CN107815589A - 一种Cr微合金化石油套管用钢及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种Cr微合金化石油套管用钢，所述Cr微合金化石油套管用钢按质量百分比计包括：C：0.25～0.30％，Si：0.25～0.40％，Mn：1.45～1.55％，Alt：0.020～0.055％，Sn：≤0.015％，Cr：0.40～0.50％，P≤0.015，S≤0.008％，其余为铁元素和不可避免的杂质元素。本发明还公开了上述钢材的制备方法。本发明的石油套管用钢具有良好的综合机械性能，且强度富余量高特点，可以适合更深井的使用；本发明通过加入一定的Cr含量如0.40‑0.50％，来满足对钢管强度的要求，并在一定程度上增加钢的耐腐蚀性。

Description

一种Cr微合金化石油套管用钢及其制造方法
技术领域
本发明涉及石油套管用钢领域，具体涉及一种低碳石油套管用钢并添加了少量Cr进行微合金化，具有良好的综合机械性能。
背景技术
石油套管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、优异的抗挤毁性能即密封性能，因而对石油套管用的管坯钢提出更高的质量要求。
申请号为CN201210007350.1的中国专利申请公开了一种高膨胀率的石油套管用钢，其按照元素的质量百分比包括C 0.03-0.25％，SI 0.3-2.5％，Mn 0.5-4.0％，Cr 0-0.5％，S≤0.02，P≤0.02，余量为铁，并且可以选择性的加入Nb、Ti和V中的一种或多种进行强化。该专利的钢材的金相以铁素体和马氏体为主，或者以贝氏体为主并含有残余少量奥氏体的复合组织。但是使用该方法制备获得的无缝钢管的屈服强度并不高。在不添加其他强化元素时，该申请的管材的屈服强度仅达到380MPa，更高的强度的管材需要通过加入其他的元素来进行强化，而引入其他的合金元素不仅会带来成本的升高，而且会导致产品性能的波动，如其管材的屈服强度为360-450MPa，并且其具有较高屈服强度的钢材均需要加入较多的Mn、Si等元素，然而过多的Si会降低钢材的可塑性和韧性，过多的锰会增加钢晶粒粗化的倾向和回火脆性敏感性，过高的C会降低钢的耐腐蚀能力。
因此，现有的石油套管用钢仍然存在成本较高和性能较低的缺陷需要克服。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种通过Cr微合金化所制造的石油套管用钢，该钢具有高强度及高硬度的同时，具有良好的综合机械性能，钢材质具有高纯净度、高均匀性。
为达到上述造目的，本发明提供了一种Cr微合金化石油套管用钢，所述Cr微合金化石油套管用钢按质量百分比计包括：C：0.25～0.30％，Si：0.25～0.40％，Mn：1.45～1.55％，Alt：0.020～0.055％，Sn：≤0.015％，Cr：0.40～0.50％，P≤0.015，S≤0.008％，其余为铁元素和不可避免的杂质元素。
作为上述Cr微合金化石油套管用钢一种更好的选择，所述Cr微合金化石油套管用钢按质量百分比计包括：C：0.26～0.30％，Si：0.25～0.40％，Mn：1.45～1.55％，Alt：0.020～0.055％，Sn：≤0.015％，Cr：0.40～0.50％，P≤0.015，S≤0.008％，其余为铁元素和不可避免的杂质元素。
作为上述Cr微合金化石油套管用钢一种更好的选择，所述石油套管用钢具有铁素体和珠光体构成的微观组织。
上述Cr微合金化石油套管用钢中，Al的含量应当被精确的控制，Al元素可以降低提Mn带来的不利影响，并克服原来C-Mn系列钢的强度、韧性及金相组织相对较差的缺点。
本发明的另一个目的在于，提供一种Cr微合金化石油套管用钢的制备方法，所述方法包括电炉冶炼、LF炉外精炼+VD真空处理、连铸和轧钢工序。
作为上述方法一种更好的选择，所述电炉冶炼工序中，出钢时控制终点C≥0.10％，P≤0.010％，残余元素符合要求，出钢温度控制在1620-1630℃，同时按下限进行钢包合金化。
作为上述方法一种更好的选择，所述电炉冶炼工序中，每一炉钢包约含铁水75％+废钢25％。此处也可以按照实际需求以及成本控制进行两者比例的调配。作为上述方法一种更好的选择，所述电炉冶炼工序中，每一炉钢包约含铁水75％+废钢25％，出钢时控制终点C≥0.10％，P≤0.010％，残余元素符合要求。出钢温度控制在1610-1630℃，同时按下限进行钢包合金化。
作为上述方法一种更好的选择，所述LF炉外精炼工序中，吨钢渣料≥12Kg，取一次样前喂铝线，加入长度≥4m/t。根据一次样成分结果对钢包成分微调。LF出钢前，第一炉喂入钙线≥3m/t，正常炉次按1.5-2.5m/t钢喂入钙线。
作为上述方法一种更好的选择，所述VD真空处理工序中，预抽真空时大氩气量搅拌，7-8min抽至67Pa及以下，真空处理时间≥25min，破空后软吹氩气，软吹时间≥15min，第一炉喂入钙线80-100米左右；VD第一炉上钢温度控制在1582-1592℃，正常炉次1562-1572℃。
