石油鉆采設(shè)備泥漿泵承壓件用鑄鋼及制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種石油鉆采設(shè)備泥漿泵承壓件用鑄鋼，按照質(zhì)量百分比由以下成份組成：C0.22％-0.3％，Mn0.7％-0.9％，Cr0.8％-1％，Mo0.2％-0.3％，Si0.2％-0.4％，Re0.01％-0.015％，S≤0.02％，P≤0.025％，Cu≤0.4％，Ni≤0.4％，W≤0.1％，微量元素之和≤1％，余量為Fe。本發(fā)明還公開了該種石油鉆采設(shè)備泥漿泵承壓件用鑄鋼的制備方法。本發(fā)明的鑄鋼，具有強度高、抗沖壓耐磨性能、沖擊韌性和焊接性能良好的特性，完全滿足了石油鉆采設(shè)備泥漿泵主要的承壓件空氣包、排出管路和濾網(wǎng)外殼的使用要求。
【專利說明】石油鉆采設(shè)備泥漿泵承壓件用鑄鋼及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于材料【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種石油鉆采設(shè)備泥漿泵承壓件用鑄鋼，本發(fā)明還涉及該種鑄鋼的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著石油鉆采設(shè)備市場國際化，對石油鉆機性能提出了更高的要求，鉆采設(shè)備性能必須符合API Spec7K的要求。石油鉆采設(shè)備泥漿泵的空氣包、排出管路和濾網(wǎng)外殼等是受高壓流體壓力的關(guān)鍵承壓部件，要求在70Mpa的壓力下運行20分鐘不滲漏，要求其材料的焊接性好、剛性好、強度高。
[0003]現(xiàn)有的材質(zhì)使用ZG35CrMo，由于ZG35CrMo的可焊性較差，易產(chǎn)生冷裂紋，磁粉探傷通過率低，不能滿足API Spec7K會標(biāo)認(rèn)證對材料的要求。采用鍛造方式制作空氣包雖然缺陷少，使用壽命長，但是工藝流程復(fù)雜，生產(chǎn)成本極高。為此，急需設(shè)計出一種性能優(yōu)良、價格低廉的材料，解決技術(shù)與成本的矛盾，以滿足石油鉆采設(shè)備的發(fā)展要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種石油鉆采設(shè)備泥漿泵承壓件用鑄鋼，解決了現(xiàn)有技術(shù)中的石油鉆采設(shè)備泥漿泵承壓件，技術(shù)參數(shù)與制作成本不能兼顧的問題。
[0005]本發(fā)明的另一目的是提供該種石油鉆采設(shè)備泥漿泵承壓件用鑄鋼的制備方法。
[0006]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種石油鉆采設(shè)備泥漿泵承壓件用鑄鋼，按照質(zhì)量百分比由以下成份組成:
[0007]C0.22%-0.3%, Mn0.7% -0.9%, Cr0.8%-1%,ΜοΟ.2% -0.3%,Si0.2%-0.4%,Re0.01% -0.015%, S ^ 0.02%, P ^ 0.025%, Cu ^ 0.4%,Ni ^ 0.4%,0.1%，微量
元素之和< 1%，余量為Fe。
[0008]本發(fā)明采用的另一技術(shù)方案是:一種上述的石油鉆采設(shè)備泥漿泵承壓件用鑄鋼的制備方法，按照以下步驟實施:
[0009]步驟1、配料；
[0010]步驟2、冶煉；
[0011]步驟3、氧化脫碳，去氣去夾雜；
[0012]步驟4、還原期調(diào)整成分，傾爐出鋼。
