轧进一步细化组织和晶粒；2)随后立即进行超快速冷却，使型钢迅速通过奥氏体相区，保持奥氏体硬化状态；3)在奥氏体向铁素体相变的动态相变点终止冷却；4)后续控制冷却路径，使得H型钢轧件连续通过铁素体，珠光体和贝氏体区，获得满足强度和韧性的复相组织，通过严格控制轧制工艺，优化轧后冷却速率，实现细晶强化和相变强化。
实施例1：
钢水化学成分的质量百分比(wt％)为：C：0.15，Si：0.28，Mn：1.40，P：≤0.03，S：≤0.01，V：0.095，Als≤0.025，其余为铁和残余的微量杂质；
将铁和上述质量百分比计的原料熔融成铁水，对铁水进行预处理，将预处理后的铁水转炉冶炼，然后进行LF精炼，并加入0.095wt％的V，将LF精炼后的铁水进行异型坯全保护浇铸，对铸坯的表面进行清理，将坯料进行粗轧形成H型钢，再通过万能轧机精轧，轧制后的H型钢经过第一段冷却，然后再第二段冷却，H型钢回温后进行空冷，空冷后进行矫直，形成550MPa热轧H型钢。铁水预处理是对铁水进行脱硫、脱磷、脱硅。
H型钢轧制工艺参数为：铸坯均热温度1230℃；开坯机开轧温度1110℃；开坯机终轧温度1000℃；万能粗轧机开轧温度960℃；万能精轧机终轧温度880℃；万能轧制区控制总压下率≥50％。
H型钢轧后两段冷却处理参数：H型钢的开始冷却时温度为880℃，冷却结束时温度为670℃，冷却速度为120℃/s；立即进行第二段快速水冷却，第二段开始冷却时温度为668℃，冷却结束时温度为530℃，冷却速度为35℃/s。余热回温温度680℃，然后空冷至室温。
H型钢(规格为300mm×300mm×10mm×15mm)性能指标是：ReL为580MPa，Rm为575MPa，A为27.5％，-40℃纵向AKV为157J，实际晶粒度为10.5级。
实施例2：
钢水化学成分的质量百分比(wt％)为：C：0.18，Si：0.35，Mn：1.6，P：≤0.03，S：≤0.01，V：0.14，Als≤0.025，其余为铁和残余的微量杂质；
将铁和上述质量百分比计的原料熔融成铁水，对铁水进行预处理，将预处理后的铁水转炉冶炼，然后进行LF精炼，并加入0.14wt％的V，将LF精炼后的铁水进行异型坯全保护浇铸，对铸坯的表面进行清理，将坯料进行粗轧形成H型钢，再通过万能轧机精轧，轧制后的H型钢经过第一段冷却，然后再第二段冷却，H型钢回温后进行空冷，空冷后进行矫直，形成550MPa热轧H型钢。
H型钢轧制工艺参数为：铸坯均热温度1250℃；开坯机开轧温度1150℃；开坯机终轧温度1000℃；万能粗轧机开轧温度930℃；万能精轧机终轧温度850℃；万能轧制区控制总压下率≥50％。
H型钢轧后两段冷却处理参数：H型钢的开始冷却时温度为848℃，冷却结束时温度为610℃，冷却速度为150℃/s；立即进行第二段快速水冷却，第二段开始冷却时温度为605℃，冷却结束时温度为500℃，冷却速度为45℃/s。余热回温温度670℃，然后空冷至室温。
H型钢(规格为300mm×300mm×10mm×15mm)性能指标是：ReL为650MPa，Rm为750MPa，A为23.0％，-40℃纵向AKV为119J，实际晶粒度为11级。
实施例3：
钢水化学成分的质量百分比(wt％)为：C：0.16，Si：0.30，Mn：1.45，P：≤0.03，S：≤0.01，V：0.3，Als≤0.025，其余为铁和残余的微量杂质；
将铁和上述质量百分比计的原料熔融成铁水，对铁水进行预处理，将预处理后的铁水转炉冶炼，然后进行LF精炼，并加入0.3wt％的V，将LF精炼后的铁水进行异型坯全保护浇铸，对铸坯的表面进行清理，将坯料进行粗轧形成H型钢，再通过万能轧机精轧，轧制后的H型钢经过第一段冷却，然后再第二段冷却，H型钢回温后进行空冷，空冷后进行矫直，形成550MPa热轧H型钢。
