專利名稱：：一種高強韌性連續抽油桿用鋼及其制造方法
技術領域：
：本發明涉及冶金行業結構鋼的成分設計及其制造方法，尤其是指高強度、高韌性連續抽油桿鋼的成分設計及其制造方法。
背景技術：
：目前，我國陸上大約有90%以上的油井使用有桿泵采油方式。一般采用鋼質抽油桿，其按強度級別可分為D級桿、H級桿兩種，D級桿采用的鋼號有35Mn2、35CrMo、42CrMo，制造H級桿主要有12Mn2SiCr、16Mn2SiCr、20Cr2MoNi等。美國石油協會推薦的D級抽油桿有536和4142(分別相當于35Mn2和42CrMo鋼)。隨著采油工業迅速的發展和許多油田不斷處于后期開采，采油層逐漸降低和油井加深，要求抽油桿不僅具有足夠的強度，而且還要有較高的韌性。如中國專利申請號90104471.7、200410062593.0、日本專利申請號昭60-238416所公開的抽油桿鋼強度達不到高強度的要求中國專利申請號92102405.3、96101923.9、01106092.1所公開的抽油桿鋼為非調質鋼，即通過加入Nb、V、Ti或B元素以達到微合金化之目的，一方面生產上需要精確控制工藝參數以獲得要求的組織，生產上難于控制，而存在較大的波動性，另-方面，強韌性偏低；中國專利申請號200410024409.3是唯一的連續抽油桿鋼，具有較為出色的韌性，但強度與韌性的配合不理想；日本專利申請號昭60-238418、昭61-295319所公開的抽油桿鋼中Cr含量為8.015.0%，合金成分太高而成本一般不被石油設備廠采用。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage3</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>綜上所述，現有所用的連續抽油桿用鋼存在以下不足之處1.現有抽油桿鋼一般不能滿足較高強度級別的要求(如對比例1的碳含量為0.250.30%，碳當量過高不利于塑性和焊接性能)，即使有能滿足強韌性的要求，但成本一般不被石油設備廠所接受(如對比例3中Cr含量為8.015.0%);2.現有抽油桿鋼強度與塑性的匹配不是很理想(如對比例2，斷面收縮率和伸長率不理想)，特別是拉伸試驗的延伸率偏低-，3.現有抽油桿的耐沖擊性能普遍偏低(如對比例1、2，其沖擊一般不會超過110J)，易造成抽油桿在復雜的工作環境下承受的復雜應力條件下發生疲勞斷裂的傾向。
發明內容本發明的目的在于提供一種高強韌性連續抽油桿用鋼及其制造方法，解決現有抽油桿強度、塑性偏低以及強塑匹配不良，易發生疲勞斷裂的問題；提高抽油桿鋼的綜合機械性能，提高抽油桿的疲勞壽命，提高抽油設備的整體穩定性，進---步滿足石油工業的發展。為達到上述目的，本發明的技術解決方案是，一種高強韌性連續抽油桿用鋼，其化學成分質量百分比為c0.120.22Si0.150.40Mn0.300.60Mo0.200.40Ni1.301.95Cr0眉0.60V0.200.35Al0.0150.050Cu《0.30<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>余量為Fe和不可避免雜質。其中碳是提高鋼強度的主要元素，保證一定的強度必須一定的碳含量，但是碳元素對塑性不利，同時大于0.30%的碳含量不利焊接性能，控制0.120.21%碳含量較為合理。錳錳在鋼中起固溶強化、細化晶粒的作用來提高強度，能顯著提高淬透性；但是錳在鋼中有促進奧氏體化晶粒長大缺點，錳的含量控制在0.300.60%能在本發明鋼中發揮良好的作用。硅在鋼中能顯著提高屈服強度，其固溶強化效果高于錳，在鐵素體中能產生M-A島狀組織物，有效提高鋼的強度。但是硅的增加會降低塑性，特別是對延伸率的降低更大，控制0.150.40%的硅含量，可以起到固溶強化的同時提高韌性。鎳非碳化物形成元素鎳，能降低碳在奧氏體中的擴散激活能，加速碳的擴散，對奧氏體的形成有一定的加速作用；同時鎳能強烈地推遲珠光體的轉變作用，可以增大奧氏體的過冷能力，從而細化組織，得到強化的效果。研究表明含量較低的鎳含量對奧氏體恒溫轉變曲線的影響不太顯著，本發明鋼中添加1.301.95%鎳元素在抽油桿特別是連續抽油桿中能明顯增強強韌性、耐回火能力以及一定的耐腐蝕性能。