作为上述方法一种更好的选择，所述连铸工序中，采用全保护浇铸，钢种液相线1502℃，中保第一炉温度控制1537-1547℃，第二炉温度控制1527-1537℃，正常炉次温度控制1522-1532℃。中包过热度为20-30℃。浇铸断面Φ500mm拉速在0.34±0.01m/min，浇铸断面Φ650mm拉速在0.24±0.01m/min；结晶器电磁搅拌和末端电磁搅拌正常启用。为保证连铸圆坯质量，要及时入坑缓冷，入坑温度＞700℃，缓冷至200℃以下出坑。
作为上述方法一种更好的选择，所述轧制工序采用步进式加热炉加热，预热段缓慢加热至600-950℃，加热段1温度1100-1180℃，加热段2温度1200-1280℃，均热段1220-1260℃，加热温差≤30℃，Φ500mm连铸圆坯加热时间大于6.5小时，Φ650mm连铸圆坯加热时间大于9小时。开轧温度控制在1120-1180℃，保证终轧温度920-1020℃，钢材入坑缓冷，入缓冷坑温度大于600℃，缓冷时间大于24小时，且保证出缓冷坑温度不大于200℃。
优选地，所述电炉冶炼工序中，加入高锰合金、高铬合金、硅锰合金进行钢包合金化。
本发明通过适当控制C含量在0.25-0.30％的范围，同时采用较高的Mn含量如1.45-1.55％，加入一定的Cr含量如0.40-0.50％，来满足对钢管强度的要求，并在一定程度上增加钢的耐腐蚀性；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，在钢中加入细化晶粒元素Al，降低提Mn带来的不利影响，并克服原来C-Mn系列钢的强度、韧性及金相组织相对较差的缺点。
本发明与现有技术相比较，具有如下实质性特点和显著优点：
1、本发明的钢成分设计，对强度主要影响因素的C、Si、Mn按要求中限控制，保证棒材的强度和硬度，通过工艺流程优化，提供的钢材具有高纯净度、高均匀性。
2、本发明的石油套管用钢具有良好的综合机械性能，且强度富余量高特点，可以适合更深井的使用，加入一定的Cr含量如0.40-0.50％，来满足对钢管强度的要求，并在一定程度上增加钢的耐腐蚀性
附图说明
图1、本发明得到的Cr微合金化石油套管用钢的金相图(放大200倍)，该金相图显示了本发明的石油套管用钢的组织为珠光体和铁素体的组合。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的说明。
实施例1-3：
本发明的Cr微合金化石油套管用钢的制造方法包括以下步骤：
(1)电炉冶炼工序，为了有效降低钢中夹杂物含量，每一炉钢包含铁水75％+废钢25％，出钢时控制终点C≥0.10％，P≤0.010％，残余元素符合要求。电炉冶炼全过程造好泡沫渣，均匀脱碳，减少吸气。出钢温度控制在1620℃，同时按下限进行钢包合金化。
2)LF炉外精炼工序，吨钢渣料≥12Kg，取一次样前喂铝线，加入长度≥4m/t。根据一次样成分结果对钢包成分微调。LF出钢前，第一炉喂入钙线≥3m/t，正常炉次按1.5m/t钢喂入钙线。LF精炼白渣时间大于20分钟，加强脱硫操作。
3)VD真空处理工序，预抽真空时大氩气量搅拌，7-8min抽至67Pa及以下，真空处理时间≥25min，破空后软吹氩气，软吹时间≥15min，第一炉喂入钙线80米左右。VD第一炉上钢温度控制在1582-1592℃，正常炉次1562-1572℃。
4)连铸工序，采用全保护浇铸，钢种液相线1502℃，中保第一炉温度控制1537-1547℃，第二炉温度控制1527-1537℃，正常炉次温度控制1522-1532℃。中包过热度为20-30℃。浇铸断面Φ500mm拉速在0.34±0.01m/min，浇铸断面Φ650mm拉速在0.24±0.01m/min；结晶器电磁搅拌和末端电磁搅拌正常启用。为保证连铸圆坯质量，要及时入坑缓冷，入坑温度＞700℃，缓冷至200℃以下出坑。
5)轧制工序，步进式加热炉加热，预热段缓慢加热至600-950℃，加热段1温度1100-1180℃，加热段2温度1200-1280℃，均热段1220-1260℃，加热温差≤30℃，Φ500mm连铸圆坯加热时间大于6.5小时，Φ650mm连铸圆坯加热时间大于9小时。开轧温度控制在1120-1180℃，保证终轧温度920-1020℃，钢材入坑缓冷，入缓冷坑温度大于600℃，缓冷时间大于24小时，且保证出缓冷坑温度不大于200℃。
本实施例中各元素的具体组成成分如表1所示。
实施例1制得的钢材的微观组织请参见附图1。
表二钢中气体含量
从实施例的钢材中取试样，测试其力学性能、调制硬度、非金属夹杂物和晶粒度。900±15℃正火进行力学性能热处理，具体性能请参见下表。
表三力学性能
Rel/Mpa Pm/Mpa A/％ HBw
标准要求 ≥380 ≥520 ≥24 230-260
实施例1 491/481 616/608 24/24 241/244/238
