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械性能，穩(wěn)定的淬透性，保證熱處理穩(wěn)定性，因增加Ni進行微合金化，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
技術領域
[0001] 本發(fā)明設及石油鉆探用鋼領域，特別設及一種中碳CrMnMo并添加了少量Ni進行微 合金化，具有良好綜合機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】
[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 深度要達到3千米W上，鉆挺要逐節(jié)連接下去）W及啟動、停止時沖擊力等各種交變應力的 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，同時鉆井作業(yè)對鉆挺的質(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，對微量元素的含量進行有效的控制。但是，最近幾年鉆采環(huán)境更加復雜和惡劣，要 求鉆挺能在更加苛刻的條件下進行工作，對其耐壓強度、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 高強度及高硬度的同時，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應用于高強度、高硬度、低溫等環(huán)境中。
[0004] 為達到上述目的，本發(fā)明采用了如下的技術方案：
[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成分按質(zhì)量 百分比計包括：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成分按質(zhì)量百分比計包括：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含量不大于0.008%，終點[C]> 0. lOwt%，鋼水的出鋼溫度1600-1640°C，同時進行鋼包合金化；
[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，加強脫硫操作，保持 白渣操作，進行成分微調(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后軟吹氣時間不小于20分 鐘；
[0010] 3)在連鑄工序中，采用連鑄保護誘注鑄巧，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，要及時入坑緩冷，入坑溫度大于650°C， 巫500mm圓巧緩冷72小時W上，〇650mm圓巧緩冷96小時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加熱時間>6.5小 時，巫650mm加熱時間>8.0小時，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鋼加強脫硫，喂巧線2.5m/t鋼進行鋼中夾雜 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] 針對該鋼材料應具有高強度及高硬度，同時兼顧其沖擊初性、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，同時兼顧時效帶來強度的降低，在用戶的要求基礎上，充分考慮時效強度 的降低值，在成分控制上進行優(yōu)化設計，保證力學性能即滿足使用要求同時存在一定的富 余量(比要求值高50M化W上保證時效降低值）。另外，考慮為了保證石油鉆挺綜合性能，進 行了澤火、正火熱處理，為了保證熱處理的穩(wěn)定性，避免因成分波動造成性能的波動，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械性能，強度比使用 要求富余量100M化W上，良好的澤透性且?guī)捳?，保證后續(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，具有強度、硬度更高，初塑性更好，同時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)有技術相比，本發(fā)明的技術方案的優(yōu)良效果如下：
[0019] 第一，本發(fā)明的鋼成分設計，對強度主要影響因素(：、51、111、吐按要求的中上限控 審IJ，保證鋼材的強度和硬度，通過過程工藝優(yōu)化，提供鋼材的純凈度，細化晶粒，在高強度高 硬度基礎上，同時保證了鋼材塑初性，因此，本發(fā)明的石油鉆挺用鋼具備良好的綜合機械性 能。
[0020] 第二，本發(fā)明的石油鉆挺用鋼具有良好綜合機械性能，且強度富余量高等特點，可 適更深井的開采，同時適用壽命要較一般強度剛滿足標準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 透性同時帶寬在4皿CW內(nèi)，保證后續(xù)熱處理穩(wěn)定性，同時，良好的澤透性也是良好綜合機械 性的保證。
【具體實施方式】
[0023] 下面結合實施例對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
[0024] 實施例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 提高鐵水的兌入量大于60%，入爐的原料應經(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加強脫 P，控制終點[P]《〇.〇〇8wt%。高溫快速脫碳，控制終點[C]>0.10wt%，其余殘余元素含量 符合設計要求。鋼水出鋼溫度控制在1600-1640°C，同時隨出鋼流加入鋼忍侶2.5-3.化g/t 鋼進行沉淀脫氧，加入高儘合金、娃儘合金、高銘合金、鋼鐵合金進行合金化。
[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，對夾雜物進行球化處 理，W便夾雜物上浮被精煉渣吸附。
[0030] LF精煉后進行VD真空處理，真空度小于67化，保持時間大于17分鐘，VD后軟吹氣的 時間大于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)全程保護誘注，同時使用 電磁攬拌，可有效擴大等軸晶區(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控制，矯直點表面溫度大于900°C， 避免帶液忍矯直。采用多點彎曲矯直、對弧準確、漉縫對中等技術保證二次冷卻區(qū)鑄巧受力 均勻。
[0033] 為了保證鑄巧的表面質(zhì)量，應穩(wěn)定結晶器液面，避免液面波動引起巧殼生長的不 均勻、卷渣等;采用高頻率小振幅的結晶器振動機構，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渣。
[0034] 采用連鑄保護誘注鑄巧，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W上，〇650mm圓巧緩冷96小時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加熱時間>6.5小時，〇65〇111111加熱 時間>8.0小時，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，緩冷時間大于24小時，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域常規(guī)技術。
[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 巧加熱溫度和時間、社制溫度、緩冷時間。
[0040] 表1鋼的化學成分(wt%) 「nn/M 1
[0044] 從實施例的鋼材中抽取試樣，測試其力學性能、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/油回火進行力學性能情況見表3,非金屬夾雜 物情況見表4，正火(880~900°C) +端澤(860± 5°C )進行末端澤透性檢驗情況見表5，晶粒度 情況見表6。
[0045] 表3試樣力學性能情況
[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上結果可W看出，成品鋼純潔度高，晶粒細小彌散，保證鋼材的高強度高硬 度，同時具備良好的沖擊初性，尤其是低溫沖擊初性，相對標準存在近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?，保證了熱處理 穩(wěn)定性，最終保證使用的穩(wěn)定性。 2 最后所應說明的是，W上實施例僅用W說明本發(fā)明的技術方案而非限制。盡管參 照實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應該理解，對本發(fā)明的技術方 案進行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發(fā)明 的權利要求范圍當中。
【主權項】
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 成分按質(zhì)量百分比計包括< :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成分按質(zhì)量百分比計包括：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含量 不大于0.008%，終點[C]彡0.10wt%，鋼水的出鋼溫度1600-1640°C，同時進行鋼包合金化； 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，加強脫硫操作，喂入鋁 線，LF出鋼前，喂鈣線；真空度小于67MPa，保持時間大于17分鐘，VD后軟吹氬時間不小于20 分鐘； 3) 在連鑄工序中，采用連鑄保護澆注鑄坯，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，要及時入坑緩冷，入坑溫度大于650°C，Φ500ι?πι圓還緩冷 72小時以上，Φ650πιπι圓坯緩冷96小時以上，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加熱時間彡6.5小時， Φ650mm加熱時間彡8.0小時，開乳溫度1090-1190°C，終乳溫度大于900-1000°C。4. 根據(jù)權利要求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、鎳板進行鋼包合金化。5. 根據(jù)權利要求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鋼加強脫硫，喂鈣線2.5m/t鋼進行鋼中夾雜物球化處理。
【文檔編號】C22C38/08GK106048415SQ201610528904
【公開日】2016年10月26日
【申請日】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
【申請人】山東鋼鐵股份有限公司