一種多元合金化超高強度抽油桿鋼及其制造方法

專利名稱：一種多元合金化超高強度抽油桿鋼及其制造方法
技術領域：
本發明屬于合金結構鋼技術領域，具體涉及一種多元合金化超高強度抽油桿鋼及 其制造技術。
背景技術：
機械采油是油田開發的主要手段，有桿抽油系統在機械采油中占有舉足輕重的地 位。抽油桿是有桿抽油設備的重要零件，其功能是將地面抽油機的動力傳遞給井下抽油泵， 通過油井管采出石油。國內外現有的抽油桿鋼按照性能等級由低到高可分為C、K、D和H四個級別。超高 強度抽油桿適用于稠油井、高含水井、深井或超深井，隨著油井的逐漸加深，對抽油桿的強 度、韌性也不斷提高，因此生產高強度并具有良好綜合力學性能的抽油桿鋼具有重要的意 義。近年來，我國材料型超高強度抽油桿鋼的研制取得了長足發展，國內研制的TO20和低 碳MnB非調質鋼材料型超高強度抽油桿，力學性能達到SY/T6272-1997《超高強度抽油桿》 的要求，但是TO20非調質鋼材料型超高強度抽油桿的塑性和韌性偏低。中國專利CN101736201A(200910113600)公開了一種高強度特種抽油桿鋼，其中 所含的主要化學成分的百分含量為: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。 中國專利101177763(200710188008)公開了一種超高強度抽油桿用鋼，其各組分含量按重 量百分比為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。上述兩種方法分別通過添加 大量的Cr、Mn來提高鋼材的強度，Cr、Mn含量高，然而過高的Cr含量會使材料在高溫下的 熱穩定性變差，從而加劇材料失效；過高的Mn含量則會使合金的組織粗化，焊接性能變差。 因此，應該采取更加合理的方法來提高材料的強度，保證材料的綜合性能。CN1065887A公開了 一種非調質高強度抽油桿鋼，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，余為 Fe。CN1366090本發明屬于合金鋼及制造工藝領域，具體涉及一種非調質結構鋼及 制造工藝，本鋼用于制造抽油桿。該鋼化學成分(按重量百分比)范圍為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%，其余為 Fe。本非調 質抽油桿用鋼制造工藝，按上述化學成分配料進行電爐粗煉+LF爐精煉一鑄錠一開坯一軋 制一高精度棒線材連軋機軋制一時效處理一成材。本鋼不僅具有非調質鋼優點，而且對使 用中熱加工所形成的過渡區，其力學性能仍可達到D級抽油桿性能指標。采用非調質鋼制 作抽油桿優點是無需熱處理，但是非調質鋼在韌性方面表現不足，綜合性能和疲勞壽命不 佳。CN1065887A、CN1366090均為一種非調質鋼，由于非調質鋼韌性不足的缺點會導致抽油 桿疲勞壽命不理想，影響采油生產效率。CN1366090發明鋼性能僅達到D級抽油桿標準，限制了在更復雜環境下的應用。

發明內容
針對用戶對疲勞壽命、強度級別越來越高的要求，以及現有材料存在的問題，本發 明提供一種多元合金化超高強度抽油桿鋼，并根據微合金化的方法通過添加適量的合金元 素Ti、Al來提高鋼材的強度、細化晶粒、優化材料的組織和性能；本發明還提供了該鋼的制 造方法，生產的抽油桿鋼具有優良的綜合力學性能和疲勞壽命。本發明的技術方案如下一種HL級抽油桿鋼，在實施多元合金化的基礎上，根據微合金化原理，加入適 量的合金元素Ti、Al來進一步細化組織提高材料的強度和疲勞壽命。其化學成分質 量百分比為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，余為 Fe 和不可避免的雜質。本發明的技術特點之一在于采用多元合金化成分設計。采用Mn、Cr、M0搭配合金化，在提高鋼的淬透性的同時可以降低鋼的回火脆性，設 計 Mn 0. 