CN117127118A - 一种110ksi级高强韧油井管用连轧钢及其生产方法 - Google Patents

一种110ksi级高强韧油井管用连轧钢及其生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种110ksi级高强韧油井管用热连轧钢及其生产方法，属于高强度管线钢的生产技术领域。本发明的热连轧钢的化学成分及重量百分比如下：C：0.20‑0.30％，Si：0.10‑0.40％，Mn：1.10～1.50％，P≤0.020％，S≤0.010％，Cr：0.30～0.50％，Mo：0.20～0.40％，V：0.01～0.10％，Als：0.010～0.050％，其余为Fe及不可避免的杂质元素，通过转炉冶炼→LF精炼→RH精炼→连铸→热轧→板坯加热→粗轧→精轧→层流冷却→卷取→热处理等工序生产得到。所得的热连轧钢的显微组织为马氏体，屈服强度758～965MPa，抗拉强度≥862MPa，延伸率≥15％，横向冲击功≥32J。本发明的油井管用热连轧钢表面质量和尺寸精度控制均优于传统的无缝钢管，且热连轧的控轧控冷工艺还有利于提高钢的强度和韧性。

Description

一种110ksi级高强韧油井管用连轧钢及其生产方法
技术领域
本发明属于高强度管线钢的生产技术领域，具体涉及一种110ksi级高强韧油井管用热连轧钢及其生产方法。
背景技术
近年来，随着石油行业技术发展，特别是美国的页岩气开采技术的发展，页岩气油田的开发越来越受到重视，我国西南地区也存在大量页岩气油田。油井管作为页岩气油井重要的支撑件，对材料的强度、韧性、耐蚀性能要求严格。传统油井管大多数采用无缝钢管制备，结合调质热处理以提高强度，但是无缝钢管尺寸控制精度较差，生产效率较低。近年来，以宝鸡钢管为代表的国内制管厂联合钢厂，开展油井管用热连轧钢卷/钢带开发，以焊管替代无缝钢管，从而提高钢管的控制精度和生产效率。
发明专利CN101289730B公开了一种110ksi高钢级、高抗CO2腐蚀油套管的制法及使用该制法制得的油套管。所述钢的成分为：0.15-0.25％C，0.2～1.0％Si，0.2～1.0％Mn，12.0～14.0％Cr，0.5～1.5％Ni，0.2～1.0％Mo，0.03～0.10％N，其余为Fe和不可避免的杂质，并提供了所述油套管的制法：冶炼浇铸成铸锭，经初轧、退火、保温、穿孔、热轧成荒管，再经淬火-回火热处理获得。上述油套管采用无缝钢管工艺制备，且添加了大量Cr元素，合金成本较高。发明专利CN100507052C公开了一种110钢级抗二氧化碳、氯离子腐蚀不锈钢油井管用钢，其成分为0.05～0.18％C，0.2～1.0％Si，0.2～1.0％Mn，10.0～14.0％Cr，0.5～3.0％Ni，0.1～0.5％Mo，0.5～1.5％Cu，0.03～0.08％V，其余为Fe及不可避免的杂质，通过添加Ni、Mo、Cu、V等元素，获得强度等级达到110钢级的油井管，而且，由于Ni、Cu复合作用，提高了油井管的耐蚀性能和冲击性能。但上述油套管合金成本偏高。
由上可知，现有专利大多数采用无缝钢管工艺制备，且合金含量添加较高。因此设计一种低合金成本的110ksi钢级高强韧油井管用热连轧钢的生产方成为当前亟待研究的重要课题。
发明内容
鉴于此，本发明的目的是提供了一种110ksi级高强韧油井管用热连轧钢及其生产方法，本发明生产的该钢种热处理后显微组织为马氏体，屈服强度758～965MPa，抗拉强度≥862MPa，延伸率≥15％，横向冲击功≥32J。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种110ksi级高强韧油井管用热连轧钢，所述的热连轧钢的化学成分及重量百分比如下：C：0.20-0.30％，Si：0.10-0.40％，Mn：1.10～1.50％，P≤0.020％，S≤0.010％，Cr：0.30～0.50％，Mo：0.20～0.40％，V：0.01～0.10％，Als：0.010～0.050％，其余为Fe及不可避免的杂质元素。
基于上述技术方案，进一步地，所述的热连轧钢的化学成分及重量百分比如下：C：0.25-0.28％，Si：0.15-0.35％，Mn：1.20～1.40％，P≤0.015％，S≤0.008％，Cr：0.40～0.50％，Mo：0.20～0.30％，V：0.04～0.06％，Als：0.010～0.040％，其余为Fe及不可避免的杂质元素。
基于上述技术方案，进一步地，所述的110ksi级高强韧油井管用热连轧钢的显微组织为马氏体，屈服强度758～965MPa，抗拉强度≥862MPa，延伸率≥15％，横向冲击功≥32J。
本发明还提供上述的110ksi级高强韧油井管用热连轧钢的生产方法，主要包括如下工序：转炉冶炼→LF精炼→RH精炼→连铸→热轧→板坯加热→粗轧→精轧→层流冷却→卷取→热处理。
基于上述技术方案，进一步地，连铸时过热度≤35℃，优选的，过热度15-30℃。
