一种钻具用钢以及冶炼钻具用钢的方法

摘要

本发明公开了一种钻具用钢以及冶炼钻具用钢的方法，其中，以所述钻具用钢的总重量为基准，以元素计，C含量为0.4-0.49重量％、Si含量为0.15-0.37％、Mn含量为1-1.3重量％、Cr含量为1-1.3重量％、Mo含量为0.2-0.3重量％、Al含量为0.02-0.04重量％、Ni含量为0.25-0.5重量％、P含量≤0.015重量％、S含量≤0.015重量％、Cu含量≤0.2重量％、Sn含量≤0.05重量％、As含量≤0.05重量％、H含量≤0.0002重量％、N含量≤0.009重量％，余量为铁；该钻具用钢中的T[O]含量为≤0.002重量％。通过本发明提供的钻具用钢制备方法制备的钻具用钢的强度和塑韧性高于现有技术提供的钻具用钢的强度和塑韧性，从而在不大幅度增加钢材生产成本的前提下，提供具有高强度、高韧性及良好的抗疲劳性能的钻具用钢。

说明书

技术领域

本发明涉及一种钻具用钢以及冶炼钻具用钢的方法，具体地，涉及一种具 有高强度、高韧性的钻具用钢以及冶炼钻具用钢的方法。

背景技术

钻具是钻探施工时用在钻孔内的整根钻探管材柱及其接头的总称(不包括护 孔用套管)。钻具由主动钻杆、钻铤、岩心管以及底端的扩孔器和钻头组成，必 要时还在岩心管上部加接沉淀管或钻铤。钻具的功用主要是在钻探岩层过程中 给钻头传递钻头压力和回转扭矩，并向孔底输送钻孔冲洗液，收取岩矿心。随 着石油、天然气开采向深井、超深井(钻井深度达6000米以上)定向钻井发展 以及高压喷射强化钻井新工艺的运用，钻井作业对钻具的质量要求更加严格， 需要具有高强度、高韧性及良好的抗疲劳性能的钻具材料。

目前，世界各国多采用具有一定淬透性的合金结构钢制造钻铤。以美国为 代表，ASTM A304-2005标准规定的代表性钢种主要是AISI4145H，中国及其他 国家均仿照美国标准生产钻铤用钢，我国开发的替代进口的钢种是45CrMnMo， 钢的成分和性能与AISI4145H接近，主要用于制造Ф121、Ф146、Ф159、Ф165、 Ф178、Ф203等大规格钻铤。生产工艺方面，国内外基本上采用电炉或转炉冶炼 +炉外精炼(主要是RH、VD等)+模铸或连铸+开坯+轧制(或锻造)圆钢+退 火、矫直的工艺生产石油钻具用钢，也有采用无缝钢管制造钻铤的，但是因管 壁太厚(60mm左右)，轧制钢管时壁厚不均匀的问题没有得到解决，加之成本 高，未能得到推广。

美国ASTM A304-2005标准规定AISI4145H钻具用钢的化学成分：C含量 为0.42-0.49重量％、Si含量为0.15-0.30重量％、Mn含量为0.75-1.20重量％、 Cr含量为0.75-1.20重量％、Mo含量为0.15-0.25重量％、P含量≤0.035重量％、 S含量≤0.035重量％、Cu含量≤0.20重量％。而我国45CrMnMo钢的成分为： C含量为0.41-0.49重量％、Si含量为0.15-0.35重量％、Mn含量为1.00-1.30重 量％、Cr含量为1.00-1.30重量％、Mo含量为0.25-0.35重量％、P含量≤0.035 重量％、S含量≤0.035重量％、Cu含量≤0.20重量％、Ni含量≤0.25重量％。

目前，随着石油工业和天然气开采业的快速发展，在不增加生产成本的前 提下，要求大幅度提高钻铤的使用寿命，必然对钻具用钢的强度和塑韧性提出 了更高的要求，即抗拉强度大于1000兆帕，屈服强度大于880兆帕，伸长率大 于17％，冲击功Akv大于80焦耳。实际生产中采用美国标准生产的AISI4145H 钻具用钢，钢的抗拉强度为980兆帕-1100兆帕，屈服强度为820兆帕-980兆帕， 伸长率为13-19％，冲击功Akv为55焦耳-80焦耳。可见，其抗拉强度和屈服强 度勉强满足要求，但是伸长率和冲击功仍有较大的差距。而采用我国标准生产 的45CrMnMo钻具用钢，强度较高，但是塑韧性(指钢的塑性和韧性，包括延 伸率、断面收缩率及冲击韧性等)波动大，控制不好就不能满足要求，其钢的 抗拉强度为980兆帕-1200兆帕，屈服强度为870兆帕-1050兆帕，伸长率为 15-20％，冲击功AkV为55焦耳-100焦耳。

要提高钻具用钢的强度，最简单的方法是提高钢中C、Si、Mn、Cr、Mo 等合金元素的含量，但是钢的强度提高了，而塑韧性降低，更难满足高韧性的 要求。目前，生产的钻具用钢强度与塑韧性的匹配不好，表现在钢的强度高， 延伸率和冲击韧性偏低，例如，《特殊钢》杂志(2002年8月，第23卷第4期， 第47-48页)报道了4145H石油钻铤管的生产，将C含量控制在0.44-0.46重量 ％，Si含量0.21-0.34重量％，Mn含量0.93-1.11重量％、Cr含量0.92-1.14重量 ％、Mo含量0.17-0.24重量％，经过轧制钢管较大的变形后，调质处理钢的抗拉 强度高达1000兆帕以上，但是其平均伸长率仅为16％，平均冲击功AkV仅为 70焦耳。