現有抽油桿用合金結構鋼均不含鎳元素，因而強韌性配合一直不甚理想。鉻鉻是一種比較弱的碳化物形成元素，可以降低強碳化物的穩定性加速其溶解。同時鉻也可以增大奧氏體的過冷能力，從而細化組織，得到強化的效果。成分設計時，因考慮加入1.301.95%的鎳元素，可加入相對經濟的鉻元素，而研究表明加入0.400.60%鉻與鎳配合能起到提高強韌性。本發明鋼較現有抽油桿用鋼鉻的含量低，因而能降低一定的制造成本。鉬鉬與鉻、鎳同時加入時鉬的作用在鋼中非常顯著。鉬作為中強碳化物形成元素可以強烈地阻礙碳化物的形核和長大，同時還可以有效提高淬透性。本發明鋼加入0.200.40%的鉬是最經濟有效的含量。鋁屬于細化晶粒元素。鋁元素與上述元素配合可進一步細化晶粒，增加淬透性，并提高強韌性。但經驗表明過多的鋁易增加鋼中夾雜物產生的機會，因此0.0150.0500%鋁的是本發明鋼適宜的含量。問時硫、磷、鉛、銻、鉍在技術條件允許情況下應盡可能降低其含量，以減少原奧氏體晶界處的偏聚，提高韌性。殘余元素和氣體含量控制在相當低含量水平，使鋼具有相當高的純凈度，溶于奧氏體中的碳元素與各元素之間達到理想的最佳配比含量，從而為提高材質的均勻性和強韌性奠定丫基礎。本發明的高強韌性連續抽油桿用鋼的制造方法，其包括如下歩驟1)抽油桿用鋼的化學成分質量百分比為C:0.120.22、Si:0.150.40、Mn:0.300.60、Mo:0.200.40、Ni:1.301.95、Cr:0.400.60、V:0.200.35、Al:0.0150.050、Cu《0.30、S《0.015、P《0.020、余量為Fe和不可避免雜質；2)按上述成分電弧爐冶煉、鋼包精煉、連鑄澆注成坯，其中，鋼包精煉保證《0.0025%、[H]《0.00015%;3)連鑄坯加熱，均熱溫度1130118(TC，加熱保溫時間》2.5小時，出爐溫度11001180°C;4)控制軋制，終軋溫度820860°C;5)控制冷卻軋成盤條后在線緩冷，冷卻速度408(TC/h。進一步，還包括，步驟6)盤條退火，退火溫度68072(TC，保持時間510小時，出爐溫度《50(TC，空冷。其中，鋼包精煉在鋼包精煉爐(容量與電爐相匹配)上，進行鋼液的精煉，去除鋼中的有害氣體和夾雜物，保證《0.0025%、[H]《0.00015%;所有成分進入優化要求的范圍內開始吊包；連鑄澆注鋼包內高溫鋼液通過保護套管，澆進中間包，中間包過熱度《35t:。中間包使用前完全清理、內表面為耐火涂層且不得有裂縫；中間包內的鋼液經連鑄結晶器，澆注出的合格連鑄坯。軋制采用軋鋼機熱加工軋制方法，先將合格的連鑄坯表面進行清理，再將其熱加工軋制至成品盤條，其加熱爐加熱工藝均熱溫度11301180°C，加熱保溫時間》2.5小時，鋼坯出爐溫度11001180°C，陰陽面溫差《30°C;控制軋制加熱均勻的鋼坯出爐后，正常開啟高壓除鱗機，控制終軋溫度840860°C;控制冷卻軋成盤條后在線緩冷，冷卻速度4080°C/h，不得吹風。控制軋制的目的是減少脫碳層深度、控制晶粒度尺寸、改善鋼材的冷變形性能、控制抗拉強度及顯微組織。通過控制加熱溫度、保溫時間和較小的陰陽面溫度差以保證鋼坯加熱均勻(過高的溫度會帶來嚴重的脫碳和奧氏體晶粒粗大影響韌性，而過低的溫度則造成軋制困難)。在隨后的軋制中細化變形奧氏體向鐵素體和珠光體的相變，形成細化的鐵素體晶粒和較為細小的珠光體團。控制冷卻加熱均勻的鋼坯出爐后，正常開啟高壓除鱗機(清除氧化鐵皮)。為獲得良好的熱軋組織及組織性能均勻應終軋溫度為840860°C，盤條鋼經輥道輸送快冷后進入在線緩冷罩(冷卻速度4080。C/h)，最終獲得細片狀的珠光體+鐵素體平衡組織。即通過控制相變區冷卻速度及奧氏體分解轉變的溫度和時間，這對最終組織形態起決定作用。本發明的有益效果1.本發明抽油桿采用盤條形式，鋼質連續抽油桿不同規格之間的連接采用焊接代替螺紋連接，可作大幅度降低抽油桿失效頻率，減少抽油桿與油管的磨損，可降低抽油桿的工作應力。2.本發明盤條鋼純潔度高夾雜物級別低(A2B2C1D1)，氣體含量(氧《15ppm，氫《1.5ppm)。3.本發明盤條鋼組織為鐵素體+球狀珠光體，盤條直接進行開巻后可以在連續感應熱處理設備上進行調質處理。