高強度合金鋼的冶煉方法

　　【技術領域】

　　[0001]本發明涉及冶金領域，具體為一種用于鉆頭和泵頭體材料的高強度合金鋼冶煉工藝。

　　【背景技術】

　　[0002]石油勘探鉆頭有牙輪鉆頭、刮刀鉆頭、金剛石鉆頭等多種，其中占各國石油鉆井使用量90%以上的是牙輪鉆頭，所使用的鋼材一般屬低碳高強度合金滲碳鋼，如N1-Cr-Mo系和N i —Mo系。

　　[0003]石油鉆探過程中，受地質條件影響較大，尤其是復雜的地貌，對鉆桿材料要求也高。一般采用美標的4330V材料制成，相當于國內牌號30CrNiMoV材料，這種材料也用于多缸柱塞泵的泵頭。因此，這種材料必須具備優良的綜合力學性能，不僅要通過嚴格的化學成分和特定金相組織來保證，而且要嚴格控制鋼材的內部微觀缺陷。

　　[0004]在強度等級提高后，成分控制范圍一般要比普通合金結構鋼窄，要求鋼水純度高。對于微量雜質元素，不僅要嚴格控制含量，而且對其存在部位和形態也有特定要求。如:硫的含量要求控制在0.015%以下，而以前要求是0.04% ;因硫化物夾雜導致應力集中，形成裂紋源，所以硫化物的形狀還必須為分散的球形。除硫、磷之外，氣體對鋼的耐疲勞強度和沖擊韌性等均有影響。因此，這類高強度鋼的冶煉一般要經過電弧爐、鋼包精煉爐(LF爐)、真空脫氣(VD)和電渣重熔等工藝。這樣冶煉的成本較高。

　　[0005]在鋼鐵合金冶煉過程中，在煉鋼階段將原料熔化為鋼水，然后；在氧化期的處理過程中，需加入氧化劑(如通入氧氣、加入鐵礦石或氧化鐵皮)以氧化去除其中的碳、磷等雜質元素及雜質氣體。通常情況下，需要加入過量的氧化劑，因此會形成氧化夾雜物(以FeO為主)。氧化夾雜物對鋼質有害，造成所得到的鋼鐵容易發生熱脆。通常需要再加入脫氧劑進行脫氧處理，即鋼鐵冶煉中的還原期。

　　[0006]脫氧劑的種類有很多，常用的有硅鐵、錳鋼、錳硅合金、鋁等，以及用作脫氧劑和合金化材料的含鉻、硼、磷、鎳、鈦等合金元素。

　　[0007]在鋼包精煉爐(LF爐)中進行的脫氧處理工藝主要有沉淀脫氧和擴散脫氧等。

　　[0008]沉淀脫氧:向鋼水中直接加入脫氧劑或合金脫氧材料，使之形成氧化物；該氧化物上浮進入鋼渣。這種方法脫氧速度快，但是產生的夾雜物較多，夾雜物混合在鋼水中不易去除。一般在沉淀脫氧前會在鋼水中加入少量螢石、氧化鈣等造渣材料制造漂浮在鋼水表面的稀薄渣，用于吸附鋼水中的夾雜物。

　　[0009]擴散脫氧:在鋼渣中氧化鐵的含量較高，可向鋼渣中加入碳粉、硅粉、鋁粉等還原劑，用于還原鋼渣，使鋼渣中的FeO含量降低，有利于鋼水中的氧擴散到鋼渣中。

　　[0010]沉淀脫氧過程中，常用的脫氧劑材料有錳鐵、硅鐵和鋁，這三種材料的價格較低。一般情況下，脫氧劑折合為硅、錳和鋁元素，與鋼水的用量比為0.17%?0.37%,0.3%?0.6%和0.05%?0.10%?，F有的工藝中，脫氧劑錳鐵、硅鐵和鋁分別加入鋼水中進行反應；根據對氧親和力的強弱，加入順序為錳鐵、硅鐵和鋁，由于錳與氧的親和力弱，需要反應較長的時間，因此最先加入；鋁較為活潑，反應時間較短。由于鋼水的溫度一般在1600°C左右，在冶煉過程中分別單獨加入上述脫氧劑，就不能形成低熔點的液態大顆粒(A1203、Si02和MnO的熔點分別為2050°C、1713°C和1785°C，高于鋼水溫度)，這些脫氧產物在鋼水中以固體狀存在，混合在鋼水中，難以上浮以脫離鋼水進入鋼渣。

　　[0011]因此，需要對現有工藝加以改進，使脫氧劑能夠形成比重輕、熔點低、顆粒大的脫氧產物，以便脫離鋼液上浮形成鋼渣，從而使鋼液得到凈化。

　　[0012]由于沒有找到良好的脫氧劑材料，其脫氧均采用常規的脫氧劑，如錳鐵、硅鐵、鋁分別單獨進行脫氧。這樣無法使鋼液獲得進一步凈化，因而難以達到和滿足客戶對特殊重要產品技術質量的要求。

　　【發明內容】

　　[0013]本發明旨在提供一種用于制造鉆頭和泵頭體材料的高強度合金鋼的冶煉方法。

　　[0014]技術方案為:調整合金材料加入的順序，電弧爐初煉階段加入Mo和Ni，并增加脫碳量；LF爐精煉階段使用新型的復合脫氧劑，凈化鋼水，提高力學性能；在真空脫氣精煉(VD)前加入鋁，促進鋼水合金化，使鋼水合金化過程更充分，又可減少氧化夾雜物。

　　[0015]一種高強度合金鋼的冶煉方法，包括如下步驟:

