CN101446180A

CN101446180A - 高钢级石油套管用圆坯及制造工艺

Info

Publication number: CN101446180A
Application number: CNA2008101528669A
Authority: CN
Inventors: 许克亮; 王永然; 李树庆; 李召岭
Original assignee: Tianjin Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Tianjin Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2008-11-06
Filing date: 2008-11-06
Publication date: 2009-06-03

Abstract

本发明涉及新钢种的圆坯及制造工艺。石油套管特别是P110高钢级石油套管，用于深井和地层条件复杂环境，对石油套管用的圆管坯也提出了更高的质量要求。目前主要有C－Mn钢系列、含Mo钢系列，C－Mn钢系列比较经济，但钢的强度、韧性及金相组织相对差一些；含Mo钢系列的强度、韧性及耐高温性能较好，但成本大幅度提高。本发明采用控制C含量，较高的Mn含量并加入一定的Cr含量措施，满足对钢管强度的要求，设计了新钢种及制造工艺。其主要成分为(按％重量计)C＝0.28－0.34％，Si＝0.20－0.35％，Mn＝1.40－1.80％，Cr＝0.25－0.34％，P≤0.025％、S≤0.025％，Al＝0.01－0.03％，及平衡量的Fe，圆坯直径150－200mm；采用顶底复吹转炉→LF精炼炉→VD真空精炼炉→圆坯连铸机→翻转冷床→检验→入库的工艺路线。

Description

高钢级石油套管用圆坯及制造工艺

技术领域

本发明涉及一种新钢种的圆坯及制造工艺，尤其是涉及到高钢级石油套管用圆坯钢种以及冶炼、LF精炼、VD真空精炼和连铸工艺。

技术背景

石油套管特别是高钢级石油套管，如P110级石油套管主要用于深井和地层条件复杂对套管性能要求苛刻的场合。因此，要求这种管材具有良好的综合性能，即高抗拉及连接强度、优异的抗挤毁性能及密封性能，因而对生产P110级石油套管用的圆管坯也提出了更高的质量要求。

各企业研制的高钢级石油套管用钢，如P110套管用钢，主要有C-Mn钢系列、Cr-Mo钢系列、Mn-Mo钢系列和Cr-Mn-Mo钢系列，此外微量元素Ti、Nb、B、Cu等也在油井管中得到应用。相比较而言，C-Mn钢系列比较经济，成本低，但钢的强度、韧性及金相组织相对差一些；含Mo钢系列的强度、韧性及耐高温性能较好，但成本大幅度提高。

本发明的新钢种成份设计采用以下原则，即适当控制C含量在0.28-0.34％范围，同时采用较高的Mn含量如1.40-1.80％，并加入一定的Cr含量如0.25-0.34％，来满足API5CT标准对钢管强度的要求，并在一定程度上增加钢的耐腐蚀性；而为了节约成本，钢中不添加Mo元素。对由于提高Mn含量造成的晶粒长大和钢的热敏感性增强的缺点，采取在钢中加入细化晶粒元素A1，如Al的含量在0.01-0.03％范围，来降低由于提Mn带来的不利影响。该新钢种克服了原来C-Mn系列钢的强度、韧性及金相组织相对较差的缺点；同时在满足强度、韧性要求的同时，与原含Mo钢种相比，节约了昂贵的Mo资源，降低了成本。

为节约Mo资源、降低生产成本，考虑到产品开发的经济性，同时考虑到P110高钢级石油套管用钢应具备抗挤毁的高强度要求，本发明利用已有高炉炼铁→顶底复吹转炉→LF钢包精炼炉→VD真空精炼炉→圆(方)坯连铸机等先进生产线的装备条件，通过优化工艺，设计了高钢级即P110级石油套管用圆坯的化学成份及制造工艺。

发明内容

本发明的高钢级石油套管用圆坯的化学成份及制造工艺，主要靠如下手段实现。

本发明的高钢级石油套管用圆坯，其牌号为30Mn2Cr，其主要成分为(按％重量计)C＝0.28-0.34％，Si＝0.20-0.35％，Mn＝1.40-1.80％，Cr＝0.25-0.34％，P≤0.025％、S≤0.025％，Al＝0.01-0.03％，及平衡量的Fe，圆坯直径150-200mm。