《上海钢研》杂志(2004年第4期，第34-38页)报道了AISI4145H钻铤 用钢的研制情况，按照美国标准规定的成分，采用电炉、VD真空脱气及模铸工 艺生产钻具用钢，调质处理后钢的抗拉强度为990兆帕-1210兆帕，屈服强度为 855兆帕-1080兆帕，伸长率为16-22％，冲击功AkV为72焦耳-110焦耳，但是 其采用模铸工艺生产，生产效率低，生产成本高。

《大型铸锻件》杂志(2008年1月，第1期，第36-37页)报道了石油钻 杆用ASTM4145H的生产试制，将C含量控制在0.44-0.47重量％，Si含量为 0.22-0.26重量％，Mn含量为0.94-0.98重量％、Cr含量为0.80-0.83重量％、Mo 含量为0.15-0.16重量％，采用电炉、VD真空脱气、模铸、锻造工艺生产，调质 处理后钢的抗拉强度仅为925兆帕-1010兆帕，屈服强度仅为710兆帕-845兆帕， 钢的强度偏低，且采用模铸工艺生产，生产效率低，生产成本高。

《机械工程与自动化》杂志(2007年8月，总第143期第4期，第84-86 页)报道了冶炼工艺对AISI4145H钻铤用钢冲击功的影响，主要是降低钢中杂 质含量，尤其是MnS夹杂的数量及形态控制，能有效提高钢的冲击性能，未对 钢的强度进行研究。

《大型铸锻件》杂志(2007年10月，第6期，第42-43页)报道了ASTM4145H 钢冲击功偏低的原因分析，将C含量控制在0.47-0.49重量％，Si含量为0.22-0.29 重量％，Mn含量为1.06-1.13重量％、Cr含量为1.10-1.18重量％、Mo含量为 0.25-0.39重量％，调质处理后钢的抗拉强度为1050兆帕-1090兆帕，屈服强度 为900兆帕-980兆帕，伸长率为17-19％，但是冲击功AKV仅为22焦耳-74焦 耳，去掉因Sn偏高造成冲击功偏低的炉次，最大冲击功也仅达到70焦耳-74焦 耳，钢的强度高，但是塑韧性低。

《理化检验-物理分册》杂志(1998年1月，第34卷第1期，第22-24页) 报道了国产4145H钢性能的改善，将C含量控制在0.42-0.46重量％，Si含量为 0.27-0.35重量％，Mn含量为1.01-1.11重量％、Cr含量为1.03-1.08重量％、Mo 含量为0.26-0.30重量％，调质处理后钢的抗拉强度为992兆帕-1057兆帕，屈服 强度为827兆帕-910兆帕，伸长率为20.7-23％，冲击功AKV为71焦耳-90焦 耳，由于Mo含量较高，钢的生产成本高，且强韧性不匹配。

《钢铁钒钛》杂志(1995年6月，第16卷第2期，第22-29页)报道了 45CrMnMo石油钻具用钢的实验室研究情况，将C含量控制在0.40％-0.52％， Si0.20％-0.46％，Mn1.03％-1.26％、Cr0.95％-1.47％、Mo0.25％-0.36％，调质处理 后钢的抗拉强度为1187兆帕-1325兆帕，屈服强度为1073兆帕-1298兆帕，伸 长率为12％-16％，冲击功AKV为32焦耳-52.3焦耳，经过热处理工艺的调整， 钢的抗拉强度为905兆帕-1090兆帕，屈服强度为885兆帕-965兆帕，伸长率为 14％-20％，冲击功AKV为58焦耳-97焦耳，该研究钢的强度很高，但是塑韧性 很低，且Mo含量高，大大增加了钢的生产成本。

CN101011707公开了一种钻铤用厚壁无缝钢管的制作工艺，该工艺包括有 以下步骤：①管坯准备、②缩径穿孔、③缩径轧管、④定径、⑤超声波探伤、 ⑥几何尺寸精度至成品入库。该发明的效果是省去了管坯的退火工序、管坯镗 孔的工序，加工企业节省了建设加工厂房和购置深孔镗床的资金，更重要的是 可以使生产效率成倍增加，使得加工企业的产量和效益大幅增加。另外因采用 该工艺生产的钢管用料，也保证了加工企业钻铤质量的稳定性。对于加工企业 来说，使用热轧钻铤管可以极大地提高产量和质量，但是未涉及钢的成分、性 能等内容。

CN101550516A公开了一种转炉冶炼45CrMnMo钢的方法，主要是钢的冶 炼、脱氧、合金化、精炼等，目的是提高生产效率和合金收得率，未涉及钢的 具体成分控制和提高力学性能的要求。

CN1100176A及CN101311290A公开的是两种高强度无磁钻具用钢，经过 大变形锻造后的钢具有优良的塑韧性，但是它们属于低碳不锈钢系列。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的钻具用钢不能兼顾较高的强度 和较好的塑韧性的问题，在不大幅增加钢材生产成本的条件下，能够解决钻具 用钢塑韧性偏低问题，而提供一种具有较高强度、较高韧性的钻具用钢及其制 备方法。

本发明提供了一种钻具用钢，其中，以所述钻具用钢的总重量为基准，以 元素计，C含量为0.4-0.49重量％、Si含量为0.15-0.37重量％、Mn含量为1-1.3 重量％、Cr含量为1-1.3重量％、Mo含量为0.2-0.3重量％、Al含量为0.02-0.04 重量％、Ni含量为0.25-0.5重量％、P含量≤0.015重量％、S含量≤0.015重量 ％、Cu含量≤0.2重量％、Sn含量≤0.05重量％、As含量≤0.05重量％、H含量 ≤0.0002重量％、N含量≤0.009重量％，T[O]含量为≤0.002重量％，余量为铁。

