一种Ni微合金化石油钻铤用钢及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种Ni微合金化石油钻铤用钢及其制备方法，该Ni微合金化石油钻铤用钢按质量百分比计包括：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％，其余为铁元素和不可避免的杂质元素。其制备方法包括电炉冶炼、LF炉外精炼、VD炉真空处理、连铸和轧制工序。本发明的Ni微合金化石油钻铤用钢具有良好的综合机械性能，稳定的淬透性，保证热处理稳定性，因增加Ni进行微合金化，提高了低温冲击韧性。
【专利说明】
-种N i微合金化石油钻链用钢及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明设及石油钻探用钢领域，特别设及一种中碳CrMnMo并添加了少量Ni进行微 合金化，具有良好综合机械性能及低溫冲击初性的石油钻挺用钢及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 钻挺是石油、天然气钻柱的最重要组成部分之一，具有向钻头提供钻进的压力及 提高钻柱刚性的作用，能承受钻井作业的高速旋转、与岩石的剧烈摩擦，很大的扭矩(钻井 深度要达到3千米W上，钻挺要逐节连接下去）W及启动、停止时冲击力等各种交变应力的 作用。随着我国石油天然气工业的不断发展，石油钻挺作为石油钻井作业中必不可少的钻 具的需求越来越大，同时钻井作业对钻挺的质量提出的要求也越来越高，所W高性能的石 油钻挺的需求也就越来越迫切。用于石油开采的钻挺钢材要具有高强度、高硬度、抗扭转、 抗弯曲、抗耐磨，良好冲击初性等性能要求。目前，用于开采石油的钻挺材料，基本上是铭钢 钢制造，对微量元素的含量进行有效的控制。但是，最近几年钻采环境更加复杂和恶劣，要 求钻挺能在更加苛刻的条件下进行工作，对其耐压强度、冲击初性和耐腐性提出更高要求。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于，提供一种通过M微合金化所制备的石油钻挺用钢，该钢具有 高强度及高硬度的同时，具有良好的初塑性、低溫冲击初性和耐磨性能，用于制备的石油钻 挺可W应用于高强度、高硬度、低溫等环境中。
[0004] 为达到上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
[0005] -种M微合金化石油钻挺用钢，所述Ni微合金化石油钻挺用钢的化学成分按质量 百分比计包括：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%，其余为铁元素 和不可避免的杂质元素。
[0006] 根据该钢材料的服役环境及各元素在钢中的作用效果，优选地，所述Ni微合金化 石油钻挺用钢的化学成分按质量百分比计包括：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%，其余为铁元素和不可避免的杂质元素。
[0007] 本发明的另一个目的在于，提供一种Ni微合金化石油钻挺用钢的制备方法，所述 方法包括冶炼、LF炉外精炼+VD真空处理、连铸和社钢工序，其特征在于：
[000引1)在冶炼工序中，保证炉体状况最佳，W减少炉体因素而使钢中气体增加，电炉冶 炼全过程造泡沫渣操作，均匀脱碳、减少吸氮，控制出钢P含量不大于0.008%，终点[C]> 0. lOwt%，钢水的出钢溫度1600-1640°C，同时进行钢包合金化；
[0009] 2)在LF炉外精炼+VD真空处理工序中，精炼渣碱度为3.0-3.5，加强脱硫操作，保持 白渣操作，进行成分微调，喂入侣线，LF出钢前，喂巧线;VD炉真空处理工序中，真空度小于 67M化，保持时间大于17分钟，氣气揽拌及VD炉处理后软吹氣，VD后软吹氣时间不小于20分 钟；