本发明的高钢级石油套管用圆坯，采用顶底复吹转炉→LF精炼炉→VD真空精炼炉→圆坯连铸机→翻转冷床→检验→入库的工艺路线；在转炉工序，采用氧压为0.8-0.85MPa、流量为22800-23200m³/h的供氧制度，底吹氩气或氮气搅拌，转炉冶炼前、中期造渣脱P，中、后期稳定炉渣中的P并实现钢水脱S，采取挡渣出钢控制下渣厚度0-50mm。在LF精炼工序，使用精炼渣，造发泡白渣，白渣精炼15-20分钟，LF精炼工序用30-35分钟，并控制到VD真空精炼炉的温度为1610±5℃。在VD真空精炼工序，在钢水真空度≤67Pa下保持10-15分钟，同时采用压力为0.15-0.25MPa的吹氩搅拌，真空处理后喂CaSi丝，然后进行软吹操作。在圆坯连铸工序，其中二冷水分三段，一段占30％，二段占50％，三段占20％，比水量0.92-1.10L/Kg，拉速为1.7m-3.2m/min，并使用结晶器电磁搅拌工艺技术。

所述高钢级石油套管用圆坯生产工艺路线，在转炉工序，入转炉铁水[Si]＝0.30-0.85％、[P]＝0-0.080％、[S]＝0-0.030％，出钢过程中向钢包内加入以CaF₂、CaO为主的合成渣料，采取高拉碳操作，使钢水[C]＝0.10-0.15％、[P]＝0-0.012％。在LF精炼工序，使用成分为CaO＝40-48％、Al₂O₃＝38-45％、MgO＝6-10％、SiO₂＝0.5-6％、Fe₂O₃＝0.1-2％的精炼渣；使钢水成份控制在优选范围C＝0.30-0.32％、Si＝0.25-0.29％、Mn＝1.57-1.63％、Cr＝0.27-0.31％、P≤0.020％、S≤0.010％、Al＝0.010-0.030％。在VD真空精炼工序，其中喂CaSi丝长为130-170m，然后进行压力为0.15-0.20Mpa的软吹操作，软吹时间5-10分钟，使钢水出站氢含量为0-2ppm，到连铸台温度为1565±5℃。在圆坯连铸工序，中间包采用MgCa质涂层材料并设置挡墙，钢水的过热度控制在20-35℃范围内，连铸过程中钢包到中间包、中间包到结晶器全程采取加保护套管，进行保护浇注；所述结晶器(M-EMS)电磁搅拌工艺，即采用由6个线圈组成，中心磁场强度达到0.08-0.12T。

使用本发明提供的生产P110高钢级石油套管用圆管坯的新钢种及其制造方法，克服了原来C-Mn系列钢的强度、韧性及金相组织相对较差的缺点；同时在满足强度、韧性要求的同时，与原含Mo钢种相比，节约了昂贵的Mo资源，降低了成本。同时其生产方法，提高了钢水纯净度，钢中有害残余元素(如As、Sn、Ni、Pb、Sb等)含量低，减轻有害残余元素造成的成品钢管高温回火脆性的危害，保证了该钢种圆管坯生产的P110高钢级石油套管的性能。

该钢种化学成分控制严格，整批供货均匀、波动小；采用顶底复吹技术，低压大流量氧枪供氧，吹炼平稳，成分和温度命中率高；出钢时向包中加入专用合成渣，进行渣洗，进一步脱硫，去除夹杂；LF、VD精炼工序配有钢包全过程底吹氩及钢包喂丝设备，可以有效脱除钢中气体，降低钢中夹杂物含量，提高钢水纯净度；LF炉精炼采用了自主研制开发的精炼渣，保证成分调整均匀，夹杂物变性处理，有利于去除；采用结晶器电磁搅拌工艺，提高铸坯质量。

附图说明

附图1是本发明的制造工艺路线示意图。在附图中，顶底复吹转炉工序包括低氧压大流量供氧制度，底吹氩气或氮气，脱S、P档渣出钢；LF精炼炉工序包括使用精炼渣，造发泡白渣，控制到VD真空精炼炉温度；VD真空精炼炉工序包括真空处理，吹氩搅拌，喂丝、软吹；圆坯连铸工序包括三段二冷，小比水量弱冷，电磁搅拌。

具体实施方式

下面结合附图详细说明。如附图1所示，本发明的工艺路线为采用顶底复吹转炉→LF精炼炉→VD真空精炼炉→圆坯连铸机→翻转冷床→检验→入库的工艺路线。

具体的技术措施包括：

一是化学成份的优选和设定。本发明的新钢种牌号为30Mn2Cr及的化学成份，见表1。

表1 高钢级石油套管用圆管坯化学成份单位：％

C	Si	Mn	P	S	Cr	Al
C	Si	Mn	P	S	Cr	Al	0.28—0.34	0.20—0.35	1.40—1.80	≤0.025	≤0.025	0.25-0.34	0.01-0.03

