[0001] 本
申请是申请日为2012年05月23日、申请号为201210160645.2、
发明名称为“石油套管连接件用钢及其制造方法”的
专利申请的分案申请。
技术领域
[0002] 本发明属于
冶金技术领域，涉及一种石油套管连接件用钢及其制造方法。
背景技术
[0003] 石油工作作为“工业血液”在保证经济发展中具有无可替代的重要作用，随着石油工作的迅速发展，油井开发向深井、超深井、大位移等方向发展。石油套管是一种广泛应用于石油开采领域的关键设备，其主要作用是固定油井壁。由于石油开采工艺的特殊性，石油套管的
质量直接影响到油井的生产安全，套管的外部要承受各类底层
地层地压和地下
水压
力，套管的内部则要承受泥浆，内压及水蒸气压力，有时还要承受
腐蚀性液体以及气体的侵蚀，因此要求石油套管应具有优良的综合力学性能，即要有高的抗
挤压破坏强度，又有耐内压的
屈服强度。石油套管连接件（
套管接头、套管四通等）是将石油套管相互连接起来,下入井中的部件，从井口到几千米深的管柱被悬挂着。每个套管连接件都必须支持下面悬挂管柱的重量，还要承受使用条件下的拉、压、扭、弯等各种
载荷的综合作用，因此，高强度是最重要性能要求之一；同时，
钻杆与套管径向、轴向摩擦使钻杆外壁及套管内壁严重磨损,这种磨损多发生于钻杆及套管的连接部位，因此，又要求有较强的
耐磨性；油井地矿复杂，要求耐侵蚀性强。总之，石油套管连接件用钢要求钢材的强度高，钢质均匀，耐侵蚀性强，耐磨性好。
[0004] 中
碳Cr-Mo系调质
合金结构钢，具有高比强、高硬、高韧、良好淬透性、易加工等优良的使用性能和加工性能，成为石油套管连接件用钢常用钢种。由于石油套管连接件用钢的质量要求苛刻，其锻件要求保证满足高等级探伤。当前，用户主要采用钢锭来作为锻件原料，但由于钢锭存在成材率低，组织致密性、成分均匀性差等问题，导致锻件的质量
稳定性低、废品率高、原料成本增加。因此，用户迫切希望用
连铸圆坯取代钢锭作为锻件原料，来提高
锻造质量、降低生产成本，但对连铸圆坯
钢水的洁净度、组织的致密性、均匀性均提出极高要求。
发明内容
[0005] 本发明针对
现有技术的不足，提供了一种石油套管连接件用钢，该石油套管连接件用钢洁净度高、成分稳定；
[0006] 本发明还提供一种石油套管连接件用连铸圆坯，上述石油套管连接件用钢以连铸圆坯的形式存在，用于制造石油套管连接件，该连铸圆坯表面质量、组织致密性、均匀性高；
[0007] 本发明还提供一种石油套管连接件用连铸圆坯的制备方法。通过该方法得到的石油套管连接件用连铸圆坯的洁净度、组织致密性、均匀性均有很大提高，满足石油套管连接件用钢要求。
[0008] 上述石油套管连接件用钢的化学成分按质量百分比为：C：0.28%～0.33%，Si:0.20%～0.35%，Mn：0.45%～0.60%，P≤0.025%，S ≤0.025%，Cr：0.90%～ 1.10%，-4 -4Mo：0.18%～0.25%，Alt：0.020%～0.050%，Cu≤0.25%，H≤2.0×10 %，N：40×10 %～-4 -4
70×10 %，T.O≤15×10 %，余量为Fe及不可避免的杂质。
[0009] 其中，Alt是指全
铝；T.O是指全
氧。
[0010] 以下将对本发明主要成分的设计机理进行详细说明：
[0011] C：提高钢的强度和硬度，降低塑、韧性。碳含量低于0.28%，不易达到强、硬度要求，增加合金用量；高于0.33%难以满足塑、韧性要求，且易造成连
铸坯成分偏析和加热时
过热。
[0012] Si:提高钢的强度、淬透性，最低含量在0.20%时才能起有效作用；含量较高时，回火易产生
石墨化，并易使钢中形成带状组织，增加钢的
各向异性，降低综合力学性能。
