專利名稱：一種多元合金化超高強(qiáng)度抽油桿鋼及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于合金結(jié)構(gòu)鋼技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種多元合金化超高強(qiáng)度抽油桿鋼及 其制造技術(shù)。
背景技術(shù)：
機(jī)械采油是油田開發(fā)的主要手段，有桿抽油系統(tǒng)在機(jī)械采油中占有舉足輕重的地 位。抽油桿是有桿抽油設(shè)備的重要零件，其功能是將地面抽油機(jī)的動(dòng)力傳遞給井下抽油泵， 通過(guò)油井管采出石油。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的抽油桿鋼按照性能等級(jí)由低到高可分為C、K、D和H四個(gè)級(jí)別。超高 強(qiáng)度抽油桿適用于稠油井、高含水井、深井或超深井，隨著油井的逐漸加深，對(duì)抽油桿的強(qiáng) 度、韌性也不斷提高，因此生產(chǎn)高強(qiáng)度并具有良好綜合力學(xué)性能的抽油桿鋼具有重要的意 義。近年來(lái)，我國(guó)材料型超高強(qiáng)度抽油桿鋼的研制取得了長(zhǎng)足發(fā)展，國(guó)內(nèi)研制的TO20和低 碳MnB非調(diào)質(zhì)鋼材料型超高強(qiáng)度抽油桿，力學(xué)性能達(dá)到SY/T6272-1997《超高強(qiáng)度抽油桿》 的要求，但是TO20非調(diào)質(zhì)鋼材料型超高強(qiáng)度抽油桿的塑性和韌性偏低。中國(guó)專利CN101736201A(200910113600)公開了一種高強(qiáng)度特種抽油桿鋼，其中 所含的主要化學(xué)成分的百分含量為:C 0. 18-0. 24%, Si :0. 15-0. 30%, Mn :0· 30-0. 50%, Cr :1. 70-2. 0%, Mo :0. 10-0. 20%, P ^ 0. 025、S 彡 0. 025、Ni :0. 10-0. 20%, Cu ^ 0. 20。 中國(guó)專利101177763(200710188008)公開了一種超高強(qiáng)度抽油桿用鋼，其各組分含量按重 量百分比為C 0. 07-0. 13%, Si :0. 40-1. 20%, Mn 1. 60-2. 20 %, Cr 0. 60-1. 70%、Mo 0. 20-0. 40%、Ni彡0. 30、Cu彡0. 20、P彡0. 025、S < 0. 025。上述兩種方法分別通過(guò)添加 大量的Cr、Mn來(lái)提高鋼材的強(qiáng)度，Cr、Mn含量高，然而過(guò)高的Cr含量會(huì)使材料在高溫下的 熱穩(wěn)定性變差，從而加劇材料失效；過(guò)高的Mn含量則會(huì)使合金的組織粗化，焊接性能變差。 因此，應(yīng)該采取更加合理的方法來(lái)提高材料的強(qiáng)度，保證材料的綜合性能。CN1065887A公開了 一種非調(diào)質(zhì)高強(qiáng)度抽油桿鋼，其特征是含(按重 量)0· 10-0. 24 % C, 2. 00-3. 00 % Μη,Ο. 40-1. 40 % Si，0. 40-1. 10 % Cr，0· 05-0. 20 % V, 0. 15-0. 35% Μο,Ο. 010-0. 030% Ti，彡 0. 040% S，彡 0. 040% P，余為 Fe。CN1366090本發(fā)明屬于合金鋼及制造工藝領(lǐng)域，具體涉及一種非調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼及 制造工藝，本鋼用于制造抽油桿。該鋼化學(xué)成分(按重量百分比)范圍為C 0.26% 0. 35%、Mnl. 30% 1. 50%、Si 0. 80 % 1. 05 %、V 0. 08 % 0. 15 %、Ti 0. 02 % 0. 05%,Mo 彡 0. 04%,Cr+Ni 彡 0. 02%, Cu 彡 0. 25%、P、S 彡 0. 025%，其余為 Fe。本非調(diào) 質(zhì)抽油桿用鋼制造工藝，按上述化學(xué)成分配料進(jìn)行電爐粗煉+LF爐精煉一鑄錠一開坯一軋 制一高精度棒線材連軋機(jī)軋制一時(shí)效處理一成材。本鋼不僅具有非調(diào)質(zhì)鋼優(yōu)點(diǎn)，而且對(duì)使 用中熱加工所形成的過(guò)渡區(qū)，其力學(xué)性能仍可達(dá)到D級(jí)抽油桿性能指標(biāo)。采用非調(diào)質(zhì)鋼制 作抽油桿優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需熱處理，但是非調(diào)質(zhì)鋼在韌性方面表現(xiàn)不足，綜合性能和疲勞壽命不 佳。