一種Ni微合金化石油鉆鋌用鋼及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種Ni微合金化石油鉆鋌用鋼及其制備方法，該Ni微合金化石油鉆鋌用鋼按質(zhì)量百分比計(jì)包括：C：0.40?0.48％，Si：0.15?0.35％，Mn：1.00?1.20％，Cr：1.05?1.30％，Mo：0.20?0.35％，Ni：0.20?0.40％，P：≤0.015％，S：≤0.010％，其余為鐵元素和不可避免的雜質(zhì)元素。其制備方法包括電爐冶煉、LF爐外精煉、VD爐真空處理、連鑄和軋制工序。本發(fā)明的Ni微合金化石油鉆鋌用鋼具有良好的綜合機(jī)械性能，穩(wěn)定的淬透性，保證熱處理穩(wěn)定性，因增加Ni進(jìn)行微合金化，提高了低溫沖擊韌性。
【專利說明】
-種N i微合金化石油鉆鏈用鋼及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及石油鉆探用鋼領(lǐng)域，特別設(shè)及一種中碳CrMnMo并添加了少量Ni進(jìn)行微 合金化，具有良好綜合機(jī)械性能及低溫沖擊初性的石油鉆挺用鋼及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 鉆挺是石油、天然氣鉆柱的最重要組成部分之一，具有向鉆頭提供鉆進(jìn)的壓力及 提高鉆柱剛性的作用，能承受鉆井作業(yè)的高速旋轉(zhuǎn)、與巖石的劇烈摩擦，很大的扭矩(鉆井 深度要達(dá)到3千米W上，鉆挺要逐節(jié)連接下去）W及啟動(dòng)、停止時(shí)沖擊力等各種交變應(yīng)力的 作用。隨著我國石油天然氣工業(yè)的不斷發(fā)展，石油鉆挺作為石油鉆井作業(yè)中必不可少的鉆 具的需求越來越大，同時(shí)鉆井作業(yè)對(duì)鉆挺的質(zhì)量提出的要求也越來越高，所W高性能的石 油鉆挺的需求也就越來越迫切。用于石油開采的鉆挺鋼材要具有高強(qiáng)度、高硬度、抗扭轉(zhuǎn)、 抗彎曲、抗耐磨，良好沖擊初性等性能要求。目前，用于開采石油的鉆挺材料，基本上是銘鋼 鋼制造，對(duì)微量元素的含量進(jìn)行有效的控制。但是，最近幾年鉆采環(huán)境更加復(fù)雜和惡劣，要 求鉆挺能在更加苛刻的條件下進(jìn)行工作，對(duì)其耐壓強(qiáng)度、沖擊初性和耐腐性提出更高要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于，提供一種通過M微合金化所制備的石油鉆挺用鋼，該鋼具有 高強(qiáng)度及高硬度的同時(shí)，具有良好的初塑性、低溫沖擊初性和耐磨性能，用于制備的石油鉆 挺可W應(yīng)用于高強(qiáng)度、高硬度、低溫等環(huán)境中。
[0004] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案：
[0005] -種M微合金化石油鉆挺用鋼，所述Ni微合金化石油鉆挺用鋼的化學(xué)成分按質(zhì)量 百分比計(jì)包括：C: 0.40-0.48%，Si : 0.15-0.35%，Mn: 1.00-1.20 %，吐：1.05-1.30%，Mo: 0.20-0.35%，Ni :0.20-0.40%，P:《0.015%，S:《0.010% ,0.015-0.025%，其余為鐵元素 和不可避免的雜質(zhì)元素。
[0006] 根據(jù)該鋼材料的服役環(huán)境及各元素在鋼中的作用效果，優(yōu)選地，所述Ni微合金化 石油鉆挺用鋼的化學(xué)成分按質(zhì)量百分比計(jì)包括：C: 0.45-0.47 %，Si :0.24-0.28%，Mn: 1.08-1.12%,Cr :1.16-1.20%,Mo :0.29-0.30%, Ni :0.21-0.22%, P :^0.010%, S：^ 0.005%，A1:0.015-0.025%，其余為鐵元素和不可避免的雜質(zhì)元素。