50-0. 70%, Cr 0. 95-1. 20%, Mo 0. 18-0. 25% ；微量元素 Ti 和 Al 的加入可以細 化晶粒，提高鋼的強度和綜合性能，設計Al 0. 015-0. 050%, Ti 0. 015-0. 050%。在上述優化設計基礎上，為保證鋼的性能穩定一致，優選的，鋼的組成按質量百分 數為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，余為 Fe 和不可避免的雜質。本發明的技術特點之二在于合理的生產工藝，提高鋼的純凈度，保證鋼的性能質 量及對氫含量的控制。本發明多元合金化超高強度抽油桿鋼的制備方法，鋼的化學成分設計要求如上所 述，包括以下步驟(1)冶煉采用電爐冶煉，電爐冶煉全過程造泡沫渣操作，保證良好的氧化沸騰，促進夾雜物 和氣體上浮，脫碳量為0. 30 0.40% ；終點[C]0. 10 0.15%、[P]彡0.015%，殘余元素 含量符合設計要求，鋼水的出鋼溫度1620-1640°C。(2) LF爐外精煉，精煉渣堿度3. 0-3. 5，白渣保持時間20 30分鐘。精煉后真空處理，用定氫儀進行過程氫的測定，氫含量不大于3ppm ；真空度小于 67Pa，保持時間12-15分鐘，VD后軟吹氬時間10-15分鐘。(3)澆注采用連鑄澆注鑄坯，連鑄中應采用電磁攪拌。控制中間包溫度1520_1535°C，拉速 0. 9 1. lm/min,以保證鑄坯質量。(4)車L制對連鑄坯進行緩冷后軋制，為保證鋼的內部質量，軋制壓縮比> 30。控制加熱爐均熱溫度1200-1240°C，加熱時間2. 5-3小時，開軋溫度1080-1120°C，終軋溫度850-1000°C。 制得熱軋圓鋼。以上制備方法中未加限定的工藝條件均可參照本領域常規技術。鋼中氫是導致白點和發裂的主要原因。抽油桿鋼中的氫含量越高，氫致裂紋產生 的幾率越大，腐蝕率越高，平均裂紋長度增加越顯著，導致抽油桿過早失效，嚴重影響使用 壽命和作業率。因此，為有效降低鋼中氮、氫等氣體含量，電爐冶煉入爐原料必須經過優選， 電爐冶煉全過程造泡沫渣操作，保證良好的氧化沸騰。優選的，電爐冶煉入爐原料必須優選中重型優質廢鋼。優選的，在煉鋼過程中采用鋼包和中間包預熱烘烤有效降低鋼水的吸氫量，同時 對保護套管加熱和同一保護套管的反復使用也明顯降低鋼液的吸氫量。與現有技術相比，本發明的技術方案的優良效果如下1、本發明鋼成分設計采用多元合金化的方式提高鋼的強度和綜合性能，滿足了超 高強度抽油桿強度和疲勞壽命要求。2、本發明在生產工程中，通過制造工藝優化，嚴格控制鋼中的氫含量，降低氫致裂 紋產生的幾率，提高鋼的疲勞性能，延長使用壽命。3、本發明采用常規調質熱處理方法，即能達到超高強度抽油桿的性能要求，與HY 型超高強度抽油桿相比，用戶省去了表面感應淬火工序，大大提高抽油桿生產廠的生產工 效。
具體實施例方式下面結合實施例對本發明作進一步說明。實施例一種HL級抽油桿鋼，其商業牌號為27CrMoAHL。采用UHP超過功率電爐、LF爐外精 煉、VD真空脫氣處理工藝冶煉，連鑄澆注鑄坯、軋制成材工藝生產鋼材。實施例是以Φ22πιπι 規格鋼材的生產工藝來具體說明本發明是如何實施的。生產工藝如下(1)冶煉采用電爐冶煉，終點[C]0. 10 0. 15%、[P]彡0. 015%，殘余元素含量 符合設計要求，鋼水的出鋼溫度1630-1640°C ；LF爐外精煉，精煉渣堿度3. 5，白渣保持時間 20分鐘；精煉后真空處理，真空度小于67Pa，保持時間15分鐘，VD后軟吹氬時間12分鐘。 用定氫儀進行過程氫的測定，氫含量2. 2-2. 5ppm。(2)澆注采用連鑄澆注，連鑄中應采用電磁攪拌。控制中間包溫度1520_1535°C， 拉速1. 0 1. lm/min，鑄坯質量良好。(3)軋制對連鑄坯進行緩冷后軋制，軋制壓縮比彡30。控制加熱爐均熱溫度 1210-1230°C，加熱時間2. 5-3小時，開軋溫度1080-1120°C，終軋溫度900_1000°C。具體工藝參數見表1和表2。表1是實施例多元合金化超高強度抽油桿鋼化學成 分、鋼中氣體，表2是連鑄中間包鋼水溫度、拉坯速度、鋼坯加熱溫度、時間及軋制溫度。表1 實施例化學成分(重量，％ )實 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 連鑄中間包鋼水溫度、拉坯速度、鋼坯加熱溫度、時間及變形溫度