基于上述技术方案，进一步地，连铸时采用单流浇铸，浇铸拉速0.9～1.2m/min，优选的，浇铸拉速1.0～1.1m/min。
基于上述技术方案，进一步地，连铸获得的钢坯厚度为200-230mm。
基于上述技术方案，进一步地，连铸获得的钢坯立即送往热轧工序进行热送热装，铸坯切割完成后送到加热炉辊道时间≤30min。
基于上述技术方案，进一步地，板坯加热温度≥1180℃，加热时间≥190min，优选的，加热温度1180～1220℃，加热时间190-250min。
基于上述技术方案，进一步地，粗轧采用5-6道次轧制，采用5道次轧制时，每道次变形量≥20％，采用6道次轧制时，每道次变形量≥18％。
基于上述技术方案，进一步地，粗轧获得的中间坯厚度为40-50mm，优选的，中间坯厚度为44-48mm。
基于上述技术方案，进一步地，精轧采用6-7道次轧制，精轧入口温度≤1020℃，精轧出口温度850-900℃，优选的，精轧入口温度980-1020℃，精轧出口温度855-885℃。
基于上述技术方案，进一步地，精轧后的钢板厚度8-15mm。
基于上述技术方案，进一步地，层流冷却速率为10-25℃/s，卷取温度600-650℃，优选的，层流冷却速率15-20℃/s，卷取温度610-630℃。
基于上述技术方案，进一步地，热处理过程为：淬火温度880-940℃，保温时间40-60min，回火温度580-640℃，回火时间60-80min。优选的，淬火温度900-920℃，回火温度600-620℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1.本发明提供的油井管用热连轧钢表面质量和尺寸精度控制均优于传统的无缝钢管，且热连轧的控轧控冷工艺还有利于提高钢的强度和韧性。
2.本发明促进了钒钛资源的综合利用及页岩气开采行业的发展，满足了国家能源结构优化的需要。该发明预计吨钢创效1000元，按每年产量2000吨计算，预计创效200万元。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例涉及的附图进行简单地介绍。
图1为实施例1制备的热连轧钢的显微组织图。
图2为实施例2制备的热连轧钢的显微组织图。
图3为实施例3制备的热连轧钢的显微组织图。
图4为对比例1制备的热连轧钢的显微组织图。
图5为对比例2制备的热连轧钢的显微组织图。
图6为对比例3制备的热连轧钢的显微组织图。
具体实施方式
本发明提供一种110ksi级油井管用热连轧钢及其生产方法，本发明的热连轧钢中各合金成分的作用机理如下：
C是钢中重要的强化元素，对热处理后钢板的马氏体、渗碳体含量、抗拉强度等影响显著，随着C含量增加，热处理钢板的抗拉强度增加，但C含量过高易引起铸坯偏析，降低钢的冲击韧性，因此，将C含量控制为0.20-0.30％。
Mn在钢中起到固溶强化、提高韧性的作用，提高Mn元素含量可以提高奥氏体的淬透性，并降低马氏体转变临界冷却速率，但是Mn含量过高时，易引起铸坯偏析，降低钢的冲击韧性，因此，将Mn含量控制为1.10～1.50％。
Cr、Mo、V均能够提高钢的淬透性，促进马氏体转变，从而提高钢的强度。另外，Mo、V是碳化物析出元素，能够在回火过程中析出，从而强化钢基体。本发明要求添加Cr、Mo、V元素，并将其含量分别限定在0.30～0.50％、0.20～0.40％、0.01～0.10％范围。
本发明所述钢中添加了Cr、Mo、V等淬透性元素，且C含量较高，因此在冶炼工序，特别是连铸工序首要考虑的是铸坯的开裂敏感性和偏析的控制。因此，本发明采用低过热度恒速浇铸，将中包过热度控制在不高于35℃的较低水平，尽量增加浇铸拉速，减小铸坯偏析的级别。同时，铸坯切割后迅速送入热轧工序进行热送热装，时间间隔不得超过30min，以降低铸坯偏析级别，减少铸坯开裂的风险。
另外，板坯加热温度的设定主要考虑到，温度偏低时合金元素无法充分固溶，温度偏高时奥氏体粗化长大不利于后续显微组织的调控，因此将加热温度控制在≥1180℃范围。
在粗轧工序，为促进奥氏体动态再结晶，细化原始奥氏体晶粒，本发明要求道次变形量高于18％的临界值，否则，钢板厚度方向奥氏体变形不均匀，易形成混晶，影响成品组织均匀性。
在精轧工序，为促进奥氏体扁平化，为后续相变提高形核中心，从而细化相变后的显微组织，提高钢的冲击韧性。本发明要求采用较低的精轧温度，将精轧开轧温度限定在≤1020℃的较低水平。
在层流冷却工序，为细化相变组织，本发明要求采用较高的冷却速率。因此，本发明将层流冷却速率控制在10-25℃/s范围。
在热处理工序，本发明将淬火温度设定为略高于Ac3+50℃的温度范围，以促进完全奥氏体化，其中，Ac3的计算参照K.W.Andrew经验公式：
Ac3＝910-203[C]1/2-15.2[Ni]+44.7[Si]+104[V]+31.5[Mo]+13.1[W]，将本发明所述钢种化学成分要求代入公式计算得到Ac3为820～840℃，故将淬火温度控制在880～940℃范围。
