專利名稱：一種超高強度、高韌性的抽油桿用鋼及其生產工藝的制作方法
技術領域：
本發明涉及鋼鐵行業中的合金結構鋼，具體涉及超高強度、高韌性的抽油桿用鋼(35Mn2CrMoV)及其生產工藝。
背景技術：
目前采油井中機采井占總數的90%以上，而機采井中有桿泵采油方式又占90%以上，因此有桿泵采油方式已在我國的原油開采中占據了重要地位。抽油桿是有桿抽油設備的重要組成部件，它將抽油機的動力傳遞給井下抽油泵。在采油過程中，抽油桿柱承受不對稱循環載荷的作用，工作介質為井液(原油和礦層水)，大多井液含有腐蝕介質，因而抽油桿的主要失效形式為疲勞斷裂和腐蝕疲勞斷裂。抽油桿的疲勞強度和使用壽命決定和影響了整套抽油設備的最大泵深度和排量。當抽油桿發生斷裂后，還需要進行打撈、更換抽油桿的井場作業，這樣不但影響油井的原油產量，而且增加了油井作業費用，使采油成本上升。根據現場調查，每發生一次斷桿事故，油井作業費和減產原油折價之和為2 3萬元。因此石油開采業必然會促進鋼質抽油桿不斷向更高強度、高韌性發展。我國SY/T 5029標準中對鋼質抽油桿力學性能等級進行了劃分，其中HL級抽油桿具有最高的強度:抗拉強度Rm為965 1195MPa、伸長率δ 5彡12% (由A2tltl換算而得)、斷面收縮率Z彡45%ο目前國內普遍采用的35CrMo、42CrMo(YB/T 054)與專利CN101962737A公開的一種多元合金化超高強度抽油桿鋼，經調質處理之后，可以達到上述HL級強韌性要求，但這幾種鋼抗拉強度達到1130MPa已是極限，強度再進一步提升的空間有限。專利號CN101177763公開了一種超高強度非調質抽油桿用鋼，這種非調質鋼直接以熱軋態加工成抽油桿，即可達到HL級超高強度的要求。但由于以此類鋼加工成抽油桿過程中，桿頭、桿尾兩部分需進行加熱處理， 導致強度降低，與其余部分性能差異過大，容易因此發生斷桿事故。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種具備超高強度、高韌性的抽油桿用鋼，同時提供這種鋼的生產工藝，具備較SY/T 5029-2006標準中HL級抽油桿更高的強度與韌性。具有如下力學性能:抗拉強度Rm彡1200MPa、伸長率δ 5彡12%、斷面收縮率Z彡48%。本發明通過以下技術方案實現:
一種超高強度、高韌性的抽油桿用鋼，其特征在于，其化學成分質量百分比為:C:0.32-0.38%, S1:0.17-0.37%, Mn: 1.60-1.80%, Cr: 1.10-1.30%, Mo: 0.20-0.30%,V:0.20-0.30%, Al:0.015-0.035%,P ^ 0.020%, S S 0.010%，[O]彡 0.002%, [H]^ 0.0002%,余量為Fe。下面具體說明本發明超高強度、高韌性抽油桿用鋼化學成分的限定理由:
C:能顯著提高鋼的強度，同時又可以提高鋼的淬透性和淬硬性，但也使鋼的塑性惡化，顯著提高鋼的脆性轉變溫度。所以為保證本鋼種具備良好的強韌性配合，C含量取0.32-0.38%OS1:在鋼中能溶入鐵素體，能提高合金鋼的強度和硬度，降低鋼的塑性和韌性。其最低含量為0.17%才能達到效果，但過高的Si含量，特別是與Mn、Cr元素共存時，容易引起鋼的晶粒粗化，增加鋼的回火脆性，同時Si是顯著提高鋼的脆性轉變溫度元素之一。綜合材料的總體要求，本鋼種將Si含量確定為0.17-0.37%。Mn:在鋼中能溶入鐵素體，強化基體，在軋后冷卻時能細化珠光體且能相對提高珠光體含量，因此，能提高強度和硬度，顯著提高淬透性，改善熱處理性能，且對材料的塑性影響較小。當Mn含量低于1.8%時，隨著其含量增加，鋼材強度不斷增加，而對韌性不會有顯著危害。所以Mn含量確定為1.60-1.80%οCr:能顯著提高材料的淬透性，同時能提高鋼的硬度抗腐蝕、耐磨性和耐候性。Cr還有提高鋼的淬火及回火穩定性作用。綜合考慮，如果Cr低于1.10%材料淬透性達不到要求，同時材料抗腐蝕和耐磨性差，如果高于1.30%材料的塑性指標將受到影響，同時過高的Cr會形成氧化物夾雜，降低鋼的沖擊韌性，同時增加材料淬火變形，所以確定Cr含量為
