V150钢级高强韧性套管钢的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及钢铁行业的无缝石油套管钢冶炼工艺，特别涉及V150钢级高强韧性 套管钢的制备方法。
【背景技术】
[0002] 随着石油资源日益匮乏，而油气需求量日益旺盛，为了获得更多的石油资源，对地 质条件复杂、开采难度大的油田的开发加大；随着油井深度增加，井内温度和压力相应提 高，固井完井用套管服役的地质环境发生了显著变化，现有美国API标准的高钢级套管难 以胜任，必须采用非API标准的高强韧性套管，如V150高强韧性套管。为了确保油井的运 行安全，因此对V150高强韧性套管的综合力学性能、使用性能和寿命提出了更高要求，特 别是需要兼具高强韧性，对强韧性匹配提出了极高的要求。
[0003] 生产高强韧性套管是极富挑战性，技术含量和附加值最高，同时又有高风险的产 品。全世界生产石油钢管的企业大都是技术最先进、最富盛誉的钢铁企业，其中只有少数企 业能生产出性能稳定、强韧度匹配良好的高钢级套管，其生产技术在世界范围内被视为顶 尖技术而严格保密。目前国内外主要油井管生产企业都在开发具有自主知识产权的非API 标准的高强韧性套管。如全球钢管行业的4大巨头法国的瓦卢瑞克（Vallourec)、卢森堡的 特纳瑞斯（Tenaris)、日本的住友金属以及中国的天津钢管等公司报道了一些高强韧性套 管的生产技术，大都为具有自主知识产权的专利技术，内容主要涉及钢的成分设计和工艺 措施，而对具体的冶炼操作鲜有报道。
[0004] V150高强韧性套管，主要用于在高压气井、高压深井、超深井、高温高压井中，有 的井底压力高达130MPa以上，井口压力也超过70MPa;由于井深，、使得井底温度一般在 130~180°C，有的超过200°C。为了确保油井的运行安全，其突出特点是要求强韧性匹配 高、综合力学性能优良和长使用寿命，因此，就材料本身而言，主要影响因素是钢的有害元 素？、3，五害元素仏 8、511、？13、313、81)，钢质纯净（气体、夹杂）和偏析等。这些影响因素主 要在冶炼和浇铸过程进行控制，因此做好高强韧性套管V150的冶炼过程控制非常关键。
[0005] 申请号为200910069758.X，发明名称为"150ksi钢级高强韧油气井井下作业用钢 管及其生产方法"的中国专利，公开了一种150ksi钢级高强韧油气井井下作业用钢管，其化 学成分按重量％为0:0.22~0.26%、510.15~0.35%、]\1110.40~0.60%、？彡0.010%、 S彡 0? 005%、Cr0? 90 ~1. 10%、M〇 0? 70 ~0? 80%，V0? 10 ~0? 15%，其余为Fe和不可 去除的痕量元素。还公开了该钢级钢管的制备方法，主要包括炼钢、乳管和热处理等步骤。 虽然该发明涉及钢的成分设计和制备工艺，其最终成品150ksi钢级高强韧钢管，不涉及具 体的钢坯的浇铸过程的控制方法。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题是提供一种V150钢级高强韧性套管钢的制备方法。
[0007] V150钢级高强韧性套管钢的制备方法，包括以下步骤：
[0008]a、冶炼：以铁水和废钢为原料，在电弧炉中进行冶炼，得到温度为1620~1640°C 的初炼钢水；
[0009]b、LF精炼：将a步骤冶炼好的钢水加入合成渣进行LF精炼，待合成渣基本熔 化后，分批加入精炼剂、A1粉加强炉渣脱氧，造白渣，保证白渣时间多20min;控制炉渣 (FeO+MnO) < 0. 5 %，升高钢水温度，进行合金化和脱硫操作，调整合金成分满足标准要求 且S< 0. 003% ;同时LF精炼结束后进行第一次钙处理；
