一种超高强度、高韧性的抽油杆用钢及其生产工艺

摘要

本发明公开了一种超高强度、高韧性的抽油杆用钢，其化学成分质量百分比为：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%，Al：0.015-0.035%，P≤0.020%，S：≤0.010%，［O］≤0.002%，［H］≤0.0002%，余量为Fe。本发明采用在常规的转炉中熔炼后，在精炼装置中进行精炼，在精炼后期进行硅钙钡终脱氧，并在精炼后采用RH进行脱气和去除夹杂物，钢水经浇铸成连铸坯后轧成φ19～25mm圆钢。本发明成分设计合理、工艺先进，与目前市场上供应的超高强度抽油杆用钢相比具有更高的强度与韧性，抗拉强度Rm≥1200MPa、伸长率δ5≥12%、断面收缩率Z≥48%，能有效减少高负荷环境下抽油杆的断裂事故，显著减少经济损失。

说明书

技术领域

本发明涉及钢铁行业中的合金结构钢，具体涉及超高强度、高韧性的抽油杆用钢（35Mn2CrMoV）及其生产工艺。 

背景技术

目前采油井中机采井占总数的90％以上，而机采井中有杆泵采油方式又占90％以上，因此有杆泵采油方式已在我国的原油开采中占据了重要地位。抽油杆是有杆抽油设备的重要组成部件，它将抽油机的动力传递给井下抽油泵。在采油过程中，抽油杆柱承受不对称循环载荷的作用，工作介质为井液(原油和矿层水)，大多井液含有腐蚀介质，因而抽油杆的主要失效形式为疲劳断裂和腐蚀疲劳断裂。抽油杆的疲劳强度和使用寿命决定和影响了整套抽油设备的最大泵深度和排量。当抽油杆发生断裂后，还需要进行打捞、更换抽油杆的井场作业，这样不但影响油井的原油产量，而且增加了油井作业费用，使采油成本上升。根据现场调查，每发生一次断杆事故，油井作业费和减产原油折价之和为2～3万元。因此石油开采业必然会促进钢质抽油杆不断向更高强度、高韧性发展。 

我国SY/T 5029标准中对钢质抽油杆力学性能等级进行了划分，其中HL级抽油杆具有最高的强度：抗拉强度Rm为965～1195MPa、伸长率δ₅≥12%（由A₂₀₀换算而得）、断面收缩率Z≥45%。目前国内普遍采用的35CrMo、42CrMo（YB/T 054）与专利CN101962737A公开的一种多元合金化超高强度抽油杆钢，经调质处理之后，可以达到上述HL级强韧性要求，但这几种钢抗拉强度达到1130MPa已是极限，强度再进一步提升的空间有限。专利号CN101177763公开了一种超高强度非调质抽油杆用钢，这种非调质钢直接以热轧态加工成抽油杆，即可达到HL级超高强度的要求。但由于以此类钢加工成抽油杆过程中，杆头、杆尾两部分需进行加热处理，导致强度降低，与其余部分性能差异过大，容易因此发生断杆事故。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种具备超高强度、高韧性的抽油杆用钢，同时提供这种钢的生产工艺，具备较SY/T 5029-2006标准中HL级抽油杆更高的强度与韧性。具有如下力学性能：抗拉强度Rm≥1200MPa、伸长率δ₅≥12%、断面收缩率Z≥48%。 

本发明通过以下技术方案实现： 

一种超高强度、高韧性的抽油杆用钢，其特征在于，其化学成分质量百分比为：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%，Al：0.015-0.035%，P≤0.020%，S：≤0.010%，［O］≤0.002%，［H］≤0.0002%，余量为Fe。

下面具体说明本发明超高强度、高韧性抽油杆用钢化学成分的限定理由： 

C：能显著提高钢的强度，同时又可以提高钢的淬透性和淬硬性，但也使钢的塑性恶化，显著提高钢的脆性转变温度。所以为保证本钢种具备良好的强韧性配合，C含量取0.32-0.38%。