本发明还提供一种冶炼钻具用钢的方法，其中，该方法包括冶炼钢水，所 述冶炼钢水的方法为下述方法中的至少一种：

方法(1)将脱硫铁水进行初炼，将初炼得到的钢水出钢到钢包中，并在出 钢过程中对初炼得到的钢水进行预脱氧合金化，并将预脱氧合金化后的钢水进 行炉外精炼；

所述预脱氧合金化的方法包括向钢水中加入脱氧剂，所述脱氧剂的加入量 使得钢水中的活度氧含量为≤0.003重量％；并加入碳质材料、硅铁合金、金属 锰、铬铁合金、钼铁合金和金属镍：各物质的加入量使得以得到的预脱氧合金 化的钢水总重量为基准，C含量为0.35-0.40重量％、Si含量为0.17-0.30重量％、 Mn含量为1.00-1.10重量％、Cr含量为1.05-1.15重量％、Mo含量为0.20-0.25 重量％、Ni含量为0.30-0.50重量％；

所述炉外精炼在真空条件下进行，将预脱氧合金化的钢水进行合金微调， 使得该步骤获得的钢水中各成分的含量处于本发明所述的钻具用钢的范围；

方法(2)在真空条件下，将废钢进行熔炼，所述熔炼的方法包括将废钢熔 炼得到钢水，并将钢水进行脱氧合金化，所述脱氧合金化的方法包括向钢水中 加入脱氧剂，所述脱氧剂的加入量使得钢水中的T[O]含量为≤0.002重量％；然 后加入碳质材料、硅铁合金、金属锰、铬铁合金、钼铁合金和金属镍：各物质 的加入量使以得到的钢水总重量为基准，钢水中各成分的含量处于本发明所述 的钻具用钢的范围。

本发明的方法能够保证制备的钻具用钢含有一定的C、Si、Mn、Cr、Mo 等合金元素含量，并含有一定含量的Ni元素，来细化钢的晶粒，采用本方法生 产的钢材具备较高的强度，同时具有较高的塑韧性。本发明的钻具用钢的抗拉 强度可以达到1100-1230兆帕，屈服强度可以达到980-1100兆帕，伸长率A可 以达到17-19％，抗冲击功可以达到110-125焦耳/平方厘米，所述冲击功是在常 温下产生“V”型缺口冲击时所需要的功。本发明提供的钻具用钢的强度和塑韧 性高于现有技术提供的钻具用钢的强度和塑韧性，从而在不大幅度增加钢材生 产成本的前提下，实现了提高钻具钢强度和韧性的目的。

具体实施方式

本说明书中所用术语“碱度”指精炼渣中碱性氧化物CaO的重量浓度与酸 性氧化物SiO₂的重量浓度之比。

本说明书中所用的术语“氧活度”指溶解于终点钢水中的氧分子的重量浓 度(自由氧浓度)，单位为重量％。

本说明书中所述术语“总氧含量(T[O])”包括钢液中活度氧含量和夹杂物 中氧含量。

所述活度氧含量和钢中T[O]的测定方法为本领域技术人员所公知，例如： 采用TC600氧氮分析仪进行测定。

此外，通常情况下，在预合金化时使得钢水中各组分含量调整为钢种成分 要求的中限和下限之间，至少达到下限；以及，在真空精炼的合金微调时，使 得钢水中各组分含量调整为钢种成分要求的中限；其中，所述“中限”和“下 限”指以每种钢种计划所要求的各成分含量的“中限”或“下限”为基准上下 波动5-10重量％之内的范围。

按照本发明提供的钻具用钢，以所述钻具用钢的总重量为基准，以元素计， C含量为0.4-0.49重量％、Si含量为0.15-0.37重量％、Mn含量为1-1.3重量％、 Cr含量为1-1.3重量％、Mo含量为0.2-0.3重量％、Al含量为0.02-0.04重量％、 Ni含量为0.25-0.50重量％、P含量≤0.015重量％、S含量≤0.015重量％、Cu 含量≤0.2重量％、Sn含量≤0.05重量％、As含量≤0.05重量％、H含量≤0.0002 重量％、N含量≤0.009重量％，T[O]含量为≤0.002重量％，余量为铁。

作为一种优选的实施方式，在本发明的钻具用钢中，以该钻具用钢总重量 为基准，以元素计，C含量为0.43-0.47重量％、Si含量为0.20-0.30重量％、Mn 含量为1.05-1.2重量％、Cr含量为1.05-1.2重量％、Mo含量为0.20-0.25重量％、 Ni含量为0.30-0.50重量％、Al含量为0.02-0.04重量％、P含量≤0.015重量％、 S含量≤0.015重量％、Cu含量≤0.20重量％、Sn含量≤0.05重量％、As含量≤0.05 重量％、H含量≤0.0002重量％、N含量≤0.009重量％、T[O]含≤0.0020重量％。

根据本发明，还提供一种冶炼钻具用钢的方法，其中，该方法包括冶炼钢 水，所述冶炼钢水的方法为下述方法中的至少一种：

方法(1)将脱硫铁水进行初炼，将初炼得到的钢水出钢到钢包中，并在出 钢过程中对初炼得到的钢水进行预脱氧合金化，并将预脱氧合金化后的钢水进 行炉外精炼；

所述预脱氧合金化的方法包括向钢水中加入脱氧剂，所述脱氧剂的加入量 使得钢水中的活度氧含量为≤0.003重量％；并加入碳质材料、硅铁合金、金属 锰、铬铁合金、钼铁合金和金属镍：各物质的加入量使得以得到的预脱氧合金 化的钢水总重量为基准，C含量为0.35-0.40重量％、Si含量为0.17-0.30重量％、 Mn含量为1.00-1.10重量％、Cr含量为1.05-1.15重量％、Mo含量为0.20-0.25 重量％、Ni含量为0.30-0.50重量％；