H型钢轧制工艺参数为：铸坯均热温度1235℃；开坯机开轧温度1120℃；开坯机终轧温度1020℃；万能粗轧机开轧温度945℃；万能精轧机终轧温度860℃；万能轧制区控制总压下率≥50％。
H型钢轧后两段冷却处理参数：H型钢的开始冷却时温度为858℃，冷却结束时温度为630℃，冷却速度为135℃/s；立即进行第二段快速水冷却，第二段快速冷却工艺参数为：H型钢的开始冷却时温度为627℃，冷却结束时温度为515℃，冷却速度为40℃s。
H型钢(规格为300mm×300mm×10mm×15mm)性能指标是：ReL为627MPa，Rm为723MPa，A为23.5％，-40℃纵向AKV为137J，实际晶粒度为11.0级。

Claims (8)

1.一种超深井井架用经济型550MPa热轧H型钢，其特征在于，以质量百分比计，包括以下配比：C为0.15～0.18wt％，Si为0.28～0.35wt％，Mn为1.40～1.49wt％，P≤0.03wt％，S≤0.01wt％，V为0.095～0.3wt％，Als≤0.025wt％，其余为铁。
2.一种超深井井架用经济型550MPa热轧H型钢的生产方法，其特征在于，包括以下过程，
按质量百分比计，原料包括以下配比：C为0.15～0.18wt％，Si为0.28～0.35wt％，Mn为1.40～1.49wt％，P≤0.03wt％，S≤0.01wt％，V为0.095～0.3wt％，Als≤0.025wt％，其余为铁；
将铁熔融成铁水，对铁水进行预处理，将预处理后的铁水转炉冶炼，然后进行LF精炼，并加入0.095～0.3wt％的V，将LF精炼后的铁水进行异型坯全保护浇铸，对铸坯的表面进行清理，将坯料进行粗轧形成H型钢，再通过万能轧机精轧，轧制后的H型钢经过第一段冷却，然后再第二段冷却，H型钢回温后进行空冷，空冷后进行矫直，形成550MPa热轧H型钢。
3.根据权利要求2所述的一种超深井井架用经济型550MPa热轧H型钢的生产方法，其特征在于，异型坯经加热炉加热至1230～1250℃；开坯机开轧的温度为1110～1150℃，开坯终扎的温度为1000～1020℃，万能轧机开轧的温度为930～960℃，终轧温度为860～880℃，总压下量≥60％。
4.根据权利要求2所述的一种超深井井架用经济型550MPa热轧H型钢的生产方法，其特征在于，H型钢进行第一段冷却时的开始温度为857℃～877℃，停止冷却温度为607～677℃，冷却速度为118℃/s～157℃/s。
5.根据权利要求2所述的一种超深井井架用经济型550MPa热轧H型钢的生产方法，其特征在于，H型钢进行第二段冷却时的开始冷却温度为605～675℃，停止冷却温度为500～530℃，冷却速度为35～45℃/s。
6.根据权利要求2所述的一种超深井井架用经济型550MPa热轧H型钢的生产方法，其特征在于，冷却介质为水介质，冷却水的温度不高于30℃。
7.根据权利要求2所述的一种超深井井架用经济型550MPa热轧H型钢的生产方法，其特征在于，H型钢停止冷却后，余热回温至630～710℃，然后空冷至室温。
8.根据权利要求2所述的一种超深井井架用经济型550MPa热轧H型钢的生产方法，其特征在于，冷却时通过在H型钢翼缘、腹板及R角外侧设置不同组的冷却水喷嘴，通过冷却水的流量和流速来调整冷却速度。
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