同时要求钢中(Pb+Sn+As+Sb+Bi)≤250ppm，单一元素含量≤100ppm。

二是生产工艺路线。

本发明新钢种的生产制造工艺，包括顶底复吹转炉→LF精炼炉→VD真空精炼炉→Φ150mm-200mm圆坯连铸机→翻转冷床→检验→入库。

1、转炉冶炼，入转炉冶炼的原料，要采取精料原则，即入炉铁水[Si]＝0.30-0.85％、[P]＝0-0.080％、[S]＝0-0.030％。采用顶底复吹转炉实现钢水的初炼。顶底复吹转炉与传统顶吹转炉相比，强化了冶炼过程中对熔池的搅拌，促进各种冶金反应的进行和温度、成分的均匀。顶底复吹转炉采用低氧压、大流量氧枪供氧，氧压为0.8-0.85MPa、流量为22800-23200m³/h；底吹氩气或氮气搅拌；转炉冶炼前、中期造渣强化脱P，中、后期稳定炉渣中的P并实现钢水脱S；转炉出钢过程中采取挡渣出钢，控制下渣量0-50mm，防止回磷；出钢过程中向钢包内加入合成渣料(主要成份为CaF₂、CaO)进行渣洗，同时进行钢包顶渣的改质，进一步脱硫去夹杂；采取高拉碳操作，转炉出钢目标要求钢水[C]＝0.10-0.15％、[P]＝0-0.012％。

2、LF精炼：由于该钢种要求成分均匀稳定，各炉次之间波动范围小，对钢中夹杂物含量要求严格，因此LF精炼工序围绕调整和均匀化学成分、钢中夹杂物变性和去除、调整温度等方面进行控制。在LF精炼过程中钢水化学成分的控制范围为：C＝0.28-0.34％，Si＝0.20-0.35％，Mn＝1.40-1.80％，Cr＝0.25-0.34％，P≤0.025％、S≤0.025％，Al＝0.01-0.03％。

其优选范围为：C＝0.30-0.32％，Si＝0.25-0.29％，Mn＝1.57-1.63％，Cr＝0.27-0.31％，P≤0.020％，S≤0.010％，Al＝0.010-0.030％。控制到VD精炼的到站温度为1610±5℃。

针对该品种的特点研制一种专用精炼渣(专用精炼渣是指已申请发明专利，申请号200610011709.7，成分为CaO＝40-48％、Al₂O₃＝38-45％、MgO＝6-10％、SiO₂＝0.5-6％、Fe₂O₃＝0.1-2％)；精炼过程中使用专用精炼渣，提高成渣速度和精炼效果，造发泡白渣，稳定精炼操作，白渣精炼时间15-20分钟，LF精炼处理时间在30-35分钟。

3、VD真空精炼工序，钢水真空处理要求在真空度≤67Pa下保持时间10-15分钟，同时采用压力为0.15-0.25MPa的弱吹氩搅拌，避免大翻，有效脱除钢中气体，降低钢中夹杂物含量；真空处理结束后，喂CaSi丝130-170m，改善钢水流动性及对夹杂物进行变性处理，保证浇注的顺利进行；喂丝结束后，进行压力为0.15-0.20MPa的软吹操作，保证足够的软吹时间5-10分钟，使钢中化学成分和温度均匀，夹杂物得到进一步去除，保证钢水出站氢含量为0-2ppm；温度控制，要求连铸到站温度为1565±5℃。

4、连铸工序，Φ150mm-Φ200mm圆坯连铸机，为保证铸坯质量和连铸的顺利进行，重点控制以下几个方面：

(1)连铸过程中钢包到中间包、中间包到结晶器采取全程加保护套管保护浇注，防止钢水二次氧化，保证钢水的纯净度；

(2)合理控制铸机二冷水分布及二冷水比水量，保证二冷冷却的均匀；水的分布为一段占30％，二段占50％，三段占20％，比水量0.92-1.10L/Kg，以达到减少甚至杜绝铸坯内部裂纹的发生；

(3)钢水过热度控制在20-35℃范围内，稳定拉速为1.7-3.2m/min，按照不同规格拉速的优选范围为Φ150mm圆坯采用2.8-3.2m/min的拉速、Φ160mm圆坯采用2.4-2.8m/min的拉速、Φ180mm圆坯采用1.9-2.3m/min的拉速、Φ200mm圆坯采用1.7-2.0m/min的拉速；