[0013]本發(fā)明的有益效果是:具有強度高、抗沖壓耐磨性能、沖擊韌性和焊接性能良好的特性，完全滿足了石油鉆采設(shè)備泥漿泵主要的承壓件空氣包、排出管路和濾網(wǎng)外殼的使用要求，滿足API Spec7K會標(biāo)認(rèn)證對材料的要求,空氣包滿足了歐盟的CE認(rèn)證標(biāo)志。具體包括:
[0014]I)本發(fā)明具有良好的力學(xué)性能、焊接性和強的抗沖壓耐磨性能的特性，完全滿足了石油鉆采設(shè)備泥漿泵主要承壓鑄鋼件空氣包、派出管路和濾網(wǎng)外殼的使用要求。
[0015] 2)本發(fā)明經(jīng)雙基爾試塊取樣進行力學(xué)性能測試表明，其力學(xué)性能指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于API Spec7K 的要求。
【具體實施方式】
[0016]下面結(jié)合【具體實施方式】對本發(fā)明進行詳細(xì)說明。
[0017]本發(fā)明的石油鉆采設(shè)備泥漿泵承壓件用鑄鋼，按照質(zhì)量百分比)由以下成份組成:C0.22% -0.3%,Mn0.7% -0.9%,Cr0.8% -1%,Μο0.2% -0.3%,Si0.2% -0.4%,Re0.01% -0.015%, S ^ 0.02%, P ^ 0.025%, Cu ^ 0.4%, Ni ^ 0.4%, W ^ 0.1%，微量
元素之和< 1%，余量為Fe。
[0018]本發(fā)明鑄鋼材料中的各個組分含量的控制原理是:
[0019]C元素是強化鑄鋼的最有效元素，但考慮到鑄鋼件的焊接性能，故把C含量控制在
0.3%以下；Mn元素在鑄鋼中起到多種功效，如固溶強化，增加強度和硬度，提高淬透性、改善鑄鋼的熱加工性能。考慮到空氣包等承壓鑄鋼件需要承受泥漿的沖擊、擠壓和磨損，工況條件惡劣，又考慮到錳增高降低焊接性能，故把錳含量控制在0.7% -0.9% ；Cr元素加入也起固溶強化作用，能增加強度和硬度，更多考慮地到鉻的抗氧化性和抗腐蝕性；Mo能使鋼的晶粒細(xì)化，提高鋼的淬透性，抑制合金鋼的回火脆性；為了減少鋼中夾雜物的含量，降低鑄鋼件的“冷脆性”，P元素控制在0.025%以下；考慮到設(shè)備的使用工況，降低鑄鋼件的“熱脆性”，S元素控制在0.02%以下；Re (稀土)的加入是為了改變鑄鋼中夾雜的形態(tài)而進行的變性處理。這一切都為鑄鋼材料具有良好的力學(xué)性能、焊接性和強的抗沖壓耐磨性能提供了必要的條件。
[0020]本發(fā)明鑄鋼的制備方法，按照以下步驟實施:
[0021]步驟1、配料選取不含大量N1、Cu、W的無銹、無油廢鋼鐵,加適量生鐵或石墨塊,將配碳量控制在0.5 % -0.6 %。
[0022]步驟2、采用堿性電弧爐熔化、氧化、還原“三期”煉鋼法進行冶煉，熔化期吹氧助熔添加活性石灰造渣，加小鐵礦石增加渣中的氧化鐵，待反應(yīng)后傾爐流渣，如此反復(fù)至磷含量(0.015% ；
[0023]步驟3、氧化期溫度不低于1580°C，采用吹氧和加礦石綜合氧化法脫碳，去氣去夾雜，脫碳速度控制在0.01-0.03 % /min,脫碳量不低于0.3 %，氧化終了碳含量不低于
0.15% ；
[0024]步驟4、還原期扒除干凈氧化渣，按鑄鋼總質(zhì)量的10%加入石灰和螢石造還原渣，石灰和螢石的配比為4:1，隨爐加入合金調(diào)整成分并推渣攪拌，用復(fù)合脫氧劑碳化硅擴散脫氧，保持白渣不低于20分鐘；出鋼前5-10分鐘，按鑄鋼總質(zhì)量的0.1%-0.15%加入稀土(Re)含量45%的稀土硅對夾雜物的形態(tài)進行變質(zhì)改性處理；成分微調(diào)，將磷、硫控制在范圍內(nèi)，出鋼溫度在1600°C _1620°C，傾爐出鋼；