[0007] 本發(fā)明的另一個(gè)目的在于，提供一種Ni微合金化石油鉆挺用鋼的制備方法，所述 方法包括冶煉、LF爐外精煉+VD真空處理、連鑄和社鋼工序，其特征在于：
[000引1)在冶煉工序中，保證爐體狀況最佳，W減少爐體因素而使鋼中氣體增加，電爐冶 煉全過程造泡沫渣操作，均勻脫碳、減少吸氮，控制出鋼P(yáng)含量不大于0.008%，終點(diǎn)[C]> 0. lOwt%，鋼水的出鋼溫度1600-1640°C，同時(shí)進(jìn)行鋼包合金化；
[0009] 2)在LF爐外精煉+VD真空處理工序中，精煉渣堿度為3.0-3.5，加強(qiáng)脫硫操作，保持 白渣操作，進(jìn)行成分微調(diào)，喂入侶線，LF出鋼前，喂巧線;VD爐真空處理工序中，真空度小于 67M化，保持時(shí)間大于17分鐘，氣氣攬拌及VD爐處理后軟吹氣，VD后軟吹氣時(shí)間不小于20分 鐘；
[0010] 3)在連鑄工序中，采用連鑄保護(hù)誘注鑄巧，連鑄中采用電磁攬拌，控制中間包過熱 度為20-30°C，誘注斷面巫500mm拉速在0.35 ±0.0 lm/min，誘注斷面巫650mm拉速在0.25 ± 0.0Im/min;為了保證連鑄巧質(zhì)量，不能在冷床停留，要及時(shí)入坑緩冷，入坑溫度大于650°C， 巫500mm圓巧緩冷72小時(shí)W上，〇650mm圓巧緩冷96小時(shí)W上，且保證出坑溫度不大于200 。。
[00川4)在社制工序中，控制加熱爐均熱溫度在1180-1250°(：，巫500111111加熱時(shí)間>6.5小 時(shí)，巫650mm加熱時(shí)間>8.0小時(shí)，開社溫度1090-1190°C，終社溫度大于900-1000°C。
[0012]優(yōu)選地，所述步驟1)中，加入高儘合金、高銘合金、娃儘合金、鋼鐵、儀板進(jìn)行鋼包 合金化。
[001引優(yōu)選地，所述步驟2)中，喂侶線3. Om/t鋼加強(qiáng)脫硫，喂巧線2.5m/t鋼進(jìn)行鋼中夾雜 物球化處理。
[0014] 本發(fā)明中，所述步驟3)中，采用30°CW內(nèi)的低過熱度誘鑄。
[0015] 針對(duì)該鋼材料應(yīng)具有高強(qiáng)度及高硬度，同時(shí)兼顧其沖擊初性、耐磨性等要求，本發(fā) 明提供一種中碳CrMnMo鋼，并加入微量M元素，保證其低溫的服務(wù)環(huán)境。根據(jù)該鋼材料加工 產(chǎn)品的使用特性，提出的力學(xué)性能、高倍組織、澤透性及表面硬度等要求，本發(fā)明依據(jù)各元 素在鋼中的作用，同時(shí)兼顧時(shí)效帶來強(qiáng)度的降低，在用戶的要求基礎(chǔ)上，充分考慮時(shí)效強(qiáng)度 的降低值，在成分控制上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證力學(xué)性能即滿足使用要求同時(shí)存在一定的富 余量(比要求值高50M化W上保證時(shí)效降低值）。另外，考慮為了保證石油鉆挺綜合性能，進(jìn) 行了澤火、正火熱處理，為了保證熱處理的穩(wěn)定性，避免因成分波動(dòng)造成性能的波動(dòng)，我們 將主要影響元素 C控制±0.01%范圍內(nèi)攝、111、化控制±0.02%范圍內(nèi)，將貴重合金齡、化 控制±0.005%更精確范圍內(nèi)，另外A1作為細(xì)晶元素，內(nèi)控0.015-0.025%。
[0016] 本發(fā)明提供的窄成分控制，制得的成品鋼材具有良好綜合機(jī)械性能，強(qiáng)度比使用 要求富余量100M化W上，良好的澤透性且?guī)捳ＷC后續(xù)熱處理的穩(wěn)定性。與現(xiàn)有普通 CrMo系列石油鉆挺用鋼比較，具有強(qiáng)度、硬度更高，初塑性更好，同時(shí)具有良好的低溫沖擊 初性，更適合低溫環(huán)境等優(yōu)勢。
