CN110863144B - 一种高强度油气开采压裂泵用钢及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强度油气开采压裂泵用钢及其制造方法，属于钢铁新材料制备的技术领域。包括以下组分：碳0.28％～0.35％，硅0.20％～0.40％，锰0.50％～0.90％，钒0.01％～0.05％，铬1.20％～1.45％，钼0.35％～0.65％，镍2.90％～3.30％，铜≤0.20％，铝0.010％～0.050％，磷≤0.010％，硫≤0.010％，稀土元素0.03～0.06％，余量为铁和不可避免的元素。本发明的有益效果为：本发明提供了高强度油气开采压裂泵用钢新材料及其制造方法，通过合理控制各种合金元素的配比、关键过程控制点以及科学的热处理制度，有效的保证油气开采压裂泵用钢新材料30CrNi3MoVRE综合性能优异，保证了该材料具有更高的致密性，更高的洁净度，更稳定的性能以及更高的使用寿命。

Description

一种高强度油气开采压裂泵用钢及其制造方法
技术领域
本发明属于钢铁新材料制备的技术领域，具体涉及一种高强度油气开采压裂泵用钢及其制造方法。
背景技术
油气开采压裂泵用钢是指应用于制造压裂泵的本体和阀体的关键钢铁材料。众所周知页岩气是一种开发潜力巨大，世界储存量丰富的非常规天然气。中国是页岩气存储量最大的国家，但是受限于该天然气存储的外界自然条件，我国的页岩气开采还处于初级阶段。随着非常规油气开采的不断推进，压裂泵作为重要开采设备之一，尤其是超大功率的压裂泵得到了广泛的研究和开发。
油田、页岩气的开采中，高压井，深井的数目逐渐增多，对压裂泵的压力要求也随之提高，如此苛刻的条件导致阀箱的工作压力不断增加，因此经常会出现压裂泵阀箱和其他零件失效的问题。压裂泵的使用寿命降低，使用寿命约为350h左右，已经严重影响到压裂工艺效率。要求压裂泵用钢具有足够的强度和韧性，并且对可以成为压裂泵阀箱裂纹源的各种冶金缺陷的要求十分严格。
因此，如何设计并研发出一种具备更高性能稳定性和更高使用寿命的油气开采压裂泵用钢新材料，是本发明需要解决的技术问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种高强度油气开采压裂泵用钢及其制造方法，钢牌号30CrNi3MoVRE。通过合理控制各种合金元素的配比、关键过程控制点以及科学的热处理制度，有效的保证油气开采压裂泵用钢新材料30CrNi3MoVRE综合性能优异，保证了该材料具有更高的致密性，更高的洁净度，更稳定的性能以及更高的使用寿命。
本发明的技术方案为：
一种高强度油气开采压裂泵用钢，包括以下组分：碳0.28％～0.35％，硅0.20％～0.40％，锰0.50％～0.90％，钒0.01％～0.05％，铬1.20％～1.45％，钼0.35％～0.65％，镍2.90％～3.30％，铜≤0.20％，铝0.010％～0.050％，磷≤0.010％，硫≤0.010％，稀土元素0.03～0.06％，余量为铁和不可避免的元素。
稀土元素的具体作用如下：
(1)深度净化，控制弱化源：主要表现在：可深度降低氧和硫的含量，降低磷、硫、氢、砷、锑、铋、铅、锡等低熔点元素的有害作用。用俄歇能谱和离子探针研究了硫和稀土元素在高速钢晶界上的偏聚。稀土元素使晶界P偏聚减少，消除形成Fe3P弱化晶界的有害作用，改善了晶界状态，从而强化了晶界，阻碍了晶间断裂，增加穿晶断裂分数。
(2)变质作用：稀土不仅能净化钢液，而且能细化钢的凝固组织，改变夹杂物的性质、形态和分布，从而提高钢的各项性能。夹杂物的“形态控制”，是稀土在钢中的主要作用之一，稀土可控制硫、氧夹杂物的形态，如图1-图3所示，明显地表现在改善横向韧性、高温塑性、焊接性能、疲劳性能、耐大气腐蚀性能等。稀土夹杂物的热膨胀系数和钢的近似，如图4所示，可以避免钢材热加工冷却时在夹杂物周围产生大的附加应力，有利于提高钢的疲劳强度。