实施例2 522/500 683/662 25/24 245/250/252
实施例3 547/541 700/711 24/25 251/246/255
表四钢材非金属夹杂物
表五钢材奥氏体晶粒度(标准要求不粗于6级)和低温冲击功(Akv/J(-10℃)，不低于60)
实施例1 实施例2 实施例3
奥氏体晶粒度 8级 8级 8级
Akv/J(-10℃) 67-69 71-76 73-78
可见通过本发明的工艺制造的石油套管用钢，对强度主要影响因素的C、Si、Mn按要求中限控制，保证棒材的强度和硬度，通过工艺流程优化，提供的钢材具有高纯净度、高均匀性。本发明的石油套管用钢具有良好的综合机械性能，且强度富余量高特点，可以适合更深井的使用，加入一定的Cr含量如0.40-0.50％，来满足对钢管强度的要求，并在一定程度上增加钢的耐腐蚀性。
本发明石油套管用钢的管材可以通过普通无缝钢管的制备方法制得，如可以通过冷拔(轧)无缝钢管或热轧(挤压无缝钢管)；在经扩孔变形后，可以获得性能更好的石油套管用钢。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种Cr微合金化石油套管用钢，其特征在于，所述Cr微合金化石油套管用钢按质量百分比计包括：C：0.25～0.30％，Si：0.25～0.40％，Mn：1.45～1.55％，Alt：0.020～0.055％，Sn：≤0.015％，Cr：0.40～0.50％，P≤0.015，S≤0.008％，其余为铁元素和不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求1所述的石油套管用钢，其特征在于：所述石油套管用钢按质量百分比计包括：C：0.26～0.30％，Si：0.25～0.40％，Mn：1.45～1.55％，Alt：0.020～0.055％，Sn：≤0.015％，Cr：0.40～0.50％，P≤0.015，S≤0.008％，其余为铁元素和不可避免的杂质元素。
3.根据权利要求1所述的石油套管用钢，其特征在于：所述石油套管用钢具有铁素体和珠光体构成的微观组织。
4.权利要求1-3任一所述Cr微合金化石油套管用钢的制备方法，包括电炉冶炼、LF炉外精炼+VD真空处理、连铸和轧钢工序。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述电炉冶炼工序中出钢时控制终点C≥0.10％，P≤0.010％，残余元素符合要求，出钢温度控制在1610-1630℃，同时按下限进行钢包合金化。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述LF炉外精炼工序中，吨钢渣料≥12Kg，取一次样前喂铝线，加入长度≥4m/t；根据一次样成分结果对钢包成分微调；LF出钢前，第一炉喂入钙线≥3m/t，正常炉次按1.5-2.5m/t钢喂入钙线。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述VD真空处理工序中，预抽真空时大氩气量搅拌，7-8min抽至67Pa及以下，真空处理时间≥25min，破空后软吹氩气，软吹时间≥15min，第一炉喂入钙线80-100米；VD第一炉上钢温度控制在1582-1592℃，正常炉次1562-1572℃。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述连铸工序中，采用全保护浇铸，钢种液相线温度为1502℃，中保第一炉温度控制1537-1547℃，第二炉温度控制1527-1537℃，正常炉次温度控制1522-1532℃；中包过热度为20-30℃；浇铸断面Φ500mm拉速在0.34±0.01m/min，浇铸断面Φ650mm拉速在0.24±0.01m/min；结晶器电磁搅拌和末端电磁搅拌正常启用；为保证连铸圆坯质量，要及时入坑缓冷，入坑温度＞700℃，缓冷至200℃以下出坑。
9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述轧制工序采用步进式加热炉加热，预热段缓慢加热至600-950℃，加热段1温度1100-1180℃，加热段2温度1200-1280℃，均热段1220-1260℃，加热温差≤30℃，Φ500mm连铸圆坯加热时间大于6.5小时，Φ650mm连铸圆坯加热时间大于9小时；开轧温度控制在1120-1180℃，保证终轧温度920-1020℃，钢材入坑缓冷，入缓冷坑温度大于600℃，缓冷时间大于24小时，且保证出缓冷坑温度不大于200℃。
10.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述电炉冶炼工序中，加入高锰合金、高铬合金、硅锰合金进行钢包合金化。
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