[0017]根據(jù)發(fā)明實(shí)施例的M微合金化中碳CrMnMo石油鉆挺用鋼的優(yōu)勢在于合理的生產(chǎn) 工藝，優(yōu)化過程控制參數(shù)，提高鋼的純凈度，保證鋼材組織均勻性，最終保證鋼材使用性能。
[0018] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案的優(yōu)良效果如下：
[0019] 第一，本發(fā)明的鋼成分設(shè)計(jì)，對(duì)強(qiáng)度主要影響因素(：、51、111、吐按要求的中上限控 審IJ，保證鋼材的強(qiáng)度和硬度，通過過程工藝優(yōu)化，提供鋼材的純凈度，細(xì)化晶粒，在高強(qiáng)度高 硬度基礎(chǔ)上，同時(shí)保證了鋼材塑初性，因此，本發(fā)明的石油鉆挺用鋼具備良好的綜合機(jī)械性 能。
[0020] 第二，本發(fā)明的石油鉆挺用鋼具有良好綜合機(jī)械性能，且強(qiáng)度富余量高等特點(diǎn)，可 適更深井的開采，同時(shí)適用壽命要較一般強(qiáng)度剛滿足標(biāo)準(zhǔn)要求或富余量不大的鋼材要高。
[0021] 第=，本發(fā)明通過Ni微合金，保證了鋼材的低溫沖擊初性，適應(yīng)更低溫度環(huán)境的使 用要求，一般CrMo鋼，只適用常溫服役環(huán)境。
[0022] 第四，本發(fā)明通過窄成分控制，有效保證鋼材性能的穩(wěn)定性，尤其澤透性，良好澤 透性同時(shí)帶寬在4皿CW內(nèi)，保證后續(xù)熱處理穩(wěn)定性，同時(shí)，良好的澤透性也是良好綜合機(jī)械 性的保證。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0024] 實(shí)施例1-3
[0025] 本發(fā)明的Ni微合金化石油鉆挺用鋼的制備方法包括W下步驟：
[0026] (1)冶煉
[0027] 采用邸T超高功率100噸位電爐冶煉，為了有效降低鋼中夾雜物含量，電爐冶煉應(yīng) 提高鐵水的兌入量大于60%，入爐的原料應(yīng)經(jīng)過優(yōu)選，不允許配入渣鐵、罐幫鐵等高憐高硫 廢鋼，同時(shí)爐體狀況良好才能冶煉，保證最佳爐況并減少由爐體因素而使鋼中的氣體含量 增加。電爐冶煉全過程保持泡沫渣操作，均勻脫碳、減少吸氮，采用大渣量深脫碳W加強(qiáng)脫 P，控制終點(diǎn)[P]《〇.〇〇8wt%。高溫快速脫碳，控制終點(diǎn)[C]>0.10wt%，其余殘余元素含量 符合設(shè)計(jì)要求。鋼水出鋼溫度控制在1600-1640°C，同時(shí)隨出鋼流加入鋼忍侶2.5-3.化g/t 鋼進(jìn)行沉淀脫氧，加入高儘合金、娃儘合金、高銘合金、鋼鐵合金進(jìn)行合金化。
[002引（2)精煉+VD真空處理
[0029] LF爐精煉白渣操作大于20分鐘，堿度為3.0-3.5。硫降低鋼材的抗蝕性能，必須加 強(qiáng)脫硫操作，保證最終硫含量小于0.005 %，喂侶線1.5m/t鋼。根據(jù)精煉取樣分析，再加入娃 鐵、娃儘進(jìn)行成分微調(diào)，LF爐出鋼前，按照1.5-3 .化g/t鋼喂入巧線，對(duì)夾雜物進(jìn)行球化處 理，W便夾雜物上浮被精煉渣吸附。
[0030] LF精煉后進(jìn)行VD真空處理，真空度小于67化，保持時(shí)間大于17分鐘，VD后軟吹氣的 時(shí)間大于20分鐘，保證鋼種氣體及夾雜物充分脫除。
[003U (3)連鑄
