专利名称：一种多元合金化超高强度抽油杆钢及其制造方法
技术领域：
本发明属于合金结构钢技术领域，具体涉及一种多元合金化超高强度抽油杆钢及 其制造技术。
背景技术：
机械采油是油田开发的主要手段，有杆抽油系统在机械采油中占有举足轻重的地 位。抽油杆是有杆抽油设备的重要零件，其功能是将地面抽油机的动力传递给井下抽油泵， 通过油井管采出石油。国内外现有的抽油杆钢按照性能等级由低到高可分为C、K、D和H四个级别。超高 强度抽油杆适用于稠油井、高含水井、深井或超深井，随着油井的逐渐加深，对抽油杆的强 度、韧性也不断提高，因此生产高强度并具有良好综合力学性能的抽油杆钢具有重要的意 义。近年来，我国材料型超高强度抽油杆钢的研制取得了长足发展，国内研制的TO20和低 碳MnB非调质钢材料型超高强度抽油杆，力学性能达到SY/T6272-1997《超高强度抽油杆》 的要求，但是TO20非调质钢材料型超高强度抽油杆的塑性和韧性偏低。中国专利CN101736201A(200910113600)公开了一种高强度特种抽油杆钢，其中 所含的主要化学成分的百分含量为: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。 中国专利101177763(200710188008)公开了一种超高强度抽油杆用钢，其各组分含量按重 量百分比为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。上述两种方法分别通过添加 大量的Cr、Mn来提高钢材的强度，Cr、Mn含量高，然而过高的Cr含量会使材料在高温下的 热稳定性变差，从而加剧材料失效；过高的Mn含量则会使合金的组织粗化，焊接性能变差。 因此，应该采取更加合理的方法来提高材料的强度，保证材料的综合性能。CN1065887A公开了 一种非调质高强度抽油杆钢，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，余为 Fe。CN1366090本发明属于合金钢及制造工艺领域，具体涉及一种非调质结构钢及 制造工艺，本钢用于制造抽油杆。该钢化学成分(按重量百分比)范围为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%，其余为 Fe。本非调 质抽油杆用钢制造工艺，按上述化学成分配料进行电炉粗炼+LF炉精炼一铸锭一开坯一轧 制一高精度棒线材连轧机轧制一时效处理一成材。本钢不仅具有非调质钢优点，而且对使 用中热加工所形成的过渡区，其力学性能仍可达到D级抽油杆性能指标。采用非调质钢制 作抽油杆优点是无需热处理，但是非调质钢在韧性方面表现不足，综合性能和疲劳寿命不 佳。CN1065887A、CN1366090均为一种非调质钢，由于非调质钢韧性不足的缺点会导致抽油 杆疲劳寿命不理想，影响采油生产效率。CN1366090发明钢性能仅达到D级抽油杆标准，限制了在更复杂环境下的应用。
发明内容
针对用户对疲劳寿命、强度级别越来越高的要求，以及现有材料存在的问题，本发 明提供一种多元合金化超高强度抽油杆钢，并根据微合金化的方法通过添加适量的合金元 素Ti、Al来提高钢材的强度、细化晶粒、优化材料的组织和性能；本发明还提供了该钢的制 造方法，生产的抽油杆钢具有优良的综合力学性能和疲劳寿命。本发明的技术方案如下一种HL级抽油杆钢，在实施多元合金化的基础上，根据微合金化原理，加入适 量的合金元素Ti、Al来进一步细化组织提高材料的强度和疲劳寿命。其化学成分质 量百分比为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，余为 Fe 和不可避免的杂质。本发明的技术特点之一在于采用多元合金化成分设计。采用Mn、Cr、M0搭配合金化，在提高钢的淬透性的同时可以降低钢的回火脆性，设 计 Mn 0. 50-0. 70%, Cr 0. 95-1. 20%, Mo 0. 18-0. 25% ；微量元素 Ti 和 Al 的加入可以细 化晶粒，提高钢的强度和综合性能，设计Al 0. 015-0. 050%, Ti 0. 015-0. 050%。在上述优化设计基础上，为保证钢的性能稳定一致，优选的，钢的组成按质量百分 数为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，余为 Fe 和不可避免的杂质。本发明的技术特点之二在于合理的生产工艺，提高钢的纯净度，保证钢的性能质 量及对氢含量的控制。本发明多元合金化超高强度抽油杆钢的制备方法，钢的化学成分设计要求如上所 述，包括以下步骤(1)冶炼采用电炉冶炼，电炉冶炼全过程造泡沫渣操作，保证良好的氧化沸腾，促进夹杂物 和气体上浮，脱碳量为0. 30 0.40% ；终点[C]0. 10 0.15%、[P]彡0.015%，残余元素 含量符合设计要求，钢水的出钢温度1620-1640°C。(2) LF炉外精炼，精炼渣碱度3. 0-3. 5，白渣保持时间20 30分钟。精炼后真空处理，用定氢仪进行过程氢的测定，氢含量不大于3ppm ；真空度小于 67Pa，保持时间12-15分钟，VD后软吹氩时间10-15分钟。(3)浇注采用连铸浇注铸坯，连铸中应采用电磁搅拌。控制中间包温度1520_1535°C，拉速 0. 9 1. lm/min,以保证铸坯质量。(4)车L制对连铸坯进行缓冷后轧制，为保证钢的内部质量，轧制压缩比> 30。控制加热炉均热温度1200-1240°C，加热时间2. 5-3小时，开轧温度1080-1120°C，终轧温度850-1000°C。 制得热轧圆钢。以上制备方法中未加限定的工艺条件均可参照本领域常规技术。钢中氢是导致白点和发裂的主要原因。抽油杆钢中的氢含量越高，氢致裂纹产生 的几率越大，腐蚀率越高，平均裂纹长度增加越显著，导致抽油杆过早失效，严重影响使用 寿命和作业率。因此，为有效降低钢中氮、氢等气体含量，电炉冶炼入炉原料必须经过优选， 电炉冶炼全过程造泡沫渣操作，保证良好的氧化沸腾。优选的，电炉冶炼入炉原料必须优选中重型优质废钢。优选的，在炼钢过程中采用钢包和中间包预热烘烤有效降低钢水的吸氢量，同时 对保护套管加热和同一保护套管的反复使用也明显降低钢液的吸氢量。与现有技术相比，本发明的技术方案的优良效果如下1、本发明钢成分设计采用多元合金化的方式提高钢的强度和综合性能，满足了超 高强度抽油杆强度和疲劳寿命要求。2、本发明在生产工程中，通过制造工艺优化，严格控制钢中的氢含量，降低氢致裂 纹产生的几率，提高钢的疲劳性能，延长使用寿命。3、本发明采用常规调质热处理方法，即能达到超高强度抽油杆的性能要求，与HY 型超高强度抽油杆相比，用户省去了表面感应淬火工序，大大提高抽油杆生产厂的生产工 效。
具体实施例方式下面结合实施例对本发明作进一步说明。实施例一种HL级抽油杆钢，其商业牌号为27CrMoAHL。采用UHP超过功率电炉、LF炉外精 炼、VD真空脱气处理工艺冶炼，连铸浇注铸坯、轧制成材工艺生产钢材。实施例是以Φ22πιπι 规格钢材的生产工艺来具体说明本发明是如何实施的。生产工艺如下(1)冶炼采用电炉冶炼，终点[C]0. 10 0. 15%、[P]彡0. 015%，残余元素含量 符合设计要求，钢水的出钢温度1630-1640°C ；LF炉外精炼，精炼渣碱度3. 5，白渣保持时间 20分钟；精炼后真空处理，真空度小于67Pa，保持时间15分钟，VD后软吹氩时间12分钟。 用定氢仪进行过程氢的测定，氢含量2. 2-2. 5ppm。(2)浇注采用连铸浇注，连铸中应采用电磁搅拌。控制中间包温度1520_1535°C， 拉速1. 0 1. lm/min，铸坯质量良好。(3)轧制对连铸坯进行缓冷后轧制，轧制压缩比彡30。控制加热炉均热温度 1210-1230°C，加热时间2. 5-3小时，开轧温度1080-1120°C，终轧温度900_1000°C。具体工艺参数见表1和表2。表1是实施例多元合金化超高强度抽油杆钢化学成 分、钢中气体，表2是连铸中间包钢水温度、拉坯速度、钢坯加热温度、时间及轧制温度。表1 实施例化学成分(重量，％ )实 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 连铸中间包钢水温度、拉坯速度、钢坯加热温度、时间及变形温度
实施连铸中间连铸拉钢坯均热均热时开轧温终轧温度，。C例包钢水温度，°c还速度’ m/min温度，°c间，h度，°c115201.0512102.61100950215301.012202.81080980315251. 0812303.011201000从实施例1成品中抽取5根疲劳性能试样，测试其疲劳性能。在加载频率150HZ、 正弦波、载荷比R = O. 1、试验应力σ(11彡540Mpa条件下，试验循环周次达到N=lX106时 均保持完好没有断裂，进行达到断裂的极限循环周次测试情况见表3。表3循环周次测试情况
项目试样1试样2试样3试样4试样5极限疲劳循 环周次N14374561412567149401214030051465032将实施例1性能和同类非调质钢产品进行比较，测试情况见表4，非调质钢的韧性 不如本发明钢。表4性能比较情况
权利要求
一种适用于重、超重负荷油井的抽油杆用钢，其特征在于，是一种多元合金化超高强度抽油杆钢，其组成按质量百分数为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，余为Fe和不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的抽油杆钢，其特征在于，钢的组成按质量百分数为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，余为 Fe 和不可避免的杂质。
3.权利要求1或2所述的抽油杆钢的制备方法，包括以下步骤(1)冶炼采用电炉冶炼，电炉冶炼全过程造泡沫渣操作，脱碳量为0. 30 0. 40 % ；终点 [C]0. 10 0. 15%, [P]彡0.015%,残余元素含量符合设计要求，钢水的出钢温度 1620-1640 0C ；(2)LF炉外精炼，精炼渣碱度3. 0-3. 5，白渣保持时间20 30分钟；精炼后真空处理，用定氢仪进行过程氢的测定，氢含量不大于3ppm ；真空度小于67Pa， 保持时间12-15分钟，VD后软吹氩时间10-15分钟；(3)浇注采用连铸浇注铸坯，连铸中应采用电磁搅拌，控制中间包温度1520-1535 °C，拉速 0. 9 1. lm/min,以保证铸坯质量；(4)轧制对连铸坯进行缓冷后轧制，为保证钢的内部质量，轧制压缩比> 30 ；控制加热炉均热 温度1200-1240°C，加热时间2. 5-3小时，开轧温度1080-1120°C，终轧温度850_1000°C ；制 得热轧圆钢。
4.如权利要求3所述的抽油杆钢的制备方法，其特征在于，在炼钢过程中采用钢包和 中间包预热烘烤有效降低钢水的吸氢量。
5.如权利要求3所述的抽油杆钢的制备方法，其特征在于，在炼钢过程中，对保护套管 加热和同一保护套管的反复使用，明显降低钢液的吸氢量。
全文摘要
本发明涉及一种多元合金化超高强度抽油杆钢及其制造方法，抽油杆钢的各个组分含量为(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，余为Fe和不可避免的杂质。本发明钢综合性能优异，具有较高的疲劳寿命，适用于重、超重负荷油井采油作业。
文档编号C22C33/04GK101962737SQ20101029292
公开日2011年2月2日 申请日期2010年9月27日 优先权日2010年9月27日
发明者亓显玲, 张利平, 戈文英, 时振明, 李业才, 李修峰, 李广真, 梁娜, 王广连, 王立君, 翟正龙, 赵德钢 申请人:莱芜钢铁股份有限公司