[0013] Mn：明显提高钢的淬透性，细化珠光体组织，改善力学性能，含量低于0.45%不能满足钢种性能要求；含量过高时，增加晶粒粗化和回火脆性及连铸坯成分偏析倾向，设计最高含量为0.60%。
[0014] P、S：改善钢的切削性能，显著降低钢的塑性和韧性，增加钢产生裂纹的倾向，恶化钢的综合力学性能，含量超过0.025%时更加明显，应尽量降低其含量。
[0015] Cr：明显提高钢的强度和淬透性，同时提高耐磨性和抗腐蚀能力，但含量过高，易增加钢的回火脆性；依据钢种使用性能要求，设计铬含量为0.90%～1.10%。
[0016] Mo：显著提高钢的淬透性、冲击韧性及
耐腐蚀性能，提高回火稳定性。含量低于0.18%作用不明显，含量过高时将增加生产成本。
[0017] Alt：主要细化晶粒、脱氧、固氮，提高钢的韧性，改善钢的综合力学性能，含量低于0.020%不能起到有效作用；含量高于0.050%时，易造成二次氧化，降低钢液流动性，恶化钢的质量。
[0018] Cu：作为钢中的有害残余元素，含量高于0.25%时，降低钢的塑、韧性，连铸坯易产生星状裂纹。
[0019] T.O：含量增加，钢的洁净度降低，钢中夹杂物增多，全氧含量高于15×10-4%时，将显著降低钢塑、韧性及疲劳性能，恶化钢的综合力学性能。
[0020] H：含量高于2.0×10-4%，钢易产生白点、点状偏析、疲劳断裂等，显著恶化钢的质量，甚至造成钢材报废。
[0021] N：可提高钢的强度，与Al结合生成AlN细化晶粒，含量高于40×10-4%时能起到有-4效作用，但含量高于70×10 %时将增加钢中夹杂物，显著恶化钢的韧性，使钢易产生蓝脆。
[0022] 优选地，所述石油套管连接件用钢的化学成分按照质量百分比为：C：0.29%～0.30%，Si：0.25%～0.28%，Mn：0.51%～0.54%，P：0.008%-0.012%，S：0.003%-0.006%，Cr：
-4 -4
0.96%～0.97%，Mo：0.190%～0.200%，Alt：0.024%～0.030%，N：50×10 %～58×10 %，-4 -4
T.O：12×10 %～14×10 %，余量为Fe及不可避免的杂质。
[0023] 该石油套管连接件用钢以连铸圆坯的形式存在，用于制造石油套管连接件。
[0024] 本发明提供的上述石油套管连接件用连铸圆坯的制造方法，包括如下的生产工序：电炉初炼工序→LF精炼工序→VD
真空脱气工序→连铸工序→铸坯缓冷工序→检验、精整工序；其中，
[0025] 在所述电炉初炼工序中，
炉料结构中
铁水的质量百分比占50%～75%；所述电炉初炼完成进行无渣出钢的过程中，根据实际终点碳含量预先向钢包中加入碳粉，然后加入预熔低熔点调渣剂及石灰组成的混合造渣料。
[0026] 在所述电炉初炼工序中，加入所述混合造渣料后，再加入合金和含铝
脱氧剂，其中，所述合金为
硅锰、铬铁或钼铁中的至少一种，所述含铝脱氧剂的加入量为1.5kg/t钢～2.0kg/t钢。
[0027] 在所述LF精炼工序中，精炼炉采用LF炉，采用碳粉和碳化硅扩散脱氧和喂入铝线强脱氧相的复合脱氧方式脱氧，出钢前，喂入硅
钙线对夹杂物做变质处理并深脱氧。
[0028] 在所述LF精炼工序后即LF炉出钢后且进入所述VD真空脱气工序前进行扒渣操作，扒渣量占总渣重量的30%-60%。
[0029] 在所述VD真空脱气工序中，在真空度67Pa以下保持时间为15min～20min，真-4空处理后H≤2.0×10 wt%，钢液经真空精炼回到常压状态后，控制底吹氩气流量为120L/min～260L/min，压力为0.20MPa～0.40MPa，保持软吹时间为15min～30min，其中，软吹状态为渣面微动，钢液不裸露。
[0030] 在所述连铸工序中，实行恒温、恒拉速、恒液面的“三恒”操作，采用吹氩密封大包长水口+
中间包内置式水口+吹氩密封
浸入式水口、钢包和中间包均加盖保温、中间包钢液面采用低碳高