[0032] 為了保證良好的鑄巧內(nèi)部質(zhì)量，采用低過熱度(20-30°C)全程保護(hù)誘注，同時(shí)使用 電磁攬拌，可有效擴(kuò)大等軸晶區(qū)，抑制柱狀晶的發(fā)展，從而可減輕中屯、偏析和中屯、疏松;合 理二冷工藝，優(yōu)化二冷區(qū)水量分布，采用氣霧冷卻及自動(dòng)控制，矯直點(diǎn)表面溫度大于900°C， 避免帶液忍矯直。采用多點(diǎn)彎曲矯直、對(duì)弧準(zhǔn)確、漉縫對(duì)中等技術(shù)保證二次冷卻區(qū)鑄巧受力 均勻。
[0033] 為了保證鑄巧的表面質(zhì)量，應(yīng)穩(wěn)定結(jié)晶器液面，避免液面波動(dòng)引起巧殼生長的不 均勻、卷渣等;采用高頻率小振幅的結(jié)晶器振動(dòng)機(jī)構(gòu)，可W減少振痕深度;選用具有良好的 吸收夾雜物能力和渣膜潤滑能力的連鑄保護(hù)渣。
[0034] 采用連鑄保護(hù)誘注鑄巧，連鑄中采用電磁攬拌，控制中間包過熱度為20-30°C，誘 注斷面巫500mm拉速在0.35 ± 0.0 lm/min，誘注斷面巫650mm拉速在0.25 ± 0.0 lm/min。
[0035] 另外，鑄巧不能在冷床停留，必須及時(shí)入坑緩冷，緩冷制度:入坑溫度大于650°C， 巫500mm圓巧緩冷72小時(shí)W上，〇650mm圓巧緩冷96小時(shí)W上，且保證出坑溫度不大于200 r。
[0036] (4)社鋼
[0037] 控制加熱爐均熱溫度在118〇-1250°(：。〇50〇111111加熱時(shí)間>6.5小時(shí)，〇65〇111111加熱 時(shí)間>8.0小時(shí)，開社溫度1090-1190°C，終社溫度在大于900-1000°C。社后鋼材入坑緩冷， 大于500°C入坑緩冷，緩冷時(shí)間大于24小時(shí)，確保出緩冷坑小于200°C。
[0038] W上制備方法中未加限定的工藝條件均可參照本領(lǐng)域常規(guī)技術(shù)。
[0039] 采用上述UHP超高功率EBT偏屯、爐底100噸電爐、LF爐外精煉、VD真空脫氣處理、連 鑄誘注、社制成材制得的一種Ni微合金化中碳CrMnMo石油鉆挺用鋼，具體工藝參數(shù)見表1鋼 的化學(xué)成分，表2過程控制參數(shù)包括電爐出鋼溫度、中間包鋼水過熱度、拉巧速度、加熱爐鋼 巧加熱溫度和時(shí)間、社制溫度、緩冷時(shí)間。
[0040] 表1鋼的化學(xué)成分(wt%) 「nn/M 1
[0044] 從實(shí)施例的鋼材中抽取試樣，測試其力學(xué)性能、調(diào)質(zhì)硬度、非金屬夾雜物、末端澤 透性和晶粒度。850±20°C/油澤+610±25°C/油回火進(jìn)行力學(xué)性能情況見表3,非金屬夾雜 物情況見表4，正火(880~900°C) +端澤(860± 5°C )進(jìn)行末端澤透性檢驗(yàn)情況見表5，晶粒度 情況見表6。
[0045] 表3試樣力學(xué)性能情況
[0046]
[0047]
[004引表4鋼材非金屬夾雜物
[0049]
[(K)加 ]
[0化1 ]
[0052]表6鋼材奧氏體晶粒度 「mwl
12 由W上結(jié)果可W看出，成品鋼純潔度高，晶粒細(xì)小彌散，保證鋼材的高強(qiáng)度高硬 度，同時(shí)具備良好的沖擊初性，尤其是低溫沖擊初性，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)存在近40JW上的富余量，很 好的保證更低井深溫度低的服役環(huán)境要求。另外，良好的澤透性，且?guī)捳ＷC了熱處理 穩(wěn)定性，最終保證使用的穩(wěn)定性。 