[0025]步驟5、澆注溫度控制在1560°C _1590°C，澆注時采用吹氣式滑動水口吹入惰性氣體均勻成分和溫度，凈化鋼水，并引流澆注鋼水成型，砂型保溫10小時打箱脫模；
[0026]步驟6、澆注成形后的毛坯在900 °C ± 10°C保溫正火4-5小時，冷卻至3000C ±10°C時熱切冒口。
[0027]如需補焊，可在二次正火處理前對鑄件缺陷進行預(yù)熱補焊，焊條烘干溫度為350°C，烘干時間I小時；鑄件預(yù)熱溫度為200°C，補焊用Φ3.2mm的J707焊條，焊后打磨平滑，加熱至350°C保溫2-3小時進行消氫和去應(yīng)力處理。
[0028]步驟7、鑄件打磨完后進行二次正火處理，在900°C ±10°C保溫正火3_4小時后空冷，并進行拋丸處理。
[0029]粗加工后表面如有氣孔、砂眼等鑄造缺陷，用電弧氣刨機清理干凈缺陷，按步驟6的要求進行補焊并打磨光滑，24小時后進行表面無損探傷。
[0030]步驟8、鑄件最終熱處理，對粗加工后的鑄件先加熱至910± 10°C保溫4-5小時后淬油；然后再加熱至630±20°C保溫5-6小時后水冷。
[0031 ] 上述的步驟1-步驟4為煉鋼工藝；步驟5為澆注工藝；步驟6-步驟7為清切補焊工藝；步驟8為熱處理工藝。
[0032]實施例1
[0033]步驟1、選取不含大量附、&1、1的無銹無油廢鋼鐵10噸，配加碳含量4.2%的生鐵800kg，熔清化驗含碳量為0.56%。[0034]步驟2、熔化期吹氧助熔，活性石灰300-400kg分批加入造渣，小鐵礦300kg分批加入，增加渣中的氧化鐵，待反應(yīng)后傾爐流渣，如此反復(fù)二十分鐘后，化驗分析磷含量為0.01% ；
[0035]步驟3、加熱溫度至1580°C，采用吹氧和礦石綜合氧化法脫碳，脫碳速度控制在
0.01-0.03% /min，脫碳時間為25分鐘，脫碳量為0.38% ；
[0036]步驟4、還原期扒除干凈氧化渣，按4:1加石灰和螢石造還原渣800kg左右，隨爐加入錳鐵、鉻鐵、鑰鐵等合金調(diào)整成分并推渣攪拌，用復(fù)合脫氧劑碳化硅擴散脫氧，保持白渣25分鐘；出鋼前5-10分鐘，加45%的稀土硅15kg對夾雜物的形態(tài)進行變質(zhì)改性處理；取樣化驗分析材料的化學(xué)成分(wt%)為，C為0.25%，Mn為0.75%，Cr為0.89%，Mo為
0.25%，Si 為 0.35%，S 為 0.015%，P 為 0.012%，Cu 為 0.12%，Ni 為 0.15%，W 為 0.05%，微量元素之和< 1%，各個成分均在控制范圍內(nèi)，出鋼溫度在1615°C，傾爐出鋼。
[0037]步驟5、澆注溫度1570°C，澆注時采用吹氣式滑動水口吹入惰性氣體均勻成分和溫度，凈化鋼水，并引流澆注鋼水成型，砂型保溫10小時打箱脫模。
[0038]步驟6、澆注成形后的毛坯在900°C°C保溫正火4.5小時，冷卻至300°C時熱切冒口。
[0039]如需補焊，可在二次正火處理前對鑄件缺陷進行預(yù)熱補焊，焊條烘干溫度為350°C，烘干時間I小時；鑄件預(yù)熱溫度為200°C，補焊用Φ3.2mm的J707焊條，焊后打磨平滑，加熱至350°C保溫2小時進行消氫和去應(yīng)力處理。
[0040]步驟7、鑄件打磨完后進行二次正火處理，在900°C保溫正火3.5小時后空冷，并進行拋丸處理。
[0041]粗加工后表面如有氣孔、砂眼缺陷，用電弧氣刨機清理干凈缺陷，按步驟6的要求進行補焊并打磨光滑，24小時后進行表面無損探傷。
[0042]步驟8、鑄件最終熱處理，對粗加工后的鑄件先加熱至910°C保溫4.5小時后淬油；然后再加熱至630°C保溫5.5小時后水冷。