所述炉外精炼在真空条件下进行，将预脱氧合金化的钢水进行合金微调， 使得该步骤获得的钢水中各成分的含量处于本发明所述的钻具用钢的范围；

方法(2)在真空条件下，将废钢进行熔炼，所述熔炼的方法包括将废钢熔 炼得到钢水，并将钢水进行脱氧合金化，所述脱氧合金化的方法包括向钢水中 加入脱氧剂，所述脱氧剂的加入量使得钢水中的T[O]含量为≤0.002重量％；然 后加入碳质材料、硅铁合金、金属锰、铬铁合金、钼铁合金和金属镍：各物质 的加入量使以得到的钢水总重量为基准，钢水中各成分的含量处于本发明所述 的钻具用钢的范围。

需要说明的是，下述方法1)中，所述/吨钢水，或者以钢水的总重量为基 准中所述的钢水指的是初炼终点得到的钢水。

下述方法2)中，所述/吨钢水，或者以钢水的总重量为基准中所述的钢水 指的是将废钢加热熔炼后得到的钢水。

根据本发明，所述方法1)中，将脱硫铁水进行初炼的方法可以采用本领域 技术人员公知的方法进行，例如，转炉吹炼。所述吹炼是向铁水中通入氧气使 铁水中的一些杂质，如碳、磷、硅氧化的过程。为了控制钢水的氧化程度，降 低钢水中的含氧量，应对吹炼终点进行控制，以吹炼步骤中初炼得到的钢水的 总重量为基准，所述吹炼终点的钢水C含量控制在0.05-0.20重量％时，停止吹 炼。为了使钢水中P含量≤0.015重量％、S含量≤0.015重量％，可以采用脱硫、 脱磷后的铁水进行吹炼。初炼后的出钢温度可以为不小于1670℃；优选 1670-1700℃。

优选地，所述吹炼可以采用转炉顶底复合吹炼，即为顶吹氧气、底吹保护 气体，顶吹氧气的量为20000-30000标准立方米/小时，优选，顶吹氧气的量为 23000-25000标准立方米/小时；供氧强度是2.5-3.7Nm³/吨钢水·min，优选供氧 强度是2.5-3.0Nm³/吨钢水·min；底吹保护气体的供气强度为0.015-0.045Nm³/ 吨钢水·min。例如，可以在吹炼前期底吹不活泼气体(例如氮气)，在吹炼后 期切换为底吹惰性气体(例如氩气)。另外，所述转炉顶底复合吹炼还包括出钢 后底吹6-10min氩气，强度为0.1-3Nm³/吨钢水·min，以强化出钢前的终点前搅 拌，从而进一步降低出钢钢水的含氧量。所述保护气体为惰性气体和/或氮气。

根据本发明，所述方法1)中，在出钢过程中，通过向钢水中加入脱氧剂进 行预脱氧，以降低钢水中的含氧量，例如，使得钢水的活度氧含量为不大于0.0030 重量％。由于预脱氧是在出钢过程中进行，预脱氧形成的Al₂O₃有足够的时间上 浮到钢水表面，易于除去。所述脱氧剂的加入量可以为本领域的常规加入量， 所述脱氧剂的加入量优选为1.5-4.0千克/吨钢水；更优选地为2.0-3.5千克/吨钢 水。所述脱氧剂可以为本领域常规的脱氧剂，优选为金属铝、铝铁或其他复合 脱氧剂，所述复合脱氧剂可以为硅钙钡脱氧剂、铝锰铁脱氧剂中的一种或多种； 更优选铝。

根据本发明，在出钢过程中，通过向钢水中加入碳质材料调节所述钢水中 的含碳量，其中，所述碳质材料可以在脱氧剂之前加入，也可以在脱氧剂之后 加入，优选在加入脱氧剂后加入碳质材料。本发明对所述碳质材料没有特别的 限制，可以是本领域常用的各种碳质材料，优选，所述碳质材料为选自沥青焦、 无烟煤和碳粉中的一种或几种；更优选，无烟煤。所述碳质材料的加入量可以 为本领域的常规加入量，例如，相对于每吨初炼得到的钢水，所述碳质材料的 用量为2.0-5.8千克，更优选为2.5-3.3千克。

根据本发明，在出钢过程中，通过向钢水中加入硅铁合金(Fe-Si)、金属锰 (Mn)、铬铁合金(Fe-Cr)、钼铁合金(Fe-Mo)和金属镍，如镍板(镍含量为 99.9重量％)进行合金化以调节钢水中的Si、Mn、Cr、Mo和Ni的含量使其满 足钻具用钢的成分要求。其中，所述碳质材料与Fe-Si、Mn、Fe-Cr、Fe-Mo和 Ni可以同时加入，优选在加入脱氧剂和碳质材料后加入Fe-Si、Fe-Mn-Si、Fe-Cr、 Fe-Mo和Ni。

在出钢过程中进行预脱氧合金化优选是在出钢1/3-3/4(即出钢到钢包中的 钢水的量为总出钢量的1/3-1/4)时进行的。

根据本发明，所述方法1)中，所述炉外精炼可以是能实现本发明目的的各 种公知的炉外精炼方法，优选为真空循环脱气法(RH)。所述炉外精炼过程中的 其它操作和流程均可以采用本领域常规的方法进行。在所述炉外精炼时，所述 真空条件的真空度为本领域常规的真空度，优选为不大于500帕，更优选为不 大于300帕，以降低钢水中的H和O的含量。所述真空度为相对的真空度，即 一个标准大气压与绝对压力的差值。按照本发明，所述精炼的开始温度可以为 1590-1620℃，精炼的时间可以为12-20分钟。

