專利名稱：一種超高強度、高韌性的抽油桿用鋼及其生產(chǎn)工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鋼鐵行業(yè)中的合金結(jié)構(gòu)鋼，具體涉及超高強度、高韌性的抽油桿用鋼(35Mn2CrMoV)及其生產(chǎn)工藝。
背景技術(shù)：
目前采油井中機采井占總數(shù)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(jù)了重要地位。抽油桿是有桿抽油設(shè)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(huán)載荷的作用，工作介質(zhì)為井液(原油和礦層水)，大多井液含有腐蝕介質(zhì)，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(shè)備的最大泵深度和排量。當(dāng)抽油桿發(fā)生斷裂后，還需要進行打撈、更換抽油桿的井場作業(yè)，這樣不但影響油井的原油產(chǎn)量，而且增加了油井作業(yè)費用，使采油成本上升。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，每發(fā)生一次斷桿事故，油井作業(yè)費和減產(chǎn)原油折價之和為2 3萬元。因此石油開采業(yè)必然會促進鋼質(zhì)抽油桿不斷向更高強度、高韌性發(fā)展。我國SY/T 5029標(biāo)準(zhǔn)中對鋼質(zhì)抽油桿力學(xué)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(nèi)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(jīng)調(diào)質(zhì)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(diào)質(zhì)抽油桿用鋼，這種非調(diào)質(zhì)鋼直接以熱軋態(tài)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(dǎo)致強度降低，與其余部分性能差異過大，容易因此發(fā)生斷桿事故。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)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(chǎn)工藝，具備較SY/T 5029-2006標(biāo)準(zhǔn)中HL級抽油桿更高的強度與韌性。具有如下力學(xué)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(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):
一種超高強度、高韌性的抽油桿用鋼，其特征在于，其化學(xué)成分質(zhì)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(fā)明超高強度、高韌性抽油桿用鋼化學(xué)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(xì)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(dāng)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(wěn)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(biāo)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(fā)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(dāng)Mo含量高于0.30%時對鋼材低溫韌性產(chǎn)生不利影響，所以本發(fā)明確定Mo含量為0.20-0.30%。 V:少量的釩使鋼晶粒細(xì)化，韌性增大，對低溫鋼尤為有利，但釩量較高導(dǎo)致聚集的碳化物出現(xiàn)時，會降低強度，碳化物在晶內(nèi)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(shè)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(xì)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(fā)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(zhuǎn)變溫度卻很快地升高，脆性轉(zhuǎn)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(fā)明及生產(chǎn)工藝可以將O含量控制在0.0020%以內(nèi)。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(chǎn)生“發(fā)紋”或形成應(yīng)力區(qū)，在鋼進行鍛軋加工時發(fā)紋擴展而形成裂紋，使鋼的力學(xué)性能特別是塑性惡化，甚至斷裂，在鋼斷口上呈現(xiàn)“白點”。同時氫還會引起點狀偏析、氫脆，以及焊縫熱影響區(qū)內(nèi)的裂縫等。因此，本發(fā)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(chǎn)工藝，包括下列步驟:按權(quán)利要求1所述組分的質(zhì)量百分比，
(I)LD轉(zhuǎn)爐冶煉:在90噸以上的頂?shù)讖?fù)吹式轉(zhuǎn)爐中冶煉，以鐵水與廢鋼為原料進行初煉，實現(xiàn)預(yù)脫P，出鋼加入合成精煉渣、復(fù)合脫氧劑及高純合金進行預(yù)脫氧及成分初調(diào)，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(fù)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(huán)脫氣設(shè)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(jié)晶器保護渣，實行全程全保護澆鑄生產(chǎn)連鑄方坯；
(6)軋鋼與精整:利用中小棒材生產(chǎn)線生產(chǎn)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(fā)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(chǎn)1 50mm X 150mm連鑄方還。按照本發(fā)明生產(chǎn)超高強度抽油桿用鋼(35Mn2CrMoV)，具有超高強度以及高韌性，材料經(jīng)過整體調(diào)質(zhì)后力學(xué)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(nèi)本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點:
(O本發(fā)明通過使用Mo、V等常規(guī)合金元素進行合金化，使其性能具有較SY/T5029-2006標(biāo)準(zhǔn)與現(xiàn)有專利發(fā)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(xué)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(shè)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(yōu)異綜合力學(xué)性能。(4)本發(fā)明通過合理成分設(shè)計及先進的工藝滿足了深井、高負(fù)荷采油的要求，有效減少了抽油桿的斷裂次數(shù)，大大節(jié)約了成本。
具體實施例方式目前國內(nèi)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(fā)明的化學(xué)成分對比情況如下表I所示。表I化學(xué)成分對比wt%
權(quán)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(xué)成分質(zhì)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(chǎn)工藝，其特征在于包括下列步驟:按權(quán)利要求I所述組分的質(zhì)量百分比， (1)轉(zhuǎn)爐冶煉:在90噸以上的頂?shù)讖?fù)吹式轉(zhuǎn)爐中冶煉，以鐵水與廢鋼為原料進行初煉，實現(xiàn)預(yù)脫P，出鋼加入合成精煉渣、復(fù)合脫氧劑及多種高純合金進行預(yù)脫氧及成分初調(diào)，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(fù)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(huán)脫氣設(shè)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(jié)晶器保護渣，實行全程全保護澆鑄生產(chǎn)連鑄方坯； (6)軋鋼與精整:利用中小棒材生產(chǎn)線生產(chǎn)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(jù)權(quán)利要求2所述 的生產(chǎn)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(chǎn)150mmX 150mm連鑄方坯。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種超高強度、高韌性的抽油桿用鋼，其化學(xué)成分質(zhì)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(fā)明采用在常規(guī)的轉(zhuǎn)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(jīng)澆鑄成連鑄坯后軋成φ19～25mm圓鋼。本發(fā)明成分設(shè)計合理、工藝先進，與目前市場上供應(yīng)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(fù)荷環(huán)境下抽油桿的斷裂事故，顯著減少經(jīng)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(yōu)先權(quán)日2013年4月19日
發(fā)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