CN1065887A、CN1366090均為一種非調(diào)質(zhì)鋼，由于非調(diào)質(zhì)鋼韌性不足的缺點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致抽油 桿疲勞壽命不理想，影響采油生產(chǎn)效率。CN1366090發(fā)明鋼性能僅達(dá)到D級(jí)抽油桿標(biāo)準(zhǔn)，限制了在更復(fù)雜環(huán)境下的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)用戶對(duì)疲勞壽命、強(qiáng)度級(jí)別越來(lái)越高的要求，以及現(xiàn)有材料存在的問(wèn)題，本發(fā) 明提供一種多元合金化超高強(qiáng)度抽油桿鋼，并根據(jù)微合金化的方法通過(guò)添加適量的合金元 素Ti、Al來(lái)提高鋼材的強(qiáng)度、細(xì)化晶粒、優(yōu)化材料的組織和性能；本發(fā)明還提供了該鋼的制 造方法，生產(chǎn)的抽油桿鋼具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能和疲勞壽命。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種HL級(jí)抽油桿鋼，在實(shí)施多元合金化的基礎(chǔ)上，根據(jù)微合金化原理，加入適 量的合金元素Ti、Al來(lái)進(jìn)一步細(xì)化組織提高材料的強(qiáng)度和疲勞壽命。其化學(xué)成分質(zhì) 量百分比為C 0. 25-0. 29 Si 0. 17-0. 37 %, Mn 0. 50-0. 70 %, Cr 0. 95-1. 20
Mo 0. 18-0. 25 P 0. 005-0. 025 S 0. 001-0. 025 %、Al 0. 015-0. 050 Ti 0. 015-0. 050%,
( 20ppm、[H] ( 3ppm，余為 Fe 和不可避免的雜質(zhì)。本發(fā)明的技術(shù)特點(diǎn)之一在于采用多元合金化成分設(shè)計(jì)。采用Mn、Cr、M0搭配合金化，在提高鋼的淬透性的同時(shí)可以降低鋼的回火脆性，設(shè) 計(jì) Mn 0. 50-0. 70%, Cr 0. 95-1. 20%, Mo 0. 18-0. 25% ；微量元素 Ti 和 Al 的加入可以細(xì) 化晶粒，提高鋼的強(qiáng)度和綜合性能，設(shè)計(jì)Al 0. 015-0. 050%, Ti 0. 015-0. 050%。在上述優(yōu)化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，為保證鋼的性能穩(wěn)定一致，優(yōu)選的，鋼的組成按質(zhì)量百分 數(shù)為C 0. 26-0. 28 Si 0. 27-0. 32 Mn 0. 60-0. 65 Cr 1. 05-1. 15
Mo 0. 20-0. 22 P 0. 005-0. 025 S 0. 001-0. 025 %、Al 0. 020-0. 030 Ti 0. 025-0. 035%,
( 20ppm、[H] ( 3ppm，余為 Fe 和不可避免的雜質(zhì)。本發(fā)明的技術(shù)特點(diǎn)之二在于合理的生產(chǎn)工藝，提高鋼的純凈度，保證鋼的性能質(zhì) 量及對(duì)氫含量的控制。本發(fā)明多元合金化超高強(qiáng)度抽油桿鋼的制備方法，鋼的化學(xué)成分設(shè)計(jì)要求如上所 述，包括以下步驟(1)冶煉采用電爐冶煉，電爐冶煉全過(guò)程造泡沫渣操作，保證良好的氧化沸騰，促進(jìn)夾雜物 和氣體上浮，脫碳量為0. 30 0.40% ；終點(diǎn)[C]0. 10 0.15%、[P]彡0.015%，殘余元素 含量符合設(shè)計(jì)要求，鋼水的出鋼溫度1620-1640°C。(2) LF爐外精煉，精煉渣堿度3. 0-3. 5，白渣保持時(shí)間20 30分鐘。精煉后真空處理，用定氫儀進(jìn)行過(guò)程氫的測(cè)定，氫含量不大于3ppm ；真空度小于 67Pa，保持時(shí)間12-15分鐘，VD后軟吹氬時(shí)間10-15分鐘。(3)澆注采用連鑄澆注鑄坯，連鑄中應(yīng)采用電磁攪拌?？刂浦虚g包溫度1520_1535°C，拉速 0. 9 1. lm/min,以保證鑄坯質(zhì)量。(4)車L制對(duì)連鑄坯進(jìn)行緩冷后軋制，為保證鋼的內(nèi)部質(zhì)量，軋制壓縮比> 30?？刂萍訜釥t均熱溫度1200-1240°C，加熱時(shí)間2. 5-3小時(shí)，開軋溫度1080-1120°C，終軋溫度850-1000°C。 