1.10-1.30%οMo:具有提高鋼的淬透性、熱強性、抗腐蝕性與防止點蝕傾向等作用。含Mo的鋼在550°C 650°C之間回火時發生二次硬化，能顯著的提高回火硬度，且這種回火抗力隨著鋼中Mo含量增加而加強。但是當Mo含量高于0.30%時對鋼材低溫韌性產生不利影響，所以本發明確定Mo含量為0.20-0.30%。 V:少量的釩使鋼晶粒細化，韌性增大，對低溫鋼尤為有利，但釩量較高導致聚集的碳化物出現時，會降低強度，碳化物在晶內析出會降低室溫韌性。鋼中V含量每提高0.1%，抗拉強度可提高200MPa。為保證析出強化效果本鋼種設計V含量范圍0.20-0.30%。
Al:提高鋼的抗氧化性，降低鋼中氣體含量，提高鋼的耐磨性和疲勞強度，同時作為細化晶粒元素存在于鋼種，起到提高鋼的低溫性能和耐蝕性能的作用。但如果Al含量過高，容易形成硬的Al2O3夾雜，惡化鋼的沖擊韌性。所以本發明對Al含量界定了明確的成分控制范圍為0.015-0.035%。O:在室溫時對鋼的強度影響不大，但使鋼的伸長率和面縮率顯著的降低，在較低溫度和O含量極低時，材料的強度和塑性均隨O含量的增加而急劇降低。沖擊性能方面，隨著O含量的增加沖擊的最大值逐漸降低，脆性轉變溫度卻很快地升高，脆性轉變溫度的范圍也隨著變寬。同時，隨著O含量的增加，材料的氧化夾雜物幾率大大增加，從而降低材料的疲勞壽命。本發明及生產工藝可以將O含量控制在0.0020%以內。H:氫使鋼的塑性降低，主要是使低溫沖擊功、延伸率及斷面收收縮降低。氫在鋼中會產生“發紋”或形成應力區，在鋼進行鍛軋加工時發紋擴展而形成裂紋，使鋼的力學性能特別是塑性惡化，甚至斷裂，在鋼斷口上呈現“白點”。同時氫還會引起點狀偏析、氫脆，以及焊縫熱影響區內的裂縫等。因此，本發明及工藝將H控制在0.0002%以下。一種超高強度、高韌性的抽油桿用鋼的生產工藝，包括下列步驟:按權利要求1所述組分的質量百分比，
(I)LD轉爐冶煉:在90噸以上的頂底復吹式轉爐中冶煉，以鐵水與廢鋼為原料進行初煉，實現預脫P，出鋼加入合成精煉渣、復合脫氧劑及高純合金進行預脫氧及成分初調，采用擋渣留渣出鋼防止回P，所述精煉渣每噸鋼加入量為6 8kg，復合脫氧劑每噸鋼加入量為3 5kg ；
(2)LF精煉:在90噸以上的LF爐中進行鋼水深脫氧及合金化，造高堿度渣R彡3.0，強化脫S、去夾雜，精煉過程采用全程攪拌；
(3)RH真空脫氣:在LF精煉后采用RH循環脫氣設備進行真空脫氣和去除夾雜物處理，在高真空下保持25分鐘以上，保證[H] ( 0.0002%、[O] ( 0.0020%，所有成分進入要求的范圍；
(4)夾雜物變性與軟吹:真空處理之后喂絲線對夾雜物變性并進行軟吹處理，軟吹時間為25分鐘；
(5)CCM連鑄:采用連鑄機，使用結晶器保護渣，實行全程全保護澆鑄生產連鑄方坯；
(6)軋鋼與精整:利用中小棒材生產線生產Φ19 25_抽油桿用圓鋼；采用人工檢查精整工藝消除鋼材表面缺陷。本發明進一步改進方案是，所述步驟(5)采用6機6流連鑄機，澆鑄生產1 50mm X 150mm連鑄方還。按照本發明生產超高強度抽油桿用鋼(35Mn2CrMoV)，具有超高強度以及高韌性，材料經過整體調質后力學性能可以達到如下水平:抗拉強度Rm ^ 1200MPa、伸長率δ 5 ^ 12%、斷面收縮率Z ^ 48%ο國內本發明與現有技術相比，具有以下優點:
(O本發明通過使用Mo、V等常規合金元素進行合金化，使其性能具有較SY/T5029-2006標準與現有專利發明的超高強度抽油桿用鋼更高的強度與韌性，且其整體力學性能也更為均勻。`(2)使用含鋇合金進行強脫氧、專用合成精煉渣增強去除夾雜效果，利用RH真空設備進行脫氣處理，提高了材料的潔凈度，從而提高了材料的疲勞壽命。(3)本工藝采用LD+LF+RH+CCM工藝，保證較低的H、O以及有害殘余元素的含量，使得材料具有優異綜合力學性能。(4)本發明通過合理成分設計及先進的工藝滿足了深井、高負荷采油的要求，有效減少了抽油桿的斷裂次數，大大節約了成本。
具體實施例方式目前國內使用的超高強度抽油桿用鋼42CrMoA、專利鋼(專利公開號CN101962737A)與本發明的化學成分對比情況如下表I所示。表I化學成分對比wt%
權利要求
1.一種超高強度、高韌性的抽油桿用鋼，其特征在于:其化學成分質量百分比為:C:0.32-0.38%, S1: 0.17-0.37%, Mn: 1.60-1.80%, Cr: 1.10-1.30%, Mo: 0.20-0.30%,V:0.20-0.30%, Al:0.015-0.035%,P ^ 0.020%, S:彡 0.010%，[O]彡 0.002%, [H]^ 0.0002%,余量為Fe。
2.一種超高強度、高韌性的抽油桿用鋼的生產工藝，其特征在于包括下列步驟:按權利要求I所述組分的質量百分比， (1)轉爐冶煉:在90噸以上的頂底復吹式轉爐中冶煉，以鐵水與廢鋼為原料進行初煉，實現預脫P，出鋼加入合成精煉渣、復合脫氧劑及多種高純合金進行預脫氧及成分初調，采用擋渣留渣出鋼防止回P，所述精煉渣每噸鋼加入量為6 8kg，復合脫氧劑每噸鋼加入量為3 5kg ； (2)精煉:在90噸以上的LF爐中進行鋼水深脫氧及合金化，造高堿度渣R彡3.0，強化脫S、去夾雜，精煉過程采用全程攪拌； (3)真空脫氣:在LF精煉后采用RH循環脫氣設備進行真空脫氣和去除夾雜物處理，在高真空下保持25分鐘以上，保證[H] ( 0.0002%、[O] ( 0.0020%，所有成分進入要求的范圍； (4)夾雜物變性與軟吹:真空處理之后喂絲線對夾雜物變性并進行軟吹處理，軟吹時間為25分鐘； (5)連鑄:采用連鑄機，使用結晶器保護渣，實行全程全保護澆鑄生產連鑄方坯； (6)軋鋼與精整:利用中小棒材生產線生產Φ19 25_抽油桿用圓鋼；采用人工檢查精整工藝消除鋼材表面缺陷。
3.根據權利要求2所述 的生產工藝，其特征在于:所述步驟(5)采用6機6流連鑄機，澆鑄生產150mmX 150mm連鑄方坯。
全文摘要
本發明公開了一種超高強度、高韌性的抽油桿用鋼，其化學成分質量百分比為C:0.32-0.38%，Si:0.17-0.37%，Mn:1.60-1.80%，Cr:1.10-1.30%，Mo:0.20-0.30%，V:0.20-0.30%，Al0.015-0.035%，P≤0.020%，S≤0.010%，［O］≤0.002%，［H］≤0.0002%，余量為Fe。本發明采用在常規的轉爐中熔煉后，在精煉裝置中進行精煉，在精煉后期進行硅鈣鋇終脫氧，并在精煉后采用RH進行脫氣和去除夾雜物，鋼水經澆鑄成連鑄坯后軋成φ19～25mm圓鋼。本發明成分設計合理、工藝先進，與目前市場上供應的超高強度抽油桿用鋼相比具有更高的強度與韌性，抗拉強度Rm≥1200MPa、伸長率δ5≥12%、斷面收縮率Z≥48%，能有效減少高負荷環境下抽油桿的斷裂事故，顯著減少經濟損失。
文檔編號C22C38/38GK103233172SQ20131013759
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月19日 優先權日2013年4月19日
發明者王忠英, 孫大文, 翟萬里, 陳子坤, 袁敏 申請人:江蘇沙鋼集團淮鋼特鋼股份有限公司