實施連鑄中間連鑄拉鋼坯均熱均熱時開軋溫終軋溫度，。C例包鋼水溫度，°c還速度’ m/min溫度，°c間，h度，°c115201.0512102.61100950215301.012202.81080980315251. 0812303.011201000從實施例1成品中抽取5根疲勞性能試樣，測試其疲勞性能。在加載頻率150HZ、 正弦波、載荷比R = O. 1、試驗應力σ(11彡540Mpa條件下，試驗循環周次達到N=lX106時 均保持完好沒有斷裂，進行達到斷裂的極限循環周次測試情況見表3。表3循環周次測試情況
項目試樣1試樣2試樣3試樣4試樣5極限疲勞循 環周次N14374561412567149401214030051465032將實施例1性能和同類非調質鋼產品進行比較，測試情況見表4，非調質鋼的韌性 不如本發明鋼。表4性能比較情況
權利要求
一種適用于重、超重負荷油井的抽油桿用鋼，其特征在于，是一種多元合金化超高強度抽油桿鋼，其組成按質量百分數為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，余為Fe和不可避免的雜質。
2.如權利要求1所述的抽油桿鋼，其特征在于，鋼的組成按質量百分數為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，余為 Fe 和不可避免的雜質。
3.權利要求1或2所述的抽油桿鋼的制備方法，包括以下步驟(1)冶煉采用電爐冶煉，電爐冶煉全過程造泡沫渣操作，脫碳量為0. 30 0. 40 % ；終點 [C]0. 10 0. 15%, [P]彡0.015%,殘余元素含量符合設計要求，鋼水的出鋼溫度 1620-1640 0C ；(2)LF爐外精煉，精煉渣堿度3. 0-3. 5，白渣保持時間20 30分鐘；精煉后真空處理，用定氫儀進行過程氫的測定，氫含量不大于3ppm ；真空度小于67Pa， 保持時間12-15分鐘，VD后軟吹氬時間10-15分鐘；(3)澆注采用連鑄澆注鑄坯，連鑄中應采用電磁攪拌，控制中間包溫度1520-1535 °C，拉速 0. 9 1. lm/min,以保證鑄坯質量；(4)軋制對連鑄坯進行緩冷后軋制，為保證鋼的內部質量，軋制壓縮比> 30 ；控制加熱爐均熱 溫度1200-1240°C，加熱時間2. 5-3小時，開軋溫度1080-1120°C，終軋溫度850_1000°C ；制 得熱軋圓鋼。
4.如權利要求3所述的抽油桿鋼的制備方法，其特征在于，在煉鋼過程中采用鋼包和 中間包預熱烘烤有效降低鋼水的吸氫量。
5.如權利要求3所述的抽油桿鋼的制備方法，其特征在于，在煉鋼過程中，對保護套管 加熱和同一保護套管的反復使用，明顯降低鋼液的吸氫量。
全文摘要
本發明涉及一種多元合金化超高強度抽油桿鋼及其制造方法，抽油桿鋼的各個組分含量為(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，余為Fe和不可避免的雜質。本發明鋼綜合性能優異，具有較高的疲勞壽命，適用于重、超重負荷油井采油作業。
文檔編號C22C33/04GK101962737SQ20101029292
公開日2011年2月2日 申請日期2010年9月27日 優先權日2010年9月27日
發明者亓顯玲, 張利平, 戈文英, 時振明, 李業才, 李修峰, 李廣真, 梁娜, 王廣連, 王立君, 翟正龍, 趙德鋼 申請人:萊蕪鋼鐵股份有限公司