制得熱軋圓鋼。以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)。鋼中氫是導(dǎo)致白點(diǎn)和發(fā)裂的主要原因。抽油桿鋼中的氫含量越高，氫致裂紋產(chǎn)生 的幾率越大，腐蝕率越高，平均裂紋長(zhǎng)度增加越顯著，導(dǎo)致抽油桿過(guò)早失效，嚴(yán)重影響使用 壽命和作業(yè)率。因此，為有效降低鋼中氮、氫等氣體含量，電爐冶煉入爐原料必須經(jīng)過(guò)優(yōu)選， 電爐冶煉全過(guò)程造泡沫渣操作，保證良好的氧化沸騰。優(yōu)選的，電爐冶煉入爐原料必須優(yōu)選中重型優(yōu)質(zhì)廢鋼。優(yōu)選的，在煉鋼過(guò)程中采用鋼包和中間包預(yù)熱烘烤有效降低鋼水的吸氫量，同時(shí) 對(duì)保護(hù)套管加熱和同一保護(hù)套管的反復(fù)使用也明顯降低鋼液的吸氫量。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1、本發(fā)明鋼成分設(shè)計(jì)采用多元合金化的方式提高鋼的強(qiáng)度和綜合性能，滿足了超 高強(qiáng)度抽油桿強(qiáng)度和疲勞壽命要求。2、本發(fā)明在生產(chǎn)工程中，通過(guò)制造工藝優(yōu)化，嚴(yán)格控制鋼中的氫含量，降低氫致裂 紋產(chǎn)生的幾率，提高鋼的疲勞性能，延長(zhǎng)使用壽命。3、本發(fā)明采用常規(guī)調(diào)質(zhì)熱處理方法，即能達(dá)到超高強(qiáng)度抽油桿的性能要求，與HY 型超高強(qiáng)度抽油桿相比，用戶省去了表面感應(yīng)淬火工序，大大提高抽油桿生產(chǎn)廠的生產(chǎn)工 效。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。實(shí)施例一種HL級(jí)抽油桿鋼，其商業(yè)牌號(hào)為27CrMoAHL。采用UHP超過(guò)功率電爐、LF爐外精 煉、VD真空脫氣處理工藝冶煉，連鑄澆注鑄坯、軋制成材工藝生產(chǎn)鋼材。實(shí)施例是以Φ22πιπι 規(guī)格鋼材的生產(chǎn)工藝來(lái)具體說(shuō)明本發(fā)明是如何實(shí)施的。生產(chǎn)工藝如下(1)冶煉采用電爐冶煉，終點(diǎn)[C]0. 10 0. 15%、[P]彡0. 015%，殘余元素含量 符合設(shè)計(jì)要求，鋼水的出鋼溫度1630-1640°C ；LF爐外精煉，精煉渣堿度3. 5，白渣保持時(shí)間 20分鐘；精煉后真空處理，真空度小于67Pa，保持時(shí)間15分鐘，VD后軟吹氬時(shí)間12分鐘。 用定氫儀進(jìn)行過(guò)程氫的測(cè)定，氫含量2. 2-2. 5ppm。(2)澆注采用連鑄澆注，連鑄中應(yīng)采用電磁攪拌?？刂浦虚g包溫度1520_1535°C， 拉速1. 0 1. lm/min，鑄坯質(zhì)量良好。(3)軋制對(duì)連鑄坯進(jìn)行緩冷后軋制，軋制壓縮比彡30?？刂萍訜釥t均熱溫度 1210-1230°C，加熱時(shí)間2. 5-3小時(shí)，開軋溫度1080-1120°C，終軋溫度900_1000°C。具體工藝參數(shù)見表1和表2。表1是實(shí)施例多元合金化超高強(qiáng)度抽油桿鋼化學(xué)成 分、鋼中氣體，表2是連鑄中間包鋼水溫度、拉坯速度、鋼坯加熱溫度、時(shí)間及軋制溫度。表1 實(shí)施例化學(xué)成分(重量，％ )實(shí) 施 例CSiMnCrMoAlTiPSCuNiOX IO'4HX IO4Fe10. 260. 290. 621.060. 200. 0220. 0260.0100. 0090. 060. 05152.2余 量20. 270. 300. 601. 100. 210. 0250. 0300.0120. 0100. 060. 06162.5余 量30. 280.310. 651.090. 220. 0260. 0280.0130. 0080. 060. 05182.3余 量表2 連鑄中間包鋼水溫度、拉坯速度、鋼坯加熱溫度、時(shí)間及變形溫度
實(shí)施連鑄中間連鑄拉鋼坯均熱均熱時(shí)開軋溫終軋溫度，。C例包鋼水溫度，°c還速度’ m/min溫度，°c間，h度，°c115201.0512102.61100950215301.012202.81080980315251. 0812303.011201000從實(shí)施例1成品中抽取5根疲勞性能試樣，測(cè)試其疲勞性能。在加載頻率150HZ、 正弦波、載荷比R = O. 1、試驗(yàn)應(yīng)力σ(11彡540Mpa條件下，試驗(yàn)循環(huán)周次達(dá)到N=lX106時(shí) 均保持完好沒(méi)有斷裂，進(jìn)行達(dá)到斷裂的極限循環(huán)周次測(cè)試情況見表3。表3循環(huán)周次測(cè)試情況