[0010] c、VD真空处理：将b步骤中精炼后的钢水真空度在常压~67pa下，控制吹Ar流量 80~150NL/Min，在破空前5min以内控制吹Ar流量40~80NL/min，在真空度< 67Pa下脱 气处理12~18min，之后在真空度< 200Pa下脱气处理至少5min;破真空后在VD真空处理 工序进行第二次钙处理；钙处理后对钢水进行静吹处理，控制底吹氩强度保证钢液面微动， 静吹时间彡15min，再静置10~20min;得到温度为1570~1585°C的钢水；
[0011] d、浇铸成连铸圆坯：将c步骤处理好的钢水进行浇铸，控制中间包浇注过热度，浇 铸温度1525~1545°C;二冷曲线采用弱冷，比水量0. 42~0. 48Kg/t;采用结晶器电搅和末 端电搅，结晶器电磁搅拌参数：电流200A、频率2. 5Hz，末端电磁搅拌参数：电流150A、频率 8. 0Hz〇
[0012] 上述所述V150钢级高强韧性套管钢，是以铁水和废钢为原料制备而成，其化学 成分按重量百分比为：铁水中C彡3. 50%，S彡0? 060%，P彡0? 150%，As彡0? 010%， Sn彡0? 008 %且As+Sn+Pb+Sb+Bi彡0? 020 %，入电炉铁水温度T彡1280°C;废钢中 S彡 0? 010%，As彡 0? 010%，Sn彡 0? 008%，As+Sn+Pb+Sb+Bi彡 0? 020% ;将铁水和废钢按 一定比例进行配比，控制配碳量1. 6~2. 0%。
[0013] 进一步的，为了得到更优的技术方案，上述所述V150钢级高强韧性套管钢以铁水 和废钢为原料制备而成，其化学成分按重量百分比为：铁水成分：c:3. 80%，S:0. 030%，P: 0? 100%，As:0? 008%，Sn:0? 004%，As+Sn+Pb+Sb+Bi:0? 017%，入电炉铁水温度T:130(TC; 废钢中S:0? 008%，As:0? 007%，Sn:0? 004%，As+Sn+Pb+Sb+Bi:0? 016% ;将铁水和废钢按 一定比例进行配比，控制配碳量1. 7%。
[0014] 或者上述所述V150钢级高强韧性套管钢以铁水和废钢为原料制备而成，其化 学成分按重量百分比为：铁水成分：C:4. 10%，S:0? 040%，P:0? 110%，As:0? 007%，Sn: 0? 003%，As+Sn+Pb+Sb+Bi:0? 014%，入电炉铁水温度T:1310°C;废钢中S:0? 010%，As: 0. 007%，Sn:0. 003%，As+Sn+Pb+Sb+Bi:0. 014% ;将铁水和废钢按一定比例进行配比，控制 配碳量2. 0%。
[0015] 最终制备的钢的主要化学成分按重量百分比：C0. 23~0. 27%、Si0. 20~ 0. 35%、Mn0. 45 ~0. 60%、Cr0. 95 ~1. 10%、Mo0. 75 ~0. 85%、Nb0. 03 ~ 0? 05 %、V0? 07 ~0? 12 %、A1 0? 015 ~0? 045 %，Cu彡 0? 20 %、Ni彡 0? 20 %、Ti 1. 0Kg/t;P彡 0? 010%、S彡 0? 003 %。五害元素：As彡 0? 020%、Sn彡 0? 010 %，且 As+Sn+Pb+Sb+Bi彡 0? 025 %，气体[0]彡 0? 0020 %、[N]彡 0? 0080 %。
[0016] 本发明以铁水和废钢为原料，要求了入电炉铁水C含量以及温度，铁水、废钢的P、 S、As、Sn、Pb、Sb、Bi含量以及配碳量；使电炉冶炼获得低有害元素、五害元素的钢水，钢水 终点C含量高，氧含量低，利于减少脱氧剂用量和钢水中夹杂物含量，减轻LF精炼脱硫负 荷。
[0017] 上述所述a步骤中出钢过程加入复合脱氧剂CaBaAlSi1. 0~2. 5kg/t、A1块 2. 0~3. 5kg/t进行强行脱氧，和加入高碳猛铁合金4. 0~4. 5kg/t进行合金化处理；出钢 前在钢包内加入石灰2. 5~4. 5kg/炉，加入石灰由于初炼钢水初始温度高有利于渣料熔 化，同时石灰可以提高炉渣碱度。