所述真空精炼过程中还可以包括合金微调及进一步使钢液中氢气、氧气上 浮，去除夹杂的步骤，所述合金微调的方法包括加入脱氧剂、碳质材料、硅铁 合金、金属锰、铬铁合金、钼铁合金和金属镍等合金以将钢水中各成分调至钻 具钢中各组分的中限左右。

通过控制真空度和精炼的时间，使H和N的含量处于本发明提供的钻具用 钢的范围；通过控制真空度和精炼的时间以及脱氧剂的添加量使O的含量处于 本发明提供的钻具用钢的范围。在进入RH真空精炼炉之前，还优选，对钢水进 行调温处理，以进一步利于后续的精炼，例如，可以将钢水送到LF炉进行调 温处理到1600-1640℃。

按照本发明，所述脱硫铁水的组成中碳含量和硫含量分别为C≥0.33％，S ≤0.015％。

根据本发明，该方法还包括将冶炼得到的钢水进行浇铸，所述连铸的方法 可以采用本领域常规的方法进行，例如，在保护气体气氛和保护渣的存在下， 在1505-1530℃，将精炼得到的钢水注入中间包并将钢水从中间包浇注到结晶器 中以被连续拉动和冷却，并将浇铸得到的钢铸坯进行轧制，所述轧制的方法包 括在轧制前，将浇铸后得到的钢铸坯加热至1270-1300℃，并在1240-1270℃下 保温1.5-2.0小时。经结晶器冷却，使钢水表面凝成硬壳，将该具有硬壳的钢水 从结晶器的出口连续拉出，使其在二次冷却区和拉矫区冷却而全部凝固，在拉 矫区的出口得到连铸坯。所述浇铸的方法包括将钢水注入连铸中间包，并从连 铸中间包中将钢水注入连铸机中进行浇注；连铸中间包中的钢水表面覆盖有碱 度为≥5的保护渣；使钢水洁净度达到T[O]含量为≤0.002重量％。在浇注钢水 过程中和钢坯被连续拉动、冷却过程中，对钢水和钢坯提供惰性气体保护以防 止钢水或钢坯二次氧化。

按照本发明，所述保护渣的种类可以为本领域常规的保护渣，例如，所述 保护渣含有CaO、Al₂O₃和CaF₂，且含或不含SiO₂和MgO，以保护渣的总重量 为基准，所述CaO的含量为45-65重量％，所述Al₂O₃的含量为25-45重量％， 所述SiO₂的含量为0-10重量％，所述MgO的含量为0-5重量％，所述CaF₂的 含量为5-10重量％。按照本发明，向连铸中间包中的钢水表面加入保护渣的方 法可以采用下述方法进行：在中间包开浇第一炉中间包中钢水液位不低于800 毫米时一次性加入。所述保护渣的加入量的可调节范围较宽，只要保证所述保 护渣的碱度为≥5即可，优选情况下，所述保护渣的用量为0.2-0.5千克/吨钢水， 优选为0.3-0.4千克/吨钢。

根据本发明，在所述方法2)中，优选地，所述熔炼可以采用真空感应炉， 在真空感应炉中进行真空熔炼的条件包括：压力≤600帕，优选为≤500帕；温 度为1600-1640℃，时间为40-80min。所述熔炼的方法为将废钢在真空感应炉中 加热熔解得到所述钢水，因此，优选情况下，为了控制本发明的钻具用钢中各 成分的含量，以废钢的总重量计，选取C含量＜0.40重量％、Si含量＜0.20重 量％、Mn含量＜1.0重量％、Cr含量＜1.0重量％、Mo含量＜0.20重量％、Ni 含量＜0.30重量％、P含量≤0.015重量％、S含量≤0.010重量％、Cu含量＜0.2 重量％、As含量＜0.05重量％、Sn含量＜0.05重量％，余量为铁的废钢。

根据本发明，在所述方法2)中，所述脱氧合金化直接在所述真空感应炉中 进行。即，炉内废钢完全熔融后，向钢水中加入脱氧剂、碳质材料、硅铁合金、 金属锰、铬铁合金、钼铁合金和金属镍，各物质的加入量以所述钢水总重量为 基准，使得该步骤获得的钢水中各成分的含量处于本发明所述的钻具用钢的各 成分的含量范围。

根据本发明，在所述方法2)中，利用真空感应炉钢水中的各成分就可以直 接调到要求的范围，无需进一步进行炉外精炼。在该方法中所使用的脱氧剂、 碳质材料的种类以可以与方法1)中的相同，在此不再赘述。在所述方法2)中， 所述脱氧剂的加入量可以为本领域的常规加入量，相对于每吨初炼得到的钢水， 所述脱氧剂的用量为1.0-3.0千克；更优选地为1.0-1.5千克。在所述方法2)中， 相对于每吨初炼得到的钢水，所述碳质材料的用量为2.0-4.0千克，更优选为 2.5-3.5千克。通过向钢水中加入硅铁合金(Fe-Si)、金属锰(Mn)、铬铁合金 (Fe-Cr)、钼铁合金(Fe-Mo)和金属镍，如镍板(镍含量为99.9重量％)进行 合金化以调节钢水中的Si、Mn、Cr、Mo和Ni的含量使其满足钻具用钢的成分 要求。