碱度
覆盖剂及碳化稻壳双层保温的全保护低过热度浇注，结晶器液面自动控制，末端
电磁搅拌，动态弱冷配水，多点连续矫直技术。
[0031] 在所述铸坯缓冷工序中，连铸圆坯经二冷段冷却、矫置、运输棍道转移至
冷床后，及时转入缓冷坑缓冷，并加盖保温，缓冷时间≥36h，吊出
温度≤250℃。
[0032] 本发明的有益效果如下：
[0033] （1）电炉采用配加高比例铁水、炉后提前加入适量碳粉脱氧，加入预熔低熔点造渣料及石灰组成的混合造渣料，进行炉渣改质，加入铝质脱氧剂强化预脱氧等技术手段，尽快降低钢中溶解氧含量，极早成渣，为精炼炉创造良好条件；
[0034] （2）LF精炼利用碳粉＋碳化硅扩散脱氧和喂入铝线强脱氧相的复合脱氧方式脱氧、高碱度精炼渣精炼、窄成分控制等技术及真空脱气精炼，通过制定合理吹氩搅拌制定、保证足够的真空脱气时间、软吹时间等措施保证了钢液洁净度、成分稳定性。
[0035] （3）连铸通过采用“三恒操作”、全保护低过热度浇注，结晶器液面自动控制，末端电磁搅拌,动态弱冷配水,多点连续矫直,入缓冷坑缓冷、加盖保温等技术，保证了连铸圆坯表面质量、洁净度、组织均匀性及致密性，减少组织
应力及
热应力，避免了内裂纹的产生。
[0036] （4）采用上述制备方法可生产出生洁净度高（T.O≤15×10-4%、N：40×10-4%～-470×10 %、非金属夹杂物A、B、C、D≤1.0级），均质（低倍组织≤1.0级、无裂纹、皮下气泡）的连铸圆坯，满足石油套管连接件用钢锻件保证高等级探伤要求。
具体实施方式
[0037] 下面通过具体实施方式对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不限于以下实施方式。
[0038] 本发明提供的一种石油套管连接件用钢，其化学成分按照质量百分比为：C：0.28%～0.33%，Si:0.20%～0.35%，Mn：0.45%～0.60%，P≤ 0.025%，S≤0.025%，Cr：
-4
0.90%～1.10%，Mo：0.18%～0.25%，Alt：0.020%～0.050%，Cu≤0.25%，H≤2.0×10 %，-4 -4 -4
N：40×10 %～70×10 %，T.O≤15×10 %，余量为Fe及不可避免的杂质。
[0039] 作为本发明的一种优选实施方式，所述石油套管连接件用钢，其化学成分按照质量百分比为：C：0.29%～0.31%，Si：0.20%～0.28%，Mn：0.50%～0.56%，P≤0.015%，S≤0.010%，Cr：1.00%～1.10%，Mo：0.18%～0.22%，Alt：0.020%～0.040%，Cu≤0.25%，-4 -4 -4 -4H≤2.0×10 %，N：40×10 %～70×10 %，T.O≤15×10 %，余量为Fe及不可避免的杂质。更优选地，该石油套管连接件用钢的化学成分按照质量百分比为：C：0.29%～0.30%，Si：0.25%～0.28%，Mn：0.51%～0.54%，P：0.008%-0.012%，S：0.003%-0.006%，Cr：0.96%～-4 -4
0.97%，Mo：0.190% ～ 0.200%，Alt：0.024% ～ 0.030%，N：50×10 % ～ 58×10 %，T.O：
-4 -4
12×10 %～14×10 %，余量为Fe及不可避免的杂质。
[0040] 本发明还提供一种石油套管连接件用连铸圆坯，即上述石油套管连接件用钢以连铸圆坯的形式存在，用于制造石油套管连接件。
[0041] 本发明提供的石油套管连接件用连铸圆坯的制备方法，包括如下的生产工序：电炉初炼工序→LF精炼工序→VD真空脱气工序→连铸工序→铸坯缓冷工序→检验、精整工序；
[0042] 以下百分比如没有特殊说明则均为质量百分比。