2 最后所應(yīng)說明的是，W上實(shí)施例僅用W說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參 照實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該理解，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方 案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明 的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種Ni微合金化石油鉆鋌用鋼，其特征在于，所述Ni微合金化石油鉆鋌用鋼的化學(xué) 成分按質(zhì)量百分比計(jì)包括< :0.40-0.48%，5丨：0.15-0.35%，]?11:1.00-1.20%，〇 :1.05-1.30%，Μ〇:0· 20-0.35%，Ni :0.20-0.40%，P:彡0.015%，S:彡0.010%，其余為鐵元素和不 可避免的雜質(zhì)元素。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種Ni微合金化石油鉆鋌用鋼，其特征在于，所述Ni微合金化 石油鉆鋌用鋼的化學(xué)成分按質(zhì)量百分比計(jì)包括：C: 0.45-0.47 %，Si :0.24-0.28%，Mn: 1.08-1.12% ,Cr：l. 16-1.20 % ,Μο ： 0.29-0.30 % ,Ni ： 0.21-0.22 % ,Ρ ： .010 % , S ： ^ 0.005%，A1:0.015-0.025%，其余為鐵元素和不可避免的雜質(zhì)元素。3. 權(quán)利要求1或2所述的一種Ni微合金化石油鉆鋌用鋼的制備方法，所述方法包括冶 煉、LF爐外精煉+VD真空處理、連鑄和乳鋼工序，其特征在于： 1) 在冶煉工序中，電爐冶煉全過程造泡沫渣操作，均勻脫碳、減少吸氮，控制出鋼P(yáng)含量 不大于0.008%，終點(diǎn)[C]彡0.10wt%，鋼水的出鋼溫度1600-1640°C，同時(shí)進(jìn)行鋼包合金化； 2) 在LF爐外精煉+VD真空處理工序中，精煉渣堿度為3.0-3.5，加強(qiáng)脫硫操作，喂入鋁 線，LF出鋼前，喂鈣線；真空度小于67MPa，保持時(shí)間大于17分鐘，VD后軟吹氬時(shí)間不小于20 分鐘； 3) 在連鑄工序中，采用連鑄保護(hù)澆注鑄坯，連鑄中采用電磁攪拌，控制中間包過熱度為 20-30 °C，澆注斷面Φ 500mm拉速在0.35 ± 0.01 m/min，澆注斷面Φ 650mm拉速在0.25 土 0.01m/min;為了保證連鑄還質(zhì)量，要及時(shí)入坑緩冷，入坑溫度大于650°C，Φ500ι?πι圓還緩冷 72小時(shí)以上，Φ650πιπι圓坯緩冷96小時(shí)以上，且保證出坑溫度不大于200°C ; 4) 在乳制工序中，控制加熱爐均熱溫度在1180-1250 °C，Φ 500mm加熱時(shí)間彡6.5小時(shí)， Φ650mm加熱時(shí)間彡8.0小時(shí)，開乳溫度1090-1190°C，終乳溫度大于900-1000°C。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種Ni微合金化石油鉆鋌用鋼的制備方法，其特征在于，所述 步驟1)中，加入高錳合金、高鉻合金、硅錳合金、鉬鐵、鎳板進(jìn)行鋼包合金化。5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種Ni微合金化石油鉆鋌用鋼的制備方法，其特征在于，所述 步驟2)中，喂鋁線3. Om/t鋼加強(qiáng)脫硫，喂鈣線2.5m/t鋼進(jìn)行鋼中夾雜物球化處理。
【文檔編號(hào)】C22C38/08GK106048415SQ201610528904
【公開日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年7月6日
【發(fā)明人】歐陽崢容, 劉兵, 翟正龍, 聞小德, 戈文英, 鄭桂蕓
【申請(qǐng)人】山東鋼鐵股份有限公司