[0010] 3)在连铸工序中，采用连铸保护诱注铸巧，连铸中采用电磁揽拌，控制中间包过热 度为20-30°C，诱注断面巫500mm拉速在0.35 ±0.0 lm/min，诱注断面巫650mm拉速在0.25 ± 0.0Im/min;为了保证连铸巧质量，不能在冷床停留，要及时入坑缓冷，入坑溫度大于650°C， 巫500mm圆巧缓冷72小时W上，〇650mm圆巧缓冷96小时W上，且保证出坑溫度不大于200 。。
[00川4)在社制工序中，控制加热炉均热溫度在1180-1250°(：，巫500111111加热时间>6.5小 时，巫650mm加热时间>8.0小时，开社溫度1090-1190°C，终社溫度大于900-1000°C。
[0012]优选地，所述步骤1)中，加入高儘合金、高铭合金、娃儘合金、钢铁、儀板进行钢包 合金化。
[001引优选地，所述步骤2)中，喂侣线3. Om/t钢加强脱硫，喂巧线2.5m/t钢进行钢中夹杂 物球化处理。
[0014] 本发明中，所述步骤3)中，采用30°CW内的低过热度诱铸。
[0015] 针对该钢材料应具有高强度及高硬度，同时兼顾其冲击初性、耐磨性等要求，本发 明提供一种中碳CrMnMo钢，并加入微量M元素，保证其低溫的服务环境。根据该钢材料加工 产品的使用特性，提出的力学性能、高倍组织、泽透性及表面硬度等要求，本发明依据各元 素在钢中的作用，同时兼顾时效带来强度的降低，在用户的要求基础上，充分考虑时效强度 的降低值，在成分控制上进行优化设计，保证力学性能即满足使用要求同时存在一定的富 余量(比要求值高50M化W上保证时效降低值）。另外，考虑为了保证石油钻挺综合性能，进 行了泽火、正火热处理，为了保证热处理的稳定性，避免因成分波动造成性能的波动，我们 将主要影响元素 C控制±0.01%范围内攝、111、化控制±0.02%范围内，将贵重合金齡、化 控制±0.005%更精确范围内，另外A1作为细晶元素，内控0.015-0.025%。
[0016] 本发明提供的窄成分控制，制得的成品钢材具有良好综合机械性能，强度比使用 要求富余量100M化W上，良好的泽透性且带宽窄，保证后续热处理的稳定性。与现有普通 CrMo系列石油钻挺用钢比较，具有强度、硬度更高，初塑性更好，同时具有良好的低溫冲击 初性，更适合低溫环境等优势。
[0017]根据发明实施例的M微合金化中碳CrMnMo石油钻挺用钢的优势在于合理的生产 工艺，优化过程控制参数，提高钢的纯净度，保证钢材组织均匀性，最终保证钢材使用性能。
[0018] 与现有技术相比，本发明的技术方案的优良效果如下：
[0019] 第一，本发明的钢成分设计，对强度主要影响因素(：、51、111、吐按要求的中上限控 审IJ，保证钢材的强度和硬度，通过过程工艺优化，提供钢材的纯净度，细化晶粒，在高强度高 硬度基础上，同时保证了钢材塑初性，因此，本发明的石油钻挺用钢具备良好的综合机械性 能。
[0020] 第二，本发明的石油钻挺用钢具有良好综合机械性能，且强度富余量高等特点，可 适更深井的开采，同时适用寿命要较一般强度刚满足标准要求或富余量不大的钢材要高。
[0021] 第=，本发明通过Ni微合金，保证了钢材的低溫冲击初性，适应更低溫度环境的使 用要求，一般CrMo钢，只适用常溫服役环境。
[0022] 第四，本发明通过窄成分控制，有效保证钢材性能的稳定性，尤其泽透性，良好泽 透性同时带宽在4皿CW内，保证后续热处理稳定性，同时，良好的泽透性也是良好综合机械 性的保证。
【具体实施方式】
[0023] 下面结合实施例对本发明作进一步详细的说明。
[0024] 实施例1-3