　　(1)將低硫磷潔凈廢鋼在電弧爐內熔化冶煉進行氧化脫碳脫磷，并加入Mo和Ni，并脫磷；所述的低硫磷潔凈廢鋼中，鐵含量> 98wt%，碳含量< 0.2wt%，硫和磷含量分別^ 0.05wt% ；

　　脫碳脫磷的方法為:在電弧爐底加入小碎礦或氧化鐵皮，并加入石灰，再加入低硫磷潔凈廢鋼，增碳至0.7%?1.0%，熔化；所述的電弧爐底加入的小碎礦或氧化鐵皮與低硫磷潔凈廢鋼的用量比為10?25kg/噸，電弧爐底加入的石灰與低硫磷潔凈廢鋼的用量比為20?30kg/噸；所述的小碎礦為含50wt%?70wt%三氧化二鐵的鐵礦石；

　　然后吹氧，并向鋼水中加入小碎礦或氧化鐵皮，同時加入石灰，在1530?1600°C下冶煉1?1.5小時；所述的小碎礦或氧化鐵皮與低硫磷潔凈廢鋼的用量比為10?20kg/噸，石灰與低硫磷潔凈廢鋼的用量比為15?25kg/噸；所述的氧化脫碳脫磷步驟中，脫碳量彡 0.4%

　　(2)步驟(1)脫磷和脫碳后的鋼水溫度升至1700?1750°C倒入鋼包精煉爐內，造渣形成稀薄渣后，加入復合脫氧劑進行預脫氧，復合脫氧劑與鋼水用量比為4?5公斤/噸；

　　用石灰(氧化鈣)和螢石造渣，與鋼水的用量比為10?15公斤/噸和5?8公斤/

　　噸；

　　所述的復合脫氧劑為含有錳、鋁、硅的合金，其中錳的含量為16?20%，硅的含量為8?10%，鋁的含量為8?10%，均為重量百分比；

　　(3)向鋼水中加入Cr和Mn，并在鋼渣表面加入脫氧劑，在1550?1650°C下精煉1?1.5小時，同時利用LF爐底吹惰性氣體攪拌；

　　所述的脫氧劑為碳粉和AD粉，或者電石與AD粉，或者碳粉、電石和AD粉，AD粉與鋼水的用量比為3?5公斤/噸，碳粉或電石粉，或者碳粉與電石總量與鋼水的用量比為1.5?3公斤/噸；

　　(4)向鋼水中補加Si，繼續冶煉5?10分鐘； (5)真空脫氣處理，出爐澆注；

　　真空脫氣的方法為:迅速將鋼水溫度升至1680°C以上，然后將鋼包移至脫氣工位，在真空度為4?67pa的狀態下處理20?30分鐘；所述的澆注工藝條件為:1540?1560°C下將鋼包吊離脫氣工位，在澆注前用惰性氣體如氬氣等置換模內的空氣，并在澆注過程中用惰性氣體保護；

　　其中，按重量計，鋼水中補加Mo、N1、Mn、Cr、Si后，各合金元素的重量百分比含量分別為 Μο0.42% ?0.60%、Ni2.40% ?2.80%、Μη0.42% ?0.80%、Cr0.9% ?1.10% 以及 S1.15% ?

　　0.35%ο

　　[0016]步驟(2)中，優選的，復合脫氧劑中，錳、硅和鋁的重量比為1.9?2.05:0.95?1.05:1 ;其中硫和磷的重量百分比量均不超過0.05%，碳含量< 0.2% ;更優選的，錳的含量為18%，硅的含量為9%，鋁的含量為9%。

　　[0017]這種復合脫氧劑的制備方法包括如下步驟:

　　(A)按錳、硅和鋁的配比混合錳鐵、硅鐵、鋁和低碳鋼；

　　所述的錳鐵中錳的含量為70%?80%，硅鐵中硅的含量為45%?75%，均為重量百分比，所述低碳鋼的鐵含量彡95%，碳含量< 0.2%，硫和磷的含量< 0.05% ；

　　(B)將步驟(A)混合后的原料熔化在1350?140(TC下混合冶煉，再澆注成型。

　　[0018]這種復合脫氧劑用于鋼水脫氧和凈化，脫氧效果好，而且夾雜物殘留少，鋼水更為純凈。進行脫氧后所形成的脫氧產物熔點遠低于1270°C，生成的脫氧產物夾雜物顆粒的粒徑大、比重輕，易于上浮于鋼渣中。

　　[0019]根據斯托克原理，脫氧產物的上浮速度V計算公式為:

　　V=2/9XgX (P0-P1) / n Xr2

　　其中，P0和P1分別為鋼水和脫氧產物的比重(kg/m

　　3)，η為鋼水粘度，g為重力加速度9.8m/s2，r為脫氧產物顆粒的半徑。

　　[0020]由此可見，r對于V的影響最大；在P0、P1、Π、g均確定為常數的情況下,上浮速度V取決于脫氧物的粒徑。

　　[0021]這種復合脫氧劑，加入鋼水進行脫氧后所形成的脫氧產物熔點遠低于1270°C，在鋼水中存在的形式為易團聚的液體顆粒，容易上升到鋼水表層，而不是懸浮于鋼水中的細碎粉末狀固體顆粒；脫氧產物夾雜物顆粒的粒徑大、比重輕，上浮速度明顯加快，易于上浮進入鋼渣中，使得鋼水得到凈化。這種復合脫氧劑不僅脫氧效果好，而且脫氧后形成的夾雜物在鋼水中殘留顯著降低，產品純凈度高，從而滿足客戶對高質量高標準鋼材的要求。通過該復合脫氧劑出來的鋼錠，其質量甚至可以與經過電渣的鋼錠媲美。

　　[0022]本發明所獲得的鋼錠中，各組分含量(重量百分比)為:

　　Mn0.42% ?0.80%, S1.15% ?0.35%, Cr0.