(4)中间包设置挡墙，以促进夹杂物上浮去除。中间包涂层材质采用MgCa质材料，减轻中间包耐火材料侵蚀带来的夹杂对钢液的污染；

(5)使用结晶器电磁搅拌，保证铸坯结晶组织致密、均匀，减少铸坯柱状晶率，避免铸坯裂纹、缩孔等缺陷。所述结晶器(M-EMS)电磁搅拌工艺，即采用由6个线圈组成，中心磁场强度达到0.08-0.12T。

本发明采用CONCAST六机六流全弧型圆坯连铸机，配有结晶器和凝固末端两级电磁搅拌***、二冷自动配水***，结晶器液面自动检测和控制***，加套管无氧化浇注，保证铸坯组织均匀、表面及内在质量最优。

下面列举四个实施例：

实施例一：

(1)入炉铁水，[Si]＝0.45％、[P]＝0.070％、[S]＝0.028％。

(2)转炉冶炼，冶炼钢种30Mn2Cr，采取高拉碳操作，出钢[C]＝0.11％、[P]＝0.009％；采用挡渣出钢，下渣厚度40mm。

(3)LF精炼，成分控制[C]＝0.30％、[Si]＝0.26％、[Mn]＝1.59％，[Cr]＝0.29％，[Al]＝0.0245％，[S]＝0.005％；白渣精炼时间16分钟；精炼出站温度控制为1612℃，LF精炼处理时间31分钟。

(4)VD精炼工序，钢水真空处理真空度60Pa时保持10分钟，同时0.20MPa压力吹氩搅拌；出站氢含量为1.2ppm；喂CaSi丝150m，改善钢水流动性及夹杂物变性处理；喂CaSi丝结束后，进行压力为0.17MPa的软吹操作9分钟；调整连铸到站温度1566℃。

(5)连铸工序，铸坯断面Φ150mm。连铸大包到中间包、中间包到结晶器采取全程加保护套管保护浇注；铸机二冷水采用三段分布，比水量1.10L/Kg；.钢水的过热度25℃，拉速3.0m/min。

实施例二：

(1)入炉铁水：[Si]＝0.50％、[P]＝0.075％、[S]＝0.025％。

(2)转炉冶炼。冶炼钢种30Mn2Cr，采取高拉碳操作，出钢[C]＝0.12％、[P]＝0.010％；采用挡渣出钢，下渣厚度45mm。

(3)LF精炼。成分控制[C]＝0.31％、[Si]＝0.27％、[Mn]＝1.58％，[Cr]＝0.27％，[Al]＝0.0225％，[S]＝0.005％；白渣精炼时间17分钟；精炼出站温度控制为1611℃，LF精炼处理时间33分钟。

(4)VD精炼工序。钢水真空处理真空度65Pa时保持12分钟，同时0.23MPa压力吹氩搅拌；出站氢含量为1.5ppm；喂CaSi丝135m，改善钢水流动性及夹杂物变性处理；喂CaSi丝结束后，进行压力为0.18MPa的软吹操作8分钟；调整连铸到站温度1567℃。

(5)连铸工序：铸坯断面Φ160mm。连铸大包到中间包、中间包到结晶器采取全程加保护套管保护浇注；铸机二冷水采用三段分布，比水量1.00L/Kg；钢水的过热度28℃，拉速2.6m/min。

实施例三：

(1)入炉铁水：[Si]＝0.55％、[P]＝0.067％、[S]＝0.026％。

(2)转炉冶炼。冶炼钢种30Mn2Cr，采取高拉碳操作，出钢[C]＝0.12％、[P]＝0.011％；采用挡渣出钢，下渣厚度35mm。

(3)LF精炼。成分控制[C]＝0.31％、[Si]＝0.26％、[Mn]＝1.61％，[Cr]＝0.28％，[Al]＝0.0195％，[S]＝0.008％；白渣精炼时间19分钟；精炼出站温度控制为1608℃，LF精炼处理时间34分钟。

(4)VD精炼工序。钢水真空处理真空度62Pa时保持13分钟，同时0.18MPa压力吹氩搅拌；出站氢含量为1.2ppm；喂CaSi丝140m，改善钢水流动性及夹杂物变性处理；喂CaSi丝结束后，进行压力为0.18MPa的软吹操作10分钟；调整连铸到站温度1562℃。

(5)连铸工序：铸坯断面Φ180mm。连铸大包到中间包、中间包到结晶器采取全程加保护套管保护浇注；铸机二冷水采用三段分布，比水量0.95L/Kg；钢水的过热度24℃，拉速2.1m/min。