[0025] 本发明的Ni微合金化石油钻挺用钢的制备方法包括W下步骤：
[0026] (1)冶炼
[0027] 采用邸T超高功率100吨位电炉冶炼，为了有效降低钢中夹杂物含量，电炉冶炼应 提高铁水的兑入量大于60%，入炉的原料应经过优选，不允许配入渣铁、罐帮铁等高憐高硫 废钢，同时炉体状况良好才能冶炼，保证最佳炉况并减少由炉体因素而使钢中的气体含量 增加。电炉冶炼全过程保持泡沫渣操作，均匀脱碳、减少吸氮，采用大渣量深脱碳W加强脱 P，控制终点[P]《〇.〇〇8wt%。高溫快速脱碳，控制终点[C]>0.10wt%，其余残余元素含量 符合设计要求。钢水出钢溫度控制在1600-1640°C，同时随出钢流加入钢忍侣2.5-3.化g/t 钢进行沉淀脱氧，加入高儘合金、娃儘合金、高铭合金、钢铁合金进行合金化。
[002引（2)精炼+VD真空处理
[0029] LF炉精炼白渣操作大于20分钟，碱度为3.0-3.5。硫降低钢材的抗蚀性能，必须加 强脱硫操作，保证最终硫含量小于0.005 %，喂侣线1.5m/t钢。根据精炼取样分析，再加入娃 铁、娃儘进行成分微调，LF炉出钢前，按照1.5-3 .化g/t钢喂入巧线，对夹杂物进行球化处 理，W便夹杂物上浮被精炼渣吸附。
[0030] LF精炼后进行VD真空处理，真空度小于67化，保持时间大于17分钟，VD后软吹氣的 时间大于20分钟，保证钢种气体及夹杂物充分脱除。
[003U (3)连铸
[0032] 为了保证良好的铸巧内部质量，采用低过热度(20-30°C)全程保护诱注，同时使用 电磁揽拌，可有效扩大等轴晶区，抑制柱状晶的发展，从而可减轻中屯、偏析和中屯、疏松;合 理二冷工艺，优化二冷区水量分布，采用气雾冷却及自动控制，矫直点表面溫度大于900°C， 避免带液忍矫直。采用多点弯曲矫直、对弧准确、漉缝对中等技术保证二次冷却区铸巧受力 均匀。
[0033] 为了保证铸巧的表面质量，应稳定结晶器液面，避免液面波动引起巧壳生长的不 均匀、卷渣等;采用高频率小振幅的结晶器振动机构，可W减少振痕深度;选用具有良好的 吸收夹杂物能力和渣膜润滑能力的连铸保护渣。
[0034] 采用连铸保护诱注铸巧，连铸中采用电磁揽拌，控制中间包过热度为20-30°C，诱 注断面巫500mm拉速在0.35 ± 0.0 lm/min，诱注断面巫650mm拉速在0.25 ± 0.0 lm/min。
[0035] 另外，铸巧不能在冷床停留，必须及时入坑缓冷，缓冷制度:入坑溫度大于650°C， 巫500mm圆巧缓冷72小时W上，〇650mm圆巧缓冷96小时W上，且保证出坑溫度不大于200 r。
[0036] (4)社钢
[0037] 控制加热炉均热溫度在118〇-1250°(：。〇50〇111111加热时间>6.5小时，〇65〇111111加热 时间>8.0小时，开社溫度1090-1190°C，终社溫度在大于900-1000°C。社后钢材入坑缓冷， 大于500°C入坑缓冷，缓冷时间大于24小时，确保出缓冷坑小于200°C。
[0038] W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。
[0039] 采用上述UHP超高功率EBT偏屯、炉底100吨电炉、LF炉外精炼、VD真空脱气处理、连 铸诱注、社制成材制得的一种Ni微合金化中碳CrMnMo石油钻挺用钢，具体工艺参数见表1钢 的化学成分，表2过程控制参数包括电炉出钢溫度、中间包钢水过热度、拉巧速度、加热炉钢 巧加热溫度和时间、社制溫度、缓冷时间。
[0040] 表1钢的化学成分(wt%) 「nn/M 1
[0044] 从实施例的钢材中抽取试样，测试其力学性能、调质硬度、非金属夹杂物、末端泽 透性和晶粒度。850±20°C/油泽+610±25°C/油回火进行力学性能情况见表3,非金属夹杂 物情况见表4，正火(880~900°C) +端泽(860± 5°C )进行末端泽透性检验情况见表5，晶粒度 情况见表6。