在热处理工序，本发明将回火温度设定为低于Ac1的某一温度，根据K.W.Andrew经验公式：Ac1＝723-10.7[Mn]-16.9[Ni]+29.1[Si]+16.9[Cr]+290[As]+6.38[W]，将本发明所述钢种化学成分要求代入公式计算得到Ac1为719～729℃。同时，考虑到本发明所述110ksi油井管对低温冲击性能要求较高，故采用高温回火以提高冲击韧性，本发明将回火温度控制在580-640℃范围。
下面结合实施例对本发明进行详细的说明，但本发明的实施方式不限于此，显而易见地，下面描述中的实施例仅是本发明的部分实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，获得其他的类似的实施例均落入本发明的保护范围。
实施例1-3及对比例1-3提供一种110ksi油井管用热连轧钢生产方法，经转炉冶炼、精炼、连铸、热轧、层流冷却、卷取、热处理后获得，其中，实施例1-3及对比例1-3的热连轧钢的化学成分及质量百分比见表1，生产工艺参数见表2-3，热处理后的力学性能见表4。
表1实施例1-3及对比例1-3的热连轧钢的化学成分及质量百分比(wt％)
表2实施例1-3及对比例1-3的热连轧钢的工艺参数
表3实施例1-3及对比例1-3的热连轧钢的工艺参数
表4实施例1-3及对比例1-3的热连轧钢的力学性能
有上述结果可见，实施例1～实施例3的热连轧钢的屈服强度、抗拉强度为和冲击功均满足110ksi油井管用钢的标准要求，显微组织均为马氏体组织，见附图1～附图3。
对比例1由于C、Cr、Mo含量较低，热处理后强度略低，对比例2由于Mn、Cr、Mo、V含量较高，淬透性高，且连铸时过热度偏高，浇铸速度过快，易造成铸坯偏析，经热轧、热处理后仍难以去除，因此对比例2显微组织中带状组织严重(附图5)，强度较高，但冲击功偏低。对比例3化学成分满足要求，但板坯加热温度较高，加热时间偏长，且粗轧单道次变形量较低，精轧温度较高，造成奥氏体组织粗大，因此显微组织较为粗大(附图6)，再加上回火温度较低，导致材料的冲击功偏低。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种110ksi级高强韧油井管用热连轧钢，其特征在于，所述的热连轧钢的化学成分及重量百分比如下：C：0.20-0.30％，Si：0.10-0.40％，Mn：1.10～1.50％，P≤0.020％，S≤0.010％，Cr：0.30～0.50％，Mo：0.20～0.40％，V：0.01～0.10％，Als：0.010～0.050％，其余为Fe及不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求1所述的110ksi级高强韧油井管用热连轧钢，其特征在于，所述的热连轧钢的化学成分及重量百分比如下：C：0.25-0.28％，Si：0.15-0.35％，Mn：1.20～1.40％，P≤0.015％，S≤0.008％，Cr：0.40～0.50％，Mo：0.20～0.30％，V：0.04～0.06％，Als：0.010～0.040％，其余为Fe及不可避免的杂质元素。
3.权利要求1或2所述的110ksi级高强韧油井管用热连轧钢的生产方法，其特征在于，主要包括如下工序：转炉冶炼→LF精炼→RH精炼→连铸→热轧→板坯加热→粗轧→精轧→层流冷却→卷取→热处理。
4.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于，连铸时过热度≤35℃；连铸时浇铸拉速0.9～1.2m/min。
5.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于，连铸获得的钢坯立即送往热轧工序进行热送热装，铸坯切割完成后送到加热炉辊道时间≤30min。
6.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于，板坯加热温度≥1180℃，加热时间≥190min。
7.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于，粗轧采用5-6道次轧制，采用5道次轧制时，每道次变形量≥20％，采用6道次轧制时，每道次变形量≥18％。
8.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于，精轧采用6-7道次轧制，精轧入口温度≤1020℃，精轧出口温度850-900℃。
9.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于，层流冷却速率为10-25℃/s，卷取温度600-650℃。
10.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于，热处理过程为：淬火温度880-940℃，保温时间40-60min，回火温度580-640℃，回火时间60-80min。
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