实施例四：

(1)入炉铁水[Si]＝0.60％、[P]＝0.065％、[S]＝0.025％。

(2)转炉冶炼。冶炼钢种30Mn2Cr，采取高拉碳操作，出钢[C]＝0.11％、[P]＝0.009％；＝采用挡渣出钢，下渣厚度30mm。

(3)LF精炼。成分控制[C]＝0.31％、[Si]＝0.29％、[Mn]＝1.60％，[Cr]＝0.29％，[Al]＝0.0255％，[S]＝0.007％；白渣精炼时间18分钟；精炼出站温度控制为1607℃。LF精炼处理时间32分钟。

(4)VD精炼工序。钢水真空处理真空度65Pa时保持12分钟，同时0.22MPa压力吹氩搅拌；出站氢含量为1.5ppm；喂CaSi丝160m，改善钢水流动性及夹杂物变性处理；喂CaSi丝结束后，进行压力为0.19MPa的软吹操作6分钟；调整连铸到站温度1562℃。

(5)连铸工序：铸坯断面Φ200mm。连铸大包到中间包、中间包到结晶器采取全程加保护套管保护浇注；铸机二冷水采用三段分布，比水量0.92L/Kg；.钢水的过热度28℃，拉速1.9m/min。

按照本发明的工艺路线生产出的高钢级石油套管用圆管坯，经国内客户使用，顺利生产出P110级石油套管用无缝钢管，无缝钢管性能如下：

屈服强度：860～930Mpa，抗拉强度：930～990Mpa，伸长率：19.0％～23.0％

Claims

1、高钢级石油套管用圆坯，其特征在于牌号为30Mn2Cr，其主要成分为(按％重量计)C＝0.28-0.34％，Si＝0.20-0.35％，Mn＝1.40-1.80％，Cr＝0.25-0.34％，P≤0.025％、S≤0.025％，Al＝0.01-0.03％，及平衡量的Fe，圆坯直径150-200mm。

2、如权利要求1所述的高钢级石油套管用圆坯，采用顶底复吹转炉→LF精炼炉→VD真空精炼炉→圆坯连铸机→翻转冷床→检验→入库的工艺路线，其特征在于在转炉工序，采用氧压为0.8-0.85MPa、流量为22800-23200m³/h的供氧制度，底吹氩气或氮气搅拌，转炉冶炼前、中期造渣脱P，中、后期稳定炉渣中的P并实现钢水脱S；采取挡渣出钢控制下渣量0-50mm；在LF精炼工序，使用精炼渣，造发泡白渣，白渣精炼15-20分钟，LF精炼工序用30-35分钟，并控制到VD真空精炼炉的温度为1610±5℃；在VD真空精炼工序，在钢水真空度≤67Pa下保持10-15分钟，同时采用压力为0.15-0.25MPa的吹氩搅拌，真空处理后喂CaSi丝，然后进行软吹操作；在圆坯连铸工序，其中二冷水分三段，一段占30％，二段占50％，三段占20％，比水量0.92-1.10L/Kg，拉速为1.7m-3.2m/min，并使用结晶器电磁搅拌工艺技术。

3、如权利要求2所述高钢级石油套管用圆坯生产工艺路线，其特征在于在转炉工序，入转炉铁水[Si]＝0.30-0.85％、[P]＝0-0.080％、[S]＝0-0.030％，出钢过程中向钢包内加入以CaF₂、CaO为主的合成渣料，采取高拉碳操作，使钢水[C]＝0.10-0.15％、[P]＝0-0.012％。

4、如权利要求2所述高钢级石油套管用圆坯生产工艺路线，其特征在于在LF精炼工序，使用成分为CaO＝40-48％、Al₂O₃＝38-45％、MgO＝6-10％、SiO₂＝0.5-6％、Fe₂O₃＝0.1-2％的精炼渣；使钢水成份控制在优选范围C＝0.30-0.32％、Si＝0.25-0.29％、Mn＝1.57-1.63％、Cr＝0.27-0.31％、P≤0.020％、S≤0.010％、Al＝0.010-0.030％。

5、如权利要求2所述高钢级石油套管用圆坯生产工艺路线，其特征在于在VD真空精炼工序，其中喂CaSi丝长为130-170m，然后进行压力为0.15-0.20Mpa的软吹操作，软吹时间5-10分钟，使钢水出站氢含量为0-2ppm，到连铸台温度为1565±5℃。

6、如权利要求2所述高钢级石油套管用圆坯生产工艺路线，其特征在于在圆坯连铸工序，中间包采用MgCa质涂层材料设置挡墙，钢水的过热度控制在20-35℃范围内，连铸过程中钢包到中间包、中间包到结晶器全程采取加保护套管，进行保护浇注；所述结晶器(M-EMS)电磁搅拌工艺，即采用由6个线圈组成，中心磁场强度达到0.08-0.12T。