根据本发明，在所述方法2)中，脱氧合金化后的钢水在保护渣的存在下， 直接浇铸到钢锭模中，浇铸时可以控制钢水过热度为30-60℃，钢水的温度为 1530-1550℃。浇铸后，可以按照常规方法进行冷却，如在室温下自然冷却。

本发明提供的方法还包括将浇铸得到的钢坯或钢锭进行轧制或锻造，本发 明的轧制或锻造可以按照常规的方法进行；作为一种优选的实施方式，所述轧 制的方法包括在温度为1270-1300℃下进行加热，并在1240-1270℃下保温1.5-2.0 小时出炉，按不小于4：1的锻压比将钢坯轧制成圆钢，且终锻温度为900℃以 上，更优选为900-1150℃。钢坯轧制后，采用常规的方法冷却即可，如采用堆 垛空冷方式冷却。

下面结合实施例对本发明进行详细说明。

各实施例控制的具体数值如表1所示。

下述实施例中所用的中间包保护渣的组成与实施方式中的一样。方法1和 方法2的保护渣成分基本一样。

实施例1

本实施例用于说明通过方法1)冶炼的钻具用钢的性能。

(1)吹炼以及出钢

将脱硫后的铁水倒入氧气顶吹转炉进行吹炼，顶吹氧气供氧量为22700标 准立方米/小时(供氧强度是2.8Nm³/吨钢水·min)，吹炼28分钟，以钢水总重 量为基准，吹炼终点控制为C含量0.08重量％、P含量0.008重量％、S含量0.007 重量％，并将吹炼得到的钢水出钢到钢包中，出钢温度为1700℃。

出钢时，相对于每吨钢水，先加入脱氧剂铝铁(Al含量≥40重量％，安阳 市恒旺冶金耐材有限公司)3.0千克，所述脱氧剂的加入量使得钢水中的活度氧 ≤0.003重量％，出钢三分之一后，相对于每吨钢水，依次加入无烟煤(C含量 ≥93重量％，攀枝花阳城冶金辅料有限公司)3.3千克、Fe-Si(Si含量为74重 量％，安阳市恒旺冶金耐材有限公司)2.3千克、金属锰(Mn含量≥99.5重量％， 攀枝花攀宏冶金制品有限公司)4.5千克、Fe-Cr(Cr含量为63重量％，攀枝花 攀宏冶金制品有限公司)15.1千克、Fe-Mo(Mo含量为60重量％，攀枝花攀宏 冶金制品有限公司)4.3千克、镍板(Ni含量为≥99.9重量％)3.0千克，进行C、 Si、Mn、Cr、Mo、Ni元素的合金化(各实施例控制的具体数值如表1所示)。

(2)炉外精炼

将合金化后的钢水送到LF炉进行调温处理到1600℃，然后送到RH真 空装置进行真空处理，精炼开始钢水温度为1590℃，真空度控制在300帕，钢 水真空处理5分钟后，补加Al粒，Al粒的加入量使得钢水中的T[O]含量为≤ 0.002重量％，然后加入无烟煤、Fe-Si、Fe-Mn、Fe-Cr、Fe-Mo和Ni板等对 钢水成分进行微调，使钢中各组分达到钻具钢的要求的钢中成分的中限左 右。钢水真空处理总时间为20分钟，精炼结束后钢水温度为1555℃。

(3)浇铸

将精炼后的钢水从中间包浇注到结晶器中以被连续拉动和冷却，以进行浇 铸得到铸坯，浇铸在氩气氛围中进行，浇铸过程中在中间包上添加保护渣进行 保护浇铸，钢水平均浇铸温度控制在1505℃。

(4)钢坯轧制

采用推钢式加热炉将得到的钢铸坯加热到1270℃，然后在1240℃下保温2 小时后将铸坯进行轧制，终锻温度控制在900℃。轧制后采用堆垛空冷方式进行 冷却室温。

各成分的检测方法分别为碳素钢和中低合金钢火花源原子发射光谱分析方 法，国家标准为GB/T4336，检测结果如表1所示。氧、氮含量的检测方法为脉 冲加热惰气熔融-红外线吸收法，国家标准为GB/T11261。检测结果如表3所 示。

实施例2

本实施例用于说明通过方法1)冶炼的钻具用钢的性能。

与实施例1相同的方法制备钻具用钢，不同的是：

(1)吹炼以及出钢

将脱硫后的铁水倒入氧气顶吹转炉进行吹炼，顶吹氧气供氧量为20000标 准立方米/小时(供氧强度是2.5Nm³/吨钢水·min)，吹炼20分钟，以钢水总重 量为基准，吹炼终点控制为C含量0.19重量％、P含量0.013重量％、S含量0.010 重量％，并将吹炼得到的钢水出钢到钢包中，出钢温度为1670℃。

出钢时，相对于每吨钢水，先加入脱氧剂铝铁(Al含量≥40重量％，安阳 市恒旺冶金耐材有限公司)2.6千克，所述脱氧剂的加入量使得钢水中的活度氧 ≤0.003重量％，出钢三分之一后，相对于每吨钢水，依次加入无烟煤(C含量 ≥93重量％，攀枝花阳城冶金辅料有限公司)3.0千克、Fe-Si(Si含量为74重 量％，安阳市恒旺冶金耐材有限公司)2.5千克、金属锰(Mn含量≥99.5重量％， 攀枝花攀宏冶金制品有限公司)4.8千克、Fe-Cr(Cr含量为63％，攀枝花攀宏 冶金制品有限公司)15.5千克、Fe-Mo(Mo含量为60重量％，攀枝花攀宏冶金 制品有限公司)4.7千克、镍板(Ni含量为≥99.9重量％)4.0千克，进行C、 Si、Mn、Cr、Mo、Ni元素的合金化(各实施例控制的具体数值如表1所示)。