(3)凝固“组织控制”：二次枝晶间距的大小将影响显微偏析、夹杂及疏松，因而对机械性能产生影响。稀土在钢中形成较高熔点的化合物，在钢液凝固前析出，呈细小的质点分布在钢液中，作为非均质形核中心，降低钢液结晶的过冷度因而可细化钢的凝固组织，减少偏析，实现凝固“组织控制”。
(4)微合金化作用：稀土在钢中有净化和明显的变质作用。钢的洁净度不断提高，稀土元素的微合金强化作用日益突出。稀土的微合金化包括微量稀土元素的固溶强化，稀土元素与其他溶质元素或化合物的交互作用、稀土原子的存在状态(原子、夹杂物或化合物)大小、形状和分布，特别是在晶界的偏聚，以及稀土对钢表面和基体组织结构的影响等。
本发明加入钒的作用为：主要通过形成碳、氮化物来影响钢材的组织结构和性能，比Al元素更容易熔入钢中，钒能起到细化晶粒的作用，显著提高钢材的强度、韧性和耐磨性，钒含量在钢中≤0.15％时，生成的化合物主要以氮化钒的形式存在，能细化晶粒，提高强度和韧性。但是当钢中钒含量大于0.15％后，随着碳化钒化合物的增多，材料的冲击韧性有降低的趋势，兼顾成本考虑，成品设计钒含量V：0.01～0.05％。
优选的，所述高强度油气开采压裂泵用钢的一般疏松≤2.0级，中心疏松≤2.0级，锭型偏析≤2.0级，点状偏析不大于1.0级，晶粒度≥6级，超声波探伤按照GB/T6402-2008标准进行超声波探伤检查，其合格级别4级(长度或密集型点状不连续的当量平底孔直径≤2mm，单个点状不连续的当量平底孔直径≤3mm)。
优选的，所述高强度油气开采压裂泵用钢的A类夹杂物控制在≤1.0级，B类夹杂物≤1.5级，C类夹杂物≤1.0级，D类夹杂物≤1.0级，Ds类≤1.0级。
优选的，所述高强度油气开采压裂泵用钢的T[O]含量在≤20×10-6，H含量控制在≤2×10-6。
优选的，所述高强度油气开采压裂泵用钢的屈服强度Rel≥900MPa，抗拉强度Rm≥1060MPa，延伸率A≥18％，断面收缩率Z≥45％，-20℃冲击功KV2≥40J。
本发明的另一个目的，是提供一种高强度油气开采压裂泵用钢的制造方法，包括以下步骤：
(1)电炉冶炼采用高铁水比例，铁水比≥60％，出钢磷含量控制在≤0.08％，高拉碳出钢，出钢碳含量控制在≥0.20％，出钢温度控制1620～1670℃，按照到LF炉钢中第一样目标铝0.040～0.090％的计算量加入纯铝块，全部采用低氮增碳剂；
(2)精炼渣系采用高碱度精炼渣系，渣二元碱度R(CaO/SiO2)＝4～7，A(CaO/Al2O3)＝1.8～2.2值，精炼石灰按，7～12kg/t加入，高碱度预熔精炼渣300公斤/炉，根据精炼渣实际情况加入炉萤石进行调渣，根据变渣情况，分批使用采用铝粒20～50kg，碳粉≥80kg进行扩散脱氧，使用SiC保持气氛，按照≥2kg/t加入，进按0.035％喂入铝线(考虑残余)；控制VD真空时间≥20min，控制软吹时间20-30min；
(3)稀土的加入时间确定在VD真空处理后进行，根据稀土合金的反应特性，采用投掷的方式加入到钢包中，加入量25～30kg/炉；
(4)锻造加热炉控制加热时间10～12h，保证钢锭芯部加热到规定温度，促进偏析成分的扩散，均热温度控制在1230℃，防止晶粒粗大，始锻温度：1180～1220℃、终锻温度：800～850℃；锻造比≥4；
(5)材料取样后按照等效试棒进行整体热处理，按照淬火温度860～880℃，保温时间3h，回火温度610～650℃，空冷至室温后取样检测，保证屈服强度Rel≥900MPa，Rm≥1060MPa，延伸率A≥17％，断面收缩率Z≥45％，-20℃冲击功KV2≥40J。