[0043] 电炉初炼工序：采用废钢和铁水的炉料结构，其中，铁水的质量百分比占50%～75%；四支炉壁氧枪吹氧
脱碳为主，一支炉
门氧枪吹氧脱碳为辅；与吹氧相结合，喷吹碳粉或其他含碳粉剂造
泡沫渣；配加造渣料如石灰造渣脱磷；偏心炉底出钢，留钢留渣操作；出钢过程中，底吹氩气搅拌；
[0044] 优选地，炉料结构中铁水的质量百分比占55%～75%；
[0045] 优选地，喷吹碳粉或其他含碳粉剂造泡沫渣时，配碳量占炉料总重量的百分比为1.00%～4.00%，具体取决于炉料结构以及炉料成分；
[0046] 优选地，每吨炉料配加35kg～50kg石灰造渣脱磷，熔清碳≥0.60%，比如在0.6～1.5%，优选在0.8～1.2%，更优选在0.9～1.1%，熔清磷≤0.025%，同时氧化脱碳均匀
沸腾，去除钢中部分H和N，控制初炼炉
冶炼终点C：0.12%～0.20%，P≤0.015%，出钢温度为
1620℃～1660℃；
[0048] 在所述电炉初炼工序中，所述电炉初炼完成进行无渣出钢过程中，出钢过程顺钢流，根据实际终点碳含量预先向钢包中加入碳粉，然后加入预熔低熔点调渣剂及石灰组成的混合造渣料，其中，所述混合造渣料中预熔低熔点调渣剂与石灰按重量比优选为以1：1进行混合，且钢包内所述混合造渣料的加入量为10kg/t钢～15kg/t钢，优选地，所述预熔低熔点调渣剂中包括如下组分，且各组分的质量百分比为CaO：40wt%～60wt%，SiO2：4wt%～20wt%，Al2O3：15wt%～35wt%，MgO：5wt%～15wt%；加入所述混合造渣料后，再加入合金和含铝脱氧剂，其中，所述合金为硅锰、铬铁和钼铁中的一种或多种，但本发明不限于此，具体的合金加入种类和加入量根据钢的成分而定；所述含铝脱氧剂的加入量为
1.5kg/t钢～2.0kg/t钢；无渣出钢过程中进行吹氩搅拌，出钢前期、中期控制氩气压力为
1.40MPa～0.80Mpa，后期控制氩气压力为0.60MPa～0.20Mpa，出钢完毕后至钢液转至精炼工位前，控制氩气流量为使渣面微动。
[0049] LF精炼工序：精炼炉采用LF炉，到LF炉工位钢液
温度控制在1500～1550℃，优选为1530～1550℃，钢液在精炼炉经送电化渣、调渣、喂线、搅拌等工序，完成脱氧、
脱硫，去除夹杂，调整成分，控制温度等处理过程。采用碳粉和碳化硅扩散脱氧，以及在分析一次样前喂入铝线强脱氧相的复合脱氧方式脱氧，临近出钢前，喂入硅钙线对夹杂物做变质处理并深脱氧，其中，所述碳粉和碳化硅的重量比为1:1～5:1，且用量为1kg/t钢～2kg/t钢，所述铝线用量为0.8kg/t钢～1.0kg/t钢，所述硅钙线用量为0.010kg/t钢-0.015kg/t钢。出钢温度控制在1600～1650℃，优选为1600～1620℃。
[0050] 优选地，在所述LF精炼工序中，LF精炼白渣保持时间≥20min，优选保持时间为25～35min，控制终渣主要成分质量百分比：CaO：45%～55%，SiO2：10%～15%，Al2O3：15%～
25%，FeO＋MnO≤1.0%，MgO：6%～10%。
[0051] 优选地，在所述LF精炼工序中，LF炉精炼使钢液实施窄成分控制，同一批次：C：±0.01%，Si：±0.03%，Mn、Cr：±0.02%，Mo：±0.01%，Al：±0.005%。
[0052] LF炉出钢后，进入VD真空脱气工序前还要进行扒渣操作，扒渣量为总渣质量的30%-60%；
[0053] VD真空脱气工序：真空精炼炉采用VD炉，主要完成钢液脱H，并进一步促进夹杂物上浮，
净化钢液。钢包至VD炉工位后，测温，抽真空进行真空脱气处理，在真空度67Pa以下-4保持时间为15min～20min，真空处理后H≤2.0×10 wt%；
[0054] 钢液经真空精炼回到常压状态后，进入软吹处理阶段，控制底吹氩气流量为120L/min～260L/min，压力为0.20MPa～0.40Mpa，保持软吹时间为15min～30min，其中，软吹状态为渣面微动，钢液不裸露。