(2)炉外精炼

钢水送到LF炉进行调温处理到1640℃，RH精炼开始钢水温度为1620℃， 钢水真空处理总时间为12分钟，精炼后钢水温度为1570℃。

(3)浇铸

钢水平均浇铸温度控制在1529℃。

(4)钢坯轧制

采用推钢式加热炉将得到的钢铸坯加热到1300℃，然后在1270℃温度下保 温1.6小时后将铸坯进行轧制，终锻温度控制在960℃。轧制后采用堆垛空冷方 式进行冷却至室温。

实施例3

本实施例用于说明通过方法1)冶炼的钻具用钢的性能。

与实施例1相同的方法制备钻具用钢，不同的是：

(1)吹炼以及出钢

将脱硫后的铁水倒入氧气顶吹转炉进行吹炼，顶吹氧气供氧量为24000标 准立方米/小时(供氧强度是3.0Nm³/吨钢水·min)，吹炼25分钟，以钢水总重 量为基准，吹炼终点控制为C含量0.10重量％、P含量0.009重量％、S含量0.008 重量％，并将吹炼得到的钢水出钢到钢包中，出钢温度为1680℃。

出钢时，相当于每吨钢水，先加入脱氧剂铝铁(Al含量≥40重量％，安阳 市恒旺冶金耐材有限公司)2.0千克，所述脱氧剂的加入量使得钢水中的活度氧 ≤0.003重量％，出钢三分之一后，相对于每吨钢水，依次加入无烟煤(C含量 ≥93重量％，攀枝花阳城冶金辅料有限公司)2.5千克、Fe-Si(Si含量为74重 量％，安阳市恒旺冶金耐材有限公司)2.8千克、金属锰(Mn含量≥99.5重量％， 攀枝花攀宏冶金制品有限公司)4.4千克、Fe-Cr(Cr含量为63％，攀枝花攀宏 冶金制品有限公司)15.3千克、Fe-Mo(Mo含量为60重量％，攀枝花攀宏冶金 制品有限公司)4.4千克、镍板(Ni含量为≥99.9重量％)4.0千克，进行C、 Si、Mn、Cr、Mo、Ni元素的合金化(各实施例控制的具体数值如表1所示)。

(2)炉外精炼

钢水送到LF炉进行调温处理到1615℃，RH精炼开始钢水温度为1600℃ 钢水真空处理总时间为15分钟，精炼后钢水温度为1560℃。

(3)浇铸

钢水平均浇铸温度控制在1515℃。

(4)钢坯轧制

采用推钢式加热炉将得到的钢铸坯加热到1280℃，然后在1260℃温度下保 温1.5小时后将铸坯进行轧制。终锻温度控制在1000℃。轧制后采用堆垛空冷 方式进行冷却至室温。

实施例4

本实施例用于说明通过方法1)冶炼的钻具用钢的性能。

与实施例1相同的方法制备钻具用钢，不同的是：

(1)吹炼以及出钢

将脱硫后的铁水倒入氧气顶吹转炉进行吹炼，顶吹氧气供氧量为25000标 准立方米/小时，(供氧强度是2.6Nm³/吨钢水·min)，吹炼23分钟，以钢水总 重量为基准，吹炼终点控制为C含量0.12重量％、P含量0.010重量％、S含量 0.007重量％，并将吹炼得到的钢水出钢到钢包中，出钢温度为1690℃。

出钢时，相当于每吨钢水，先加入脱氧剂铝铁(Al含量≥40重量％，安阳 市恒旺冶金耐材有限公司)3.5千克，所述脱氧剂的加入量使得钢水中的活度氧 ≤0.003重量％，出钢三分之一后，相对于每吨钢水，依次加入无烟煤(C含量 ≥93重量％，攀枝花阳城冶金辅料有限公司)2.8千克、Fe-Si(Si含量为74重 量％，安阳市恒旺冶金耐材有限公司)2.7千克、金属锰(Mn含量≥99.5重量％， 攀枝花攀宏冶金制品有限公司)4.5千克、Fe-Cr(Cr含量为63％，攀枝花攀宏 冶金制品有限公司)15.4千克、Fe-Mo(Mo含量为60重量％，攀枝花攀宏冶金 制品有限公司)4.5千克、镍板(Ni含量为≥99.9重量％)4.6千克，进行C、 Si、Mn、Cr、Mo、Ni元素的合金化(各实施例控制的具体数值如表1所示)。

(2)炉外精炼

钢水送到LF炉进行调温处理到1630℃，RH精炼开始钢水温度为1610℃ 钢水真空处理总时间为17分钟，精炼后钢水温度为1565℃。

(3)浇铸

钢水平均浇铸温度控制在1520℃。

(4)钢坯轧制

采用推钢式加热炉将得到的钢铸坯加热到1260℃，然后在1240℃温度下保 温1.8小时后将铸坯进行轧制。终锻温度控制在1050。轧制后采用堆垛空冷方 式进行冷却至室温。