尤其控制步骤(1)中脱氧剂铝的加入时机和加入量，确保精炼到站第一样达到0.040％-0.090％。
优选的，所述步骤(1)中的低氮增碳剂成分为：固定碳：98.5％，水分：0.5％，灰分：0.8％max，挥发分：0.7％max(％)，筛下物粒度：10(％)，厂家为巩义市至成冶金耐材有限公司，型号为ZCYJ-LNC。
优选的，所述步骤(4)中始锻温度1180～1220℃，在锻造过程中，采用“凉温锻造”精益操作法，使表面温度降低，再接后续的锻造过程中，能够保证内部变形良好而表面又不产生裂纹，从而保证产品的内部致密度即探伤指标达到GB/T6402-2008标准进行超声波探伤检查，其合格级别4级，长度或密集型点状不连续的当量平底孔直径≤2mm，单个点状不连续的当量平底孔直径≤3mm。
本发明的有益效果为：
(1)本发明提供了高强度油气开采压裂泵用钢新材料，(钢牌号30CrNi3MoVRE)及其制造方法，通过合理控制各种合金元素的配比、关键过程控制点以及科学的热处理制度，有效的保证油气开采压裂泵用钢新材料30CrNi3MoVRE综合性能优异，保证了该材料具有更高的致密性，更高的洁净度，更稳定的性能以及更高的使用寿命。
(2)本发明加入稀土元素，可以显著的提高钢材的性能。稀土元素因独特的电子壳结构而具有极强的化学活性，4f壳层结构的能价态可变和大原子尺寸，是钢极强的净化剂和洁净钢夹杂物的有效变质剂，是有效控制钢中弱化源、降低局域区能态和钢局域弱化的强抑制剂。
(3)本发明加入钒，主要通过形成碳、氮化物来影响钢材的组织结构和性能，比Al元素更容易熔入钢中，钒能起到细化晶粒的作用，显著提高钢材的强度、韧性和耐磨性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1所示为稀土含量与钢中氧含量的关系图；
图2所示为钢中氧含量与夹杂物平均尺寸关系图；
图3所示为稀土对钢中夹杂物尺寸关系图；
图4所示为氧化物夹杂应力图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
实施例1
一种高强度油气开采压裂泵用钢，钢牌号30CrNi3MoVRE，包括以下组分：碳＝0.31％，硅＝0.30％，锰＝0.80％，钒＝0.03％，铬＝1.33％，钼＝0.50％，镍＝3.15％，铜≤0.20％，铝＝0.020％，磷＝0.008％，硫＝0.002％，RE＝0.045％余量为铁和不可避免的元素。
根据以上的成份设计，实施过程中的成分控制实测值见表1：
表1-化学成分内控控制范围
Figure BDA0002301141800000051
在制造高强度油气开采压裂泵用钢30CrNi3MoVRE的过程中，实际控制成分的过程能力控制指数Cpk≥1.70，达到A+级水平，达到了设计要求，具体试验成分见表2。
表2-实测化学成分控制值
炉号 C Si Mn P S Cr Mo V Al Cu Ni RE
1 0.31 0.30 0.80 0.008 0.001 1.33 0.50 0.03 0.020 0.010 3.15 0.042
2 0.31 0.29 0.79 0.009 0.002 1.32 0.48 0.03 0.021 0.012 3.14 0.045
3 0.30 0.31 0.81 0.005 0.003 1.31 0.49 0.03 0.023 0.009 3.16 0.047
4 0.31 0.28 0.80 0.006 0.002 1.32 0.51 0.03 0.018 0.010 3.12 0.040