[0018] 出钢过程中，调整吹氩强度进行搅拌，保证初炼钢水预脱氧良好，利用出钢过程钢 水的冲击搅拌和底吹Ar搅拌，钢包内进行脱硫，减轻LF深脱硫负荷，缩短冶炼时间。
[0019] 上述所述b步骤中加入的合成渣根据电炉出钢S含量不同选择不同的加入量：出 钢S0. 010 ~0? 015%、加入量 17 ~18. 5kg/t;出钢S0? 001 ~0? 009%、加入量 14 ~16kg/ t。LF精炼过程中，炉渣变白后继续精炼过程中，补充加入少量精炼剂保持白渣，保证白渣时 间多20min。
[0020] 上述所述V150钢级高强韧性套管钢的制备方法，其中所述采用二次钙处理的方 法，该钙处理方法为：用总Ca含量为50%的纯钙线进行钙处理，加入的纯Ca线量为0. 08~ 0. 10kg/t。通过精炼渣进行深脱硫、脱氧及吸附夹杂物，利用钙处理实现夹杂物的转变，形 成较大的复合非金属夹杂物，随后在VD真空处理过程中上浮去除。
[0021] 进一步的，C步骤中钢材为了得到更好的脱气效果，破空后在真空度< 67Pa下脱 气处理优选15min。
[0022] 本发明通过合理的原料控制、配料以及电炉冶炼得到低有害元素、低五害元素、终 点C含量高，氧含量低的初炼钢水，利于减少脱氧剂用量和钢水中夹杂物含量；出钢脱氧合 金化及渣洗，保证初炼钢水预脱氧良好，减轻LF深脱硫负荷；LF精炼通过精炼渣进行深脱 硫、脱氧及吸附夹杂物并利用钙处理实现夹杂物的转变，形成较大的复合非金属夹杂物随 后在VD真空处理过程中上浮去除。
[0023] 本发明对钢水进行VD真空处理，要求了VD真空处理时的真空度、真空处理时间、 吹Ar强度及破空后第二次钙处理纯钙线喂入量，还要求了钙处理后的静吹时间、静置时间 及出钢温度；脱出钢中气体含量，再次进行钙处理使钢中未去除的细小非金属夹杂物得到 转变，通过充分的静吹和静置时间促进充分上浮的夹杂物去除。
[0024] 浇铸成连铸圆坯，要求了中间包浇注温度、二冷制度、结晶器电磁搅拌参数及末端 电磁搅拌参数；合理的工艺参数控制了铸坯偏析。
[0025] 在钢铁冶炼中，一般将夹杂物进行如下分类，其中：
[0026] A类（硫化物类）一一具有高的延展性，有较宽范围形态比（长度/宽度）的单个 灰色夹杂物，一般端部呈圆角；
[0027] B类（氧化铝类）一一大多数没有变形，带角的，形态比小（一般<3)，黑色或带蓝 色的颗粒，沿轧制方向排成一行（至少有3个颗粒）；
[0028] C类（硅酸盐类）一一具有高的延展性，有较宽范围的形态比（一般彡3)的单个 呈黑色或深灰色夹杂物，一般端部呈锐角；
[0029] D类（球状氧化物类）一一不变形，带角或圆形的，形态比小（一般<3)，黑色或带 蓝色的，无规则分布的颗粒；
[0030] DS类（单颗粒球状类）一一圆形或近似圆形，直径彡13Pm的单颗粒夹杂物。
[0031] 本发明提供的一种V150钢级高强韧性套管钢的制备方法，制得的圆管坯钢有害 元素含量低（P彡〇? 〇l〇%、S彡0? 003% )，五害元素含量低（As彡0? 020%、Sn彡0? 010%， 且As+Sn+Pb+Sb+Bi彡 0? 025% )，钢质纯净度高（气体[0]彡 0? 0020%、[N]彡 0? 0080%， 夹杂物高倍A、B、C、D、DS分别不大于0. 5级），偏析小，制造的无缝钢管强韧性匹配高、综合 力学性能优良，使用寿命长，可广泛应用在高压气井、高压深井、超深井、高温高压井中，保 证油井的运行安全。
【附图说明】
[0032] 图1为14803002炉<i> 350mm规格铸坯C偏析；
[0033] 图2为14803003炉<i> 350mm规格铸坯C偏析。
【具体实施方式】
[0034] V150钢级高强韧性套管钢的制备方法，包括以下步骤：
[0035] a、冶炼：以铁