实施例5

本实施例用于说明通过方法2)冶炼的钻具用钢的性能。

(1)冶炼钢水

以重量百分比计，选取C＜0.40％、Si＜0.20％、Mn＜1.0％、Cr＜1.0％、Mo ＜0.20％、Ni＜0.30％、P≤0.015％、S≤0.010％、Cu＜0.2％、As＜0.05％、Sn＜0.05％ 的废钢，加入真空感应炉中，在真空条件下进行熔炼，压力为500MPa，熔炼温 度为1600℃，熔炼时间为75分钟。熔融完全后取样进行钢液成分分析，并根据 钢液成分，相对于每吨钢水，先加入脱氧剂铝粒(Al含量≥99重量％)1.0千克， Al粒的加入量使得钢水中的T[O]含量为≤0.002重量％，然后依次加入无烟煤 (C含量为≥93重量％)3.5千克、Fe-Si(Si含量为74重量％，安阳市恒旺冶 金耐材有限公司)2.4千克、金属锰(Mn含量为≥99.5重量％，攀枝花攀宏冶 金制品有限公司)9.5千克、Fe-Cr(Cr含量为63重量％，攀枝花攀宏冶金制品 有限公司)17.5千克、Fe-Mo(Mo含量为60重量％，攀枝花攀宏冶金制品有限 公司)3.4千克、镍板(Ni含量为≥99.9重量％)3.0千克，进行C、Si、Mn、 Cr、Mo、Ni元素的合金化。

(2)浇铸

然后将钢水进行浇铸得到钢锭，浇铸过程中添加保护渣进行保护浇铸，钢 水过热度为30℃，钢水平均浇铸温度控制在1530℃。

(3)钢坯锻造

采用推钢式加热炉加热钢锭到1270℃，然后在1240℃温度下保温2.5小时。 然后按5.2∶1的锻压比将钢锭锻造成60mm×60mm的方钢，终锻温度为1050 ℃，采用堆垛空冷方式进行冷却。

各成分的检测方法分别为碳素钢和中低合金钢火花源原子发射光谱分析方 法，国家标准为GB/T4336，检测结果如表2所示。氧、氮含量的检测方法为脉 冲加热惰气熔融-红外线吸收法，国家标准为GB/T11261。检测结果如表3所 示。

实施例6

本实施例用于说明通过方法2)冶炼的钻具用钢的性能。

与实施例6相同的方法制备钻具用钢，不同的是：

(1)冶炼钢水

压力为500Mpa，熔炼温度为1640℃，熔炼时间为40分钟。分别加入铝粒 1.5千克、无烟煤3.0千克、Fe-Si2.3千克、金属锰9.8千克、Fe-Cr17.2千克、 Fe-Mo3.5千克、镍板4.8千克。

(2)浇铸

钢水过热度为60℃，钢水平均浇铸温度控制在1545℃。

(3)钢坯轧制

采用推钢式加热炉加热钢锭到1300℃，然后在1270℃温度下保温2.0小时， 终锻温度1150℃。

对比例1

该对比例用于说明现有技术提供的钻具用钢。

(1)冶炼钢水：按照实施例1步骤(1)进行，不同的是，不加入金属镍。

(2)炉外精炼：按照实施例1步骤(2)进行，不同的是，出钢时，先加 无烟煤3.5千克(C含量为≥93重量％)进行增碳，然后相对于每吨钢水，先在 钢包中加入预脱氧剂铝铁合金(Al含量为40重量％，安阳市恒旺冶金耐材有限 公司)3.2千克，然后相对于每吨钢水，加入Fe-Si(Si含量为74重量％，安阳 市恒旺冶金耐材有限公司)3.0千克、金属锰(Mn含量为≥99.5重量％，攀枝 花攀宏冶金制品有限公司)4.8千克、Fe-Cr(Cr含量为63重量％，攀枝花攀宏 冶金制品有限公司)15.6千克、Fe-Mo(Mo含量为60重量％，攀枝花攀宏冶金 制品有限公司)3.5千克，对钢水成分进行微调以控制各成分的含量。

(3)浇铸：按照实施例1的步骤(3)进行。

(4)钢坯轧制：按照实施例1的步骤(4)进行。

各成分的检测方法按照实施例1-4的方法进行。

机械性能测试

将实施例1-6和对比例1制备的钻具用钢按标准取样，并按常规的调质工艺 进行热处理后，进行机械性能测试，其中，拉伸性能按照GB/T228金属材料室 温拉伸试验方法进行，分别检测屈服强度ReL、抗拉强度Rm、伸长率A及断面 收缩率Z。按照GB/T229金属夏比缺口冲击试验方法检测冲击值Akv。检测的 结果列在表4中。

表2

^*表中各元素的含量均表示重量％。

表3.各实施例气体含量及夹杂级别

表4.

 序号   ReL/MPa   Rm/MPa   A/％   Z/％   常温冲击功/J(V型缺口)  实施例1   980   1100   19.0   59.0   123  实施例2   1100   1230   17.5   57.0   115  实施例3   1050   1200   18.5   57.5   118  实施例4   1000   1170   18.0   58.0   120  实施例5   980   1120   19.5   60.0   125  实施例6   1090   1220   18.0   58.5   110  对比例1   975   1080   16.0   58.5   65

从表3和表4中的结果可以看出：实施例1-6的钻具用钢与对比例的钻 具用钢相比，T[O]含量、[N]含量及A类、B类、C类、D类夹杂物的含量 级别相当，但是钢的屈服强度、抗拉强度、伸长率A与对比例(现有技术) 相比有大幅提高，尤其是冲击韧性显著提高，例如，实施例1提供的钻具用 钢的屈服强度ReL为980兆帕、抗拉强度Rm为1100兆帕，伸长率A为 19.0％，常温冲击功为123焦耳；而对比例1提供的钢的屈服强度ReL为975 兆帕、抗拉强度Rm为1080兆帕，伸长率A为16.0％，常温冲击功仅为65 焦耳。由此可知，本发明通过将钢中C、Si、Mn、Cr、Mo的含量控制在适 当的范围，同时添加0.30-0.50重量％的Ni元素，使制备的钻具用钢具有高 强度、高韧性。