5 0.32 0.29 0.81 0.009 0.001 1.32 0.52 0.02 0.021 0.010 3.13 0.047
6 0.31 0.30 0.79 0.008 0.002 1.31 0.49 0.03 0.020 0.008 3.14 0.046
7 0.31 0.30 0.80 0.008 0.004 1.32 0.51 0.02 0.020 0.010 3.12 0.045
8 0.32 0.31 0.79 0.004 0.003 1.32 0.49 0.02 0.022 0.009 3.13 0.046
9 0.31 0.29 0.81 0.009 0.002 1.33 0.51 0.02 0.020 0.008 3.17 0.045
10 0.31 0.30 0.81 0.007 0.002 1.34 0.50 0.02 0.019 0.010 3.16 0.047
实施例2
按照实施例1的投料量，本实施例中提供上述一种高强度油气开采压裂泵用钢，钢牌号30CrNi3MoVRE的制造方法：
(1)电炉冶炼采用高铁水比例，铁水比例达到65％，出钢磷含量控制P为0.07％，高拉碳出钢，出钢碳含量控制在0.22％，出钢温度控制1640℃，到LF炉钢中第一样目标铝0.075％的计算量加入纯铝块180kg，全部采用低氮增碳剂；
(2)精炼渣系采用高碱度精炼渣系，渣二元碱度R(CaO/SiO2)＝5，A(CaO/Al2O3)＝1.9值，精炼石灰按，9.5kg/t加入，高碱度预熔精炼渣300公斤/炉，根据精炼渣实际情况加入炉萤石进行调渣，采用铝粒35kg，碳粉95kg进行扩散脱氧(根据变渣情况，必须分批使用)，使用SiC保持气氛，合计使用2.1kg/t加入，进按0.035％喂入铝线(考虑残余)；控制VD真空时间为25min，控制软吹时间25min；
(3)稀土的加入时间确定在VD真空处理后进行，根据稀土合金的反应特性，采用投掷的方式加入到钢包中，加入量28kg/炉。
(4)锻造加热炉控制加热时间11.5h，保证钢锭芯部加热到规定温度，促进偏析成分的扩散，均热温度控制在1230℃，防止晶粒粗大，始锻温度：1200℃、终锻温度：830℃；锻造比为4.6；作为优选尤其控制锻造过程中的温度控制，在锻造过程中，采用“凉温锻造”精益操作法，使表面温度降低，再接后续的锻造过程中，能够保证内部变形良好而表面又不产生裂纹，从而保证产品的内部致密度即探伤指标达到GB/T6402-2008标准进行超声波探伤检查，其合格级别4级(长度或密集型点状不连续的当量平底孔直径≤2mm，单个点状不连续的当量平底孔直径≤3mm)。
(5)材料取样后按照等效试棒进行整体热处理，按照淬火温度870℃，保温时间3h，回火温度630℃，空冷至室温后取样检测，保证屈服强度Rel＝980MPa，Rm＝1150MPa，延伸率A＝21％，断面收缩率Z＝59％，-20℃冲击功KV2＝58J。
实施例3
基于实施例2的制备工艺，步骤(2)中选择高碱度精炼渣系，控制渣二元碱度R(CaO/SiO2)＝4.2，A(CaO/Al2O3)＝1.83，精炼石灰加入7.5kg/t，高碱度预熔精炼渣300公斤/炉,根据精炼渣实际情况加入萤石50进行调渣，分批使用采用铝粒24kg，碳粉85kg进行扩散脱氧，使用SiC保持气氛，按照2.0kg/t加入，进按0.035％喂入铝线(考虑残余)；控制VD真空时间22min，控制软吹时间21min。
通过检验实施例3所得产品的洁净度，得到下列结果：高强度油气开采压裂泵用钢的A类夹杂物控制为1.0级，B类夹杂物1.0级，C类夹杂物0.5级，D类夹杂物0.5级，Ds类≤0.5级。最终检验产品的力学性能屈服强度Rel＝1020MPa，Rm＝1164MPa，延伸率A＝23％，断面收缩率Z＝61％，-20℃冲击功KV2＝64J。