項(xiàng)目試樣1試樣2試樣3試樣4試樣5極限疲勞循 環(huán)周次N14374561412567149401214030051465032將實(shí)施例1性能和同類非調(diào)質(zhì)鋼產(chǎn)品進(jìn)行比較，測(cè)試情況見表4，非調(diào)質(zhì)鋼的韌性 不如本發(fā)明鋼。表4性能比較情況
權(quán)利要求
一種適用于重、超重負(fù)荷油井的抽油桿用鋼，其特征在于，是一種多元合金化超高強(qiáng)度抽油桿鋼，其組成按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為C0.25 0.29％、Si0.17 0.37％、Mn0.50 0.70％、Cr0.95 1.20％、Mo0.18 0.25％、P0.005 0.025％、S0.001 0.025％、Al0.015 0.050％、Ti0.015 0.050％、[O]≤20ppm、[H]≤3ppm，余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
2.如權(quán)利要求1所述的抽油桿鋼，其特征在于，鋼的組成按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為C 0. 26-0. 28 %、Si :0. 27-0. 32 Mn 0. 60-0. 65 %、Cr 1. 05-1. 15 Mo 0. 20-0. 22 P 0. 005-0. 025 S 0. 001-0. 025 %、Al 0. 020-0. 030 Ti 0. 025-0. 035%,
( 20ppm、[H] ( 3ppm，余為 Fe 和不可避免的雜質(zhì)。
3.權(quán)利要求1或2所述的抽油桿鋼的制備方法，包括以下步驟(1)冶煉采用電爐冶煉，電爐冶煉全過(guò)程造泡沫渣操作，脫碳量為0. 30 0. 40 % ；終點(diǎn) [C]0. 10 0. 15%, [P]彡0.015%,殘余元素含量符合設(shè)計(jì)要求，鋼水的出鋼溫度 1620-1640 0C ；(2)LF爐外精煉，精煉渣堿度3. 0-3. 5，白渣保持時(shí)間20 30分鐘；精煉后真空處理，用定氫儀進(jìn)行過(guò)程氫的測(cè)定，氫含量不大于3ppm ；真空度小于67Pa， 保持時(shí)間12-15分鐘，VD后軟吹氬時(shí)間10-15分鐘；(3)澆注采用連鑄澆注鑄坯，連鑄中應(yīng)采用電磁攪拌，控制中間包溫度1520-1535 °C，拉速 0. 9 1. lm/min,以保證鑄坯質(zhì)量；(4)軋制對(duì)連鑄坯進(jìn)行緩冷后軋制，為保證鋼的內(nèi)部質(zhì)量，軋制壓縮比> 30 ；控制加熱爐均熱 溫度1200-1240°C，加熱時(shí)間2. 5-3小時(shí)，開軋溫度1080-1120°C，終軋溫度850_1000°C ；制 得熱軋圓鋼。
4.如權(quán)利要求3所述的抽油桿鋼的制備方法，其特征在于，在煉鋼過(guò)程中采用鋼包和 中間包預(yù)熱烘烤有效降低鋼水的吸氫量。
5.如權(quán)利要求3所述的抽油桿鋼的制備方法，其特征在于，在煉鋼過(guò)程中，對(duì)保護(hù)套管 加熱和同一保護(hù)套管的反復(fù)使用，明顯降低鋼液的吸氫量。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多元合金化超高強(qiáng)度抽油桿鋼及其制造方法，抽油桿鋼的各個(gè)組分含量為(重量百分比)C0.25-0.29％、Si0.17-0.37％、Mn0.50-0.70％、Cr0.95-1.20％、Mo0.18-0.25％、P0.005-0.025％、S0.001-0.025％、Al0.015-0.050％、Ti0.015-0.050％、[O]≤20ppm、[H]≤3ppm，余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。本發(fā)明鋼綜合性能優(yōu)異，具有較高的疲勞壽命，適用于重、超重負(fù)荷油井采油作業(yè)。
文檔編號(hào)C22C33/04GK101962737SQ20101029292
公開日2011年2月2日 申請(qǐng)日期2010年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月27日
發(fā)明者亓顯玲, 張利平, 戈文英, 時(shí)振明, 李業(yè)才, 李修峰, 李廣真, 梁娜, 王廣連, 王立君, 翟正龍, 趙德鋼 申請(qǐng)人:萊蕪鋼鐵股份有限公司