Si：在钢中能溶入铁素体，能提高合金钢的强度和硬度，降低钢的塑性和韧性。其最低含量为0.17%才能达到效果，但过高的Si含量，特别是与Mn、Cr元素共存时，容易引起钢的晶粒粗化，增加钢的回火脆性，同时Si是显著提高钢的脆性转变温度元素之一。综合材料的总体要求，本钢种将Si含量确定为0.17-0.37%。 

Mn：在钢中能溶入铁素体，强化基体，在轧后冷却时能细化珠光体且能相对提高珠光体含量，因此，能提高强度和硬度，显著提高淬透性，改善热处理性能，且对材料的塑性影响较小。当Mn含量低于1.8%时，随着其含量增加，钢材强度不断增加，而对韧性不会有显著危害。所以Mn含量确定为1.60-1.80%。 

Cr：能显著提高材料的淬透性，同时能提高钢的硬度抗腐蚀、耐磨性和耐候性。Cr还有提高钢的淬火及回火稳定性作用。综合考虑，如果Cr低于1.10%材料淬透性达不到要求，同时材料抗腐蚀和耐磨性差，如果高于1.30%材料的塑性指标将受到影响，同时过高的Cr会形成氧化物夹杂，降低钢的冲击韧性，同时增加材料淬火变形，所以确定Cr含量为1.10-1.30%。 

Mo：具有提高钢的淬透性、热强性、抗腐蚀性与防止点蚀倾向等作用。含Mo的钢在550℃～650℃之间回火时发生二次硬化，能显著的提高回火硬度，且这种回火抗力随着钢中Mo含量增加而加强。但是当Mo含量高于0.30%时对钢材低温韧性产生不利影响，所以本发明确定Mo含量为0.20-0.30%。 

V：少量的钒使钢晶粒细化，韧性增大，对低温钢尤为有利，但钒量较高导致聚集的碳化物出现时，会降低强度，碳化物在晶内析出会降低室温韧性。钢中V含量每提高0.1%，抗拉强度可提高200MPa。为保证析出强化效果本钢种设计V含量范围0.20-0.30%。 

Al：提高钢的抗氧化性，降低钢中气体含量，提高钢的耐磨性和疲劳强度，同时作为细化晶粒元素存在于钢种，起到提高钢的低温性能和耐蚀性能的作用。但如果Al含量过高，容易形成硬的Al₂O₃夹杂，恶化钢的冲击韧性。所以本发明对Al含量界定了明确的成分控制范围为0.015-0.035%。 

O：在室温时对钢的强度影响不大，但使钢的伸长率和面缩率显著的降低，在较低温度和O含量极低时，材料的强度和塑性均随O含量的增加而急剧降低。冲击性能方面，随着O含量的增加冲击的最大值逐渐降低，脆性转变温度却很快地升高，脆性转变温度的范围也随着变宽。同时，随着O含量的增加，材料的氧化夹杂物几率大大增加，从而降低材料的疲劳寿命。本发明及生产工艺可以将O含量控制在0.0020%以内。 

H：氢使钢的塑性降低，主要是使低温冲击功、延伸率及断面收收缩降低。氢在钢中会产生“发纹”或形成应力区，在钢进行锻轧加工时发纹扩展而形成裂纹，使钢的力学性能特别是塑性恶化，甚至断裂，在钢断口上呈现“白点”。同时氢还会引起点状偏析、氢脆，以及焊缝热影响区内的裂缝等。因此，本发明及工艺将H控制在0.0002%以下。 

一种超高强度、高韧性的抽油杆用钢的生产工艺，包括下列步骤：按权利要求1所述组分的质量百分比， 

（1）LD转炉冶炼：在90吨以上的顶底复吹式转炉中冶炼，以铁水与废钢为原料进行初炼，实现预脱P，出钢加入合成精炼渣、复合脱氧剂及高纯合金进行预脱氧及成分初调，采用挡渣留渣出钢防止回P，所述精炼渣每吨钢加入量为6～8kg，复合脱氧剂每吨钢加入量为3～5kg；