实施例4
基于实施例2的制备工艺，步骤(2)中选择高碱度精炼渣系，控制渣二元碱度R(CaO/SiO2)＝6.5，A(CaO/Al2O3)＝2.1，精炼石灰加入11kg/t，高碱度预熔精炼渣300公斤/炉,根据精炼渣实际情况加入萤石40进行调渣，分批使用采用铝粒45kg，碳粉120kg进行扩散脱氧，使用SiC保持气氛，按照2.5kg/t加入，进按0.035％喂入铝线(考虑残余)；控制VD真空时间28min，控制软吹时间27min；步骤3选择稀土的加入时间在VD真空处理后进行，采用投掷的方式加入到钢包中，加入量25kg/炉；
通过检验实施例3所得产品的气体含量即T[O]和H，得到下列结果：高强度油气开采压裂泵用钢的T[O]＝12×10-6；H＝0.5×10-6。最终检验产品的力学性能屈服强度Rel＝954MPa，Rm＝1130MPa，延伸率A＝20％，断面收缩率Z＝57％，-20℃冲击功KV2＝52J。
本发明所述的高强度油气开采压裂泵用钢新材料，(钢牌号30CrNi3MoVRE)及其制造方法，通过合理控制各种合金元素的配比、关键过程控制点以及科学的热处理制度，有效的保证油气开采压裂泵用钢新材料30CrNi3MoVRE综合性能优异，保证了该材料具有更高的致密性，更高的洁净度，更稳定的性能以及更高的使用寿命。
尽管通过优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求所述的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种高强度油气开采压裂泵用钢，其特征在于，包括以下组分：碳0.28%~0.35%，硅0.20%~0.40%，锰0.50%~0.90%，钒0.01%~0.05%，铬1.20%~1.45%，钼0.35%~0.65%，镍2.90%~3.30%，铜≤0.20%，铝0.010%~0.050%，磷≤0.010%，硫≤0.010%，稀土元素0.03~0.06%，余量为铁和不可避免的元素；
所述压裂泵用钢的制备方法包括以下步骤：
（1）电炉冶炼采用高铁水比例，铁水比≥60%，出钢磷含量控制在≤0.08%，高拉碳出钢，出钢碳含量控制在≥0.20%，出钢温度控制1620~1670℃，按照到LF炉钢中第一样目标铝0.040~0.090%的计算量加入纯铝块，全部采用低氮增碳剂；
（2）精炼渣系采用高碱度精炼渣系，渣二元碱度R（CaO/SiO2）=4~7，A（CaO/Al2O3）=1.8~2.2值，精炼石灰按，7~12kg/t加入，高碱度预熔精炼渣300公斤/炉，根据精炼渣实际情况加入炉萤石进行调渣，根据变渣情况，分批使用采用铝粒20~50kg，碳粉≥80kg进行扩散脱氧，使用SiC保持气氛，按照≥2kg/t加入，进按0.035%喂入铝线，考虑残余；控制VD真空时间≥20min，控制软吹时间20-30min；
（3）稀土的加入时间确定在VD真空处理后进行，根据稀土合金的反应特性，采用投掷的方式加入到钢包中，加入量25~30 kg /炉；
（4）锻造加热炉控制加热时间10～12h，保证钢锭芯部加热到规定温度，促进偏析成分的扩散，均热温度控制在1230℃，防止晶粒粗大，始锻温度：1220~1180℃、终锻温度：800~850℃；锻造比≥4；
（5）材料取样后按照等效试棒进行整体热处理，按照淬火温度860~880℃，保温时间3h，回火温度610~650℃，空冷至室温后取样检测，保证屈服强度Rel≥900MPa，Rm≥1060MPa，延伸率A≥17%，断面收缩率Z≥45%，-20℃冲击功KV2≥40J。