[0055] 连铸工序：实行恒温、恒拉速、恒液面的“三恒”操作，采用吹氩密封大包长水口、中间包内置式水口和吹氩密封浸入式水口、钢包和中间包均加盖保温、中间包钢液面采用低碳高碱度覆盖剂及碳化稻壳双层保温的全保护低过热度浇注，结晶器液面自动控制，末端电磁搅拌，动态弱冷配水，多点连续矫直技术；
[0056] 优选地，在所述连铸工序中，正常浇注中间包钢液液面850mm～900mm，末端电搅搅拌参数：400A/18.0HZ，钢液浇注过热度15℃～25℃，连铸冷却各段水量分配比为：足辊段30%，二冷一段24%，二冷二段19%，二冷三段15%，二冷四段12%，比水量0.30L/ kg～0.35L/kg；
[0057] 优选地，采用嵌式五
机架连续拉矫机，铸坯矫直温度≥910℃，比如910～950℃，优选铸坯矫直温度为915～925℃，断面规格为Ф350mm时，拉速控制在0.35-0.42 m/min。
[0058] 铸坯缓冷工序：连铸圆坯经二冷段冷却、矫置、运输棍道转移至冷床后，及时转入缓冷坑缓冷，并加盖保温，缓冷时间≥36h，优选缓冷时间为 40～48h，吊出温度≤250℃，优选为200～150℃。
[0059] 检验、精整工序：检查连铸圆坯的表面质量并对内部质量进行检验分析，并对连铸圆坯表面及端部进行精整打磨处理。
[0060] 以下是采用不同工艺参数制备本发明的石油套管连接件用连铸圆坯的具体
实施例，共四个实施例，按连铸炉次编号为1#、2#、3#、4#。
[0061] 1、
电弧炉初炼工序中，四个实施例的主要控制工艺参数见表1、2。
[0062] 表1 电弧炉初炼过程主要工艺参数
[0063]
[0064] 表2电弧炉初炼完成后出钢的主要工艺参数
[0065]
[0066] 2、LF精炼工序，四个实施例的主要控制工艺参数和终渣主要成分分别列于表3和表4
[0067] 表3LF精炼主要控制工艺参数
[0068]
[0069] 表4LF精炼终渣主要成分（质量百分数，%）
[0070]编号 CaO SiO2 Al2O3 MgO FeO MnO
1# 53.81 10.83 20.82 8.20 0.30 0.01
2# 52.26 12.21 21.31 7.50 0.22 0.01
3# 53.50 11.98 19.70 6.82 0.25 0.01
4# 52.45 13.20 19.95 7.67 0.31 0.01
[0071] 3、VD真空脱气工序中，四个实施例的主要控制工艺参数列于表5，其中，钢包入VD炉之前，扒除50wt%的精炼渣。
[0072] 表5VD炉真空精炼控制工艺参数
[0073]
[0074] 4、连铸工序中，四个实施例均采用全弧形三机三流方/圆坯
合金钢连铸机连铸，弧形半径为R12m，圆坯规格为Ф350mm，正常浇注中间包钢液液面850mm～900mm，结晶器液面自动控制，末端电磁搅拌参数：400A/18.0HZ，钢液浇注过热度15℃～25℃，动态气一雾冷却弱冷配水，冷却各段水量分配比为：足辊段30%，二冷一段24%，二冷二段19%，二冷三段15%，二冷四段12%；采用嵌式六机架四点连铸矫直拉矫机，铸坯矫直温度达到920℃，其他控制工艺参数见表6。
[0075] 表6连铸控制工艺参数
[0076]
[0077] 5、铸坯缓冷工序
[0078] 连铸圆坯经二冷段冷却、矫置、运输棍道转移至冷床后，及时转入缓冷坑缓冷，并加盖保温，缓冷时间48h，吊出温度200℃～150℃。
[0079] 以下是四个实施例获得的石油套管连接件用连铸圆坯的化学成分，见表7；以及四个实施例生产的Ф350mm连铸圆坯钢材低倍、非金属夹杂物检验结果，见表8、表9。
[0080] 表7本发明钢中成分（质量百分比，%）