4.本發明盤條鋼開巻后在連續感應熱處理設備上進行調質處理(850910°C油淬+560620°C回火)可獲得優良的綜合機械性能屈服強度(Rm)》7卯MPa，抗拉強度(Rp0.2)》8卯MPa，延伸率(A)》20%，斷面收縮率(Z)》50%，沖擊韌性(Aku2)》110J。5.本發明盤條鋼具有良好的焊接性能，抽油桿經閃光焊接后其焊縫處的力學性能不低于原桿的力學性能。6.本發明鋼制成的抽油桿具有良好的疲勞性能。7.本發明對于斜井、深井，腐蝕井及低滲透井等復雜狀況的油井中的抽油桿尤其有效。具體實施方式本發明實施例參見表2，力學性能參見表3。斷面尺寸為90X90mn^360X360mm2的合格連鑄坯合格連鑄坯；軋制為獲得良好的軋態組織，線徑大于18mm，實施加熱溫度11201150°C,終軋溫度為820840°C，軋后以4080°C/h冷卻速度冷卻，當線徑5mm<d>《18mm時實施加熱溫度11501180°C，終軋溫度為840860°C，軋后以4080°C/h冷卻速度冷卻；熱軋盤條退火，退火溫度680720°C，保持時間510小時，出爐溫度《500°C，空冷。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>表3力學性能<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>綜上所述，實施本發明生產的盤條鋼，經國內某抽油桿生產廠制成連續抽油桿并應用于國內某大型油田，各項性能均符合使用要求，相對普通抽油桿能夠較好地解決普通抽油桿無法解決的問題，有著替代普通抽油桿的趨勢，特別是對于解決斜井、深井，腐蝕井及低滲透井等有著十分重要意義。權利要求1.一種高強韌性連續抽油桿用鋼，其化學成分質量百分比為C0.12～0.22Si0.15～0.40Mn0.30～0.60Mo0.20～0.40Ni1.30～1.95Cr0.40～0.60V0.20～0.35Al0.015～0.050Cu≤0.30S≤0.015P≤0.020余量為Fe和不可避免雜質。2.如權利要求1所述的高強韌性連續抽油桿用鋼的制造方法，其包括如卩歩驟1)抽油桿用鋼的化學成分質量百分比為C:0.120.22、Si:0.150.40、Mn:0.300.60、Mo:0.200.40、Ni:1.301.95、Cr:0.400.60、V:0.200.35、Ah0.0150.050、Cu《0.30、S《0.015、P《0.020、余量為Fe和不可避免雜質；2)按上述成分電弧爐冶煉、鋼包精煉、連鑄澆注成壞，其中，鋼包精煉保證[O]《00025%、[H]《000015%;3)連鑄坯加熱，均熱溫度11301180°C,加熱保溫時間》2.5小時，'出爐溫度11001180°C;4)控制軋制，軋制成盤條，終軋溫度82086(TC;5)控制冷卻軋成盤條后在線緩冷，冷卻速度408(TC/h。3.如權利要求2所述的高強韌性連續抽油桿用鋼的制造方法，其特征是，還包括，步驟6)盤條退火，退火溫度680720°C，保持時間510小時，出爐溫度《50(TC，空冷。全文摘要本發明公開一種高強韌性連續抽油桿用鋼及其制造方法，解決現有抽油桿強度、塑性偏低以及強塑匹配不良，易發生疲勞斷裂的問題；其包括如下步驟1)其化學成分質量百分比為C0.12～0.22、Si0.15～0.40、Mn0.30～0.60、Mo0.20～0.40、Ni1.30～1.95、Cr0.40～0.60、V0.20～0.35、Al0.015～0.050、Cu≤0.30、S≤0.015、P≤0.020、余Fe；2)冶煉、鋼包精煉、連鑄成坯，[O]≤0.0025％、[H]≤0.00015％；3)鑄坯加熱，均熱溫度1130～1180℃，保溫時間≥2.5小時，出爐溫度1100～1180℃；4)控制軋制，終軋溫度820～860℃；5)控制冷卻冷卻速度40～80℃/h。本發明提高抽油桿鋼的綜合機械性能和疲勞壽命，滿足石油工業的發展。文檔編號B22D11/16GK101245436SQ20071003766公開日2008年8月20日申請日期2007年2月16日優先權日2007年2月16日發明者劉湘江,胡俊輝,胡洋聰,趙亞平,鴻駱,黃澤民申請人:寶山鋼鐵股份有限公司