2.如权利要求1所述的一种高强度油气开采压裂泵用钢，其特征在于，所述高强度油气开采压裂泵用钢的一般疏松≤2.0级，中心疏松≤2.0级，锭型偏析≤2.0级，点状偏析不大于1.0级，晶粒度≥6级，超声波探伤按照GB/T6402-2008标准进行超声波探伤检查，其合格级别4级，长度或密集型点状不连续的当量平底孔直径≤2mm，单个点状不连续的当量平底孔直径≤3mm。
3.如权利要求1所述的一种高强度油气开采压裂泵用钢，其特征在于，所述高强度油气开采压裂泵用钢的A类夹杂物控制在≤1.0级，B类夹杂物≤1.5级，C类夹杂物≤1.0级，D类夹杂物≤1.0级，Ds类≤1.0级。
4.如权利要求1所述的一种高强度油气开采压裂泵用钢，其特征在于，所述高强度油气开采压裂泵用钢的T[O]含量在≤20×10-6，H含量控制在≤2×10-6。
5.如权利要求1所述的一种高强度油气开采压裂泵用钢，其特征在于，所述高强度油气开采压裂泵用钢的屈服强度Rel≥900MPa，抗拉强度Rm≥1060MPa，延伸率A≥18%，断面收缩率Z≥45%，-20℃冲击功KV2≥40J。
6.一种高强度油气开采压裂泵用钢的制造方法，其特征在于，所述压裂泵用钢包括以下组分：碳0.28%~0.35%，硅0.20%~0.40%，锰0.50%~0.90%，钒0.01%~0.05%，铬1.20%~1.45%，钼0.35%~0.65%，镍2.90%~3.30%，铜≤0.20%，铝0.010%~0.050%，磷≤0.010%，硫≤0.010%，稀土元素0.03~0.06%，余量为铁和不可避免的元素；
包括以下步骤：
（1）电炉冶炼采用高铁水比例，铁水比≥60%，出钢磷含量控制在≤0.08%，高拉碳出钢，出钢碳含量控制在≥0.20%，出钢温度控制1620~1670℃，按照到LF炉钢中第一样目标铝0.040~0.090%的计算量加入纯铝块，全部采用低氮增碳剂；
（2）精炼渣系采用高碱度精炼渣系，渣二元碱度R（CaO/SiO2）=4~7，A（CaO/Al2O3）=1.8~2.2值，精炼石灰按，7~12kg/t加入，高碱度预熔精炼渣300公斤/炉，根据精炼渣实际情况加入炉萤石进行调渣，根据变渣情况，分批使用采用铝粒20~50kg，碳粉≥80kg进行扩散脱氧，使用SiC保持气氛，按照≥2kg/t加入，进按0.035%喂入铝线，考虑残余；控制VD真空时间≥20min，控制软吹时间20-30min；
（3）稀土的加入时间确定在VD真空处理后进行，根据稀土合金的反应特性，采用投掷的方式加入到钢包中，加入量25~30 kg /炉；
（4）锻造加热炉控制加热时间10～12h，保证钢锭芯部加热到规定温度，促进偏析成分的扩散，均热温度控制在1230℃，防止晶粒粗大，始锻温度：1220~1180℃、终锻温度：800~850℃；锻造比≥4；
（5）材料取样后按照等效试棒进行整体热处理，按照淬火温度860~880℃，保温时间3h，回火温度610~650℃，空冷至室温后取样检测，保证屈服强度Rel≥900MPa，Rm≥1060MPa，延伸率A≥17%，断面收缩率Z≥45%，-20℃冲击功KV2≥40J。
7.如权利要求6所述的一种高强度油气开采压裂泵用钢的制造方法，其特征在于，所述步骤（4）中始锻温度1180~1220℃，在锻造过程中，采用“凉温锻造”精益操作法，使表面温度降低，再接后续的锻造过程中，能够保证内部变形良好而表面又不产生裂纹，从而保证产品的内部致密度即探伤指标达到GB/T6402-2008标准进行超声波探伤检查，其合格级别4级，长度或密集型点状不连续的当量平底孔直径≤2mm，单个点状不连续的当量平底孔直径≤3mm。
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