    （2）LF精炼：在90吨以上的LF炉中进行钢水深脱氧及合金化，造高碱度渣R≥3.0，强化脱S、去夹杂，精炼过程采用全程搅拌；

（3）RH真空脱气：在LF精炼后采用RH循环脱气设备进行真空脱气和去除夹杂物处理，在高真空下保持25分钟以上，保证［H］≤0.0002%、［O］≤0.0020%，所有成分进入要求的范围；

（4）夹杂物变性与软吹：真空处理之后喂丝线对夹杂物变性并进行软吹处理，软吹时间为25分钟；

    （5）CCM连铸：采用连铸机，使用结晶器保护渣，实行全程全保护浇铸生产连铸方坯；

（6）轧钢与精整：利用中小棒材生产线生产φ19～25mm抽油杆用圆钢；采用人工检查精整工艺消除钢材表面缺陷。

本发明进一步改进方案是，所述步骤（5）采用6机6流连铸机，浇铸生产150mm×150mm连铸方坯。 

按照本发明生产超高强度抽油杆用钢（35Mn2CrMoV），具有超高强度以及高韧性，材料经过整体调质后力学性能可以达到如下水平：抗拉强度Rm≥1200MPa、伸长率δ₅≥12%、断面收缩率Z≥48%。 

国内本发明与现有技术相比，具有以下优点： 

（1）本发明通过使用Mo、V等常规合金元素进行合金化，使其性能具有较SY/T 5029-2006标准与现有专利发明的超高强度抽油杆用钢更高的强度与韧性，且其整体力学性能也更为均匀。

（2）使用含钡合金进行强脱氧、专用合成精炼渣增强去除夹杂效果，利用RH真空设备进行脱气处理，提高了材料的洁净度，从而提高了材料的疲劳寿命。 

（3）本工艺采用LD+LF+RH+CCM工艺，保证较低的H、O以及有害残余元素的含量，使得材料具有优异综合力学性能。 

（4）本发明通过合理成分设计及先进的工艺满足了深井、高负荷采油的要求，有效减少了抽油杆的断裂次数，大大节约了成本。 

具体实施方式

目前国内使用的超高强度抽油杆用钢42CrMoA、专利钢(专利公开号CN101962737A)与本发明的化学成分对比情况如下表1所示。 

表1 化学成分对比                   wt% 

采用以下生产工艺制备：

（1）LD转炉冶炼：在90吨以上的顶底复吹式转炉中冶炼，以铁水与废钢为原料进行初炼，实现预脱P，出钢加入专用合成精炼渣、复合脱氧剂及高纯合金进行预脱氧及成分初调并采用挡渣留渣出钢防止回P；

    （2）LF精炼：在90吨以上的LF炉中进行钢水深脱氧及合金化，造高碱度渣（R≥3.0）强化脱S、去夹杂，精炼过程采用全程搅拌，促进成分均匀化、促进夹杂物上浮。

（3）RH真空脱气：在LF精炼后采用RH循环脱气设备进行真空脱气处理，在高真空下保持25分钟以上，实现真空脱气及去除夹杂物，保证［H］≤0.0002%、［O］≤0.0020%获得较高的钢水洁净度。 

（4）夹杂物变性与软吹：真空处理之后喂BaSi丝线对夹杂物变性并进行软吹处理，采用适当的软吹时间与吹氩强度以保证去除夹杂物效果； 

    （5）CCM连铸：采用6机6流连铸机，使用专用结晶器保护渣，实行全程全保护浇铸生产150mm×150mm连铸方坯。

（6）轧钢与精整：利用由意大利达涅利引进的中小棒材生产线生产φ19～25mm抽油杆用圆钢，采用人工检查精整工艺消除钢材表面缺陷。 

以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。 

所得抽油杆钢35Mn2CrMoV的化学成分如表2所示，力学性能及与现有技术对比情况如表3所示。 

表2 超高强度抽油杆用钢成分             wt% 

  表3本发明力学性能及与现有技术对比