[0043]實施例1中，按照步驟1-步驟5實施，得到鑄鋼材料最終的化學(xué)成分(wt % )為:C0.26%, Mn0.79%, Cr0.89%, Mo0.25%, Si0.36%, S0.008%, P0.013%, Cu0.12%,Ni0.15%, W0.02%，微量元素之和≤1%，余量為Fe，在設(shè)計的鑄件材料的成分范圍內(nèi)。[0044]經(jīng)過步驟6，鑄件打磨完后進行二次正火處理，在900°C保溫正火3.5小時后空冷，并進行拋丸處理；再經(jīng)過步驟8鑄件最終熱處理，對粗加工后的鑄件先加熱至910°C保溫
4.5小時后淬油；然后再加熱至630°C保溫5.5小時后水冷。
[0045]基爾試塊的力學(xué)性能為:抗拉強度Rm為780N/mm2，屈服強度ReL為560N/mm2，斷后伸長率A為22%，斷面收縮率Z為45%，硬度HBS為227。
[0046]實施例2
[0047]按照實施例1中的步驟1-步驟5實施，得到鑄鋼材料最終的化學(xué)成分)為:C 為 0.29%，Mn 為 0.88%，Cr 為 0.95%，Mo 為 0.27%，Si 為 0.35%，S 為 0.01%，P 為
0.016%，Cu為0.2%,Ni為0.1%，W為0.03%，微量元素之和≤1%，余量為Fe，在設(shè)計的鑄件材料的成分范圍內(nèi)。
[0048]經(jīng)過步驟6，鑄件打磨完后進行二次正火處理，在900°C保溫正火3.5小時后空冷，并進行拋丸處理；再經(jīng)過步驟8鑄件最終熱處理，對粗加工后的鑄件先加熱至920°C保溫4小時后淬油；然后再加熱至650°C保溫5.5小時后水冷。
[0049]基爾試塊的力學(xué)性能為:抗拉強度Rm為820N/mm2，屈服強度ReL為526N/mm2，斷后伸長率A為19%，斷面收縮率Z為40%，硬度HBS為231。
[0050]實施例3
[0051]按照實施例1中的步驟1-步驟5實施，得到得到鑄鋼材料最終的化學(xué)成分(wt % )為:C 為 0.23%, Mn 為 0.75%, Cr 為 0.85%, Mo 為 0.22%, Si 為 0.28%, S 為 0.009%, P為0.015%, Cu為0.18%, Ni為0.14%，W為0.009%，微量元素之和≤1%，余量為Fe，在設(shè)計的鑄件材料的成分范圍內(nèi)。
[0052]經(jīng)過步驟6，鑄件打磨完后進行二次正火處理，在910°C保溫正火4小時后空冷，并進行拋丸處理；再經(jīng)過步驟8鑄件最終熱處理，對粗加工后的鑄件先加熱至90(TC保溫4.5小時后淬油；然后再加熱至610°C保溫6小時后水冷。
[0053]基爾試塊的力學(xué)性能為:抗拉強度Rm為730N/mm2，屈服強度ReL為570N/mm2，斷后伸長率A為25%，斷面收縮率Z為48%，硬度HBS為208。
[0054]實施例4
[0055]按照實施例1中的步驟1-步驟5實施，得到得到鑄鋼材料最終的化學(xué)成分(wt % )為:C 為 0.22%, Mn 為 0.87%, Cr 為 0.92%, Mo 為 0.24%, Si 為 0.37%, S 為 0.009%, P為0.011%，Cu為0.23%,Ni為0.17%，W為0.01 %，微量元素之和≤1%，余量為Fe，在設(shè)計的鑄件材料的成分范圍內(nèi)。
[0056]經(jīng)過步驟6，鑄件打磨完后進行二次正火處理，在910°C保溫正火3小時后空冷，并進行拋丸處理；再經(jīng)過步驟8鑄件最終熱處理，對粗加工后的鑄件先加熱至920°C保溫4.5小時后淬油；然后再加熱至640°C保溫5.5小時后水冷。
[0057]基爾試塊的力學(xué)性能為:抗拉強度Rm為770N/mm2，屈服強度ReL為575N/mm2，斷后伸長率A為23%，斷面收縮率Z為43%，硬度HBS為207。
[0058]表1、對雙基爾試塊取樣進行力學(xué)性能測試對比
[0059]
【權(quán)利要求】
1.一種石油鉆采設(shè)備泥漿泵承壓件用鑄鋼，其特點在于，按照質(zhì)量百分比由以下成份組成:C0.22% -0.3%, Mn0.7% -0.9%, Cr0.8% -1%, Mo0.2% -0.3%, Si0.2% -0.4%,Re0.01% -0.015%, S ^ 0.02%, P ^ 0.025%, Cu ^ 0.4%,Ni ^ 0.4%,0.1%，微量元素之和≤ 1%，余量為Fe。
2.—種權(quán)利要求1所述的石油鉆 采設(shè)備泥漿泵承壓件用鑄鋼的制備方法，其特點在于，按照以下步驟實施: 步驟1、配料； 步驟2、冶煉； 步驟3、氧化脫碳，去氣去夾雜； 步驟4、還原期調(diào)整成分，傾爐出鋼。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的石油鉆采設(shè)備泥漿泵承壓件用鑄鋼的制備方法，其特點在于，所述的步驟I中，配料選取不含大量N1、Cu、W的無銹、無油廢鋼鐵，加適量生鐵或石墨塊，將配碳量控制在0.5% -0.6%。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的石油鉆采設(shè)備泥漿泵承壓件用鑄鋼的制備方法，其特點在于，所述的步驟2中，采用堿性電弧爐熔化、氧化、還原“三期”煉鋼法進行冶煉，熔化期吹氧助熔添加活性石灰造渣，加小鐵礦石增加渣中的氧化鐵，待反應(yīng)后傾爐流渣，如此反復(fù)至磷含量≤0.015%。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的石油鉆采設(shè)備泥漿泵承壓件用鑄鋼的制備方法，其特點在于，所述的步驟3中，氧化期溫度不低于1580°C，采用吹氧和加礦石綜合氧化法脫碳，去氣去夾雜，脫碳速度控制在0.01-0.03% /min，脫碳量不低于0.3 %，氧化終了碳含量不低于0.15%。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的石油鉆采設(shè)備泥漿泵承壓件用鑄鋼的制備方法，其特點在于，所述的步驟4中，還原期扒除干凈氧化渣，按鑄鋼總質(zhì)量的10%加入石灰和螢石造還原渣，石灰和螢石的配比為4:1，隨爐加入合金調(diào)整成分并推渣攪拌，用復(fù)合脫氧劑碳化硅擴散脫氧，保持白渣不低于20分鐘；出鋼前5-10分鐘，按鑄鋼總質(zhì)量的0.1%-0.15%加入稀土含量45%的稀土硅，對夾雜物的形態(tài)進行變質(zhì)改性處理；成分微調(diào)，將磷、硫控制在范圍內(nèi)，出鋼溫度在1600°C -1620°C，傾爐出鋼。
7.根據(jù)權(quán)利要求2-6任一項對石油鉆采設(shè)備泥漿泵承壓件用鑄鋼的后續(xù)熱處理方法，其特點在于: 步驟5、澆注溫度控制在1560-1590°C，澆注時采用吹氣式滑動水口吹入惰性氣體均勻成分和溫度，凈化鋼水，并引流澆注鋼水成型，砂型保溫10小時打箱脫模； 步驟6、澆注成形后的毛坯在900°C ±10°C保溫正火4-5小時，冷卻至300°C ±10°C時熱切冒口 ； 步驟7、鑄件打磨完后進行二次正火處理，在900°C ±10°C保溫正火3-4小時后空冷，并進行拋丸處理； 步驟8、鑄件最終熱處理，對粗加工后的鑄件先加熱至910± 10°C保溫4-5小時后淬油；然后再加熱至630±20°C保溫5-6小時后水冷。
【文檔編號】C22C33/04GK103952632SQ201410172227
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月25日
【發(fā)明者】王高社, 樊慶華, 高嘯天 申請人:寶雞石油機械有限責(zé)任公司