[0045] 表3试样力学性能情况
[0046]
[0047]
[004引表4钢材非金属夹杂物
[0049]
[(K)加 ]
[0化1 ]
[0052]表6钢材奥氏体晶粒度 「mwl
12 由W上结果可W看出，成品钢纯洁度高，晶粒细小弥散，保证钢材的高强度高硬 度，同时具备良好的冲击初性，尤其是低溫冲击初性，相对标准存在近40JW上的富余量，很 好的保证更低井深溫度低的服役环境要求。另外，良好的泽透性，且带宽窄，保证了热处理 稳定性，最终保证使用的稳定性。 2 最后所应说明的是，W上实施例仅用W说明本发明的技术方案而非限制。尽管参 照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解，对本发明的技术方 案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明 的权利要求范围当中。
【主权项】
1. 一种Ni微合金化石油钻铤用钢，其特征在于，所述Ni微合金化石油钻铤用钢的化学 成分按质量百分比计包括< :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%，其余为铁元素和不 可避免的杂质元素。2. 根据权利要求1所述的一种Ni微合金化石油钻铤用钢，其特征在于，所述Ni微合金化 石油钻铤用钢的化学成分按质量百分比计包括：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%，其余为铁元素和不可避免的杂质元素。3. 权利要求1或2所述的一种Ni微合金化石油钻铤用钢的制备方法，所述方法包括冶 炼、LF炉外精炼+VD真空处理、连铸和乳钢工序，其特征在于： 1) 在冶炼工序中，电炉冶炼全过程造泡沫渣操作，均匀脱碳、减少吸氮，控制出钢P含量 不大于0.008%，终点[C]彡0.10wt%，钢水的出钢温度1600-1640°C，同时进行钢包合金化； 2) 在LF炉外精炼+VD真空处理工序中，精炼渣碱度为3.0-3.5，加强脱硫操作，喂入铝 线，LF出钢前，喂钙线；真空度小于67MPa，保持时间大于17分钟，VD后软吹氩时间不小于20 分钟； 3) 在连铸工序中，采用连铸保护浇注铸坯，连铸中采用电磁搅拌，控制中间包过热度为 20-30 °C，浇注断面Φ 500mm拉速在0.35 ± 0.01 m/min，浇注断面Φ 650mm拉速在0.25 土 0.01m/min;为了保证连铸还质量，要及时入坑缓冷，入坑温度大于650°C，Φ500ι?πι圆还缓冷 72小时以上，Φ650πιπι圆坯缓冷96小时以上，且保证出坑温度不大于200°C ; 4) 在乳制工序中，控制加热炉均热温度在1180-1250 °C，Φ 500mm加热时间彡6.5小时， Φ650mm加热时间彡8.0小时，开乳温度1090-1190°C，终乳温度大于900-1000°C。4. 根据权利要求3所述的一种Ni微合金化石油钻铤用钢的制备方法，其特征在于，所述 步骤1)中，加入高锰合金、高铬合金、硅锰合金、钼铁、镍板进行钢包合金化。5. 根据权利要求3所述的一种Ni微合金化石油钻铤用钢的制备方法，其特征在于，所述 步骤2)中，喂铝线3. Om/t钢加强脱硫，喂钙线2.5m/t钢进行钢中夹杂物球化处理。
【文档编号】C22C38/08GK106048415SQ201610528904
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月6日
【发明人】欧阳峥容, 刘兵, 翟正龙, 闻小德, 戈文英, 郑桂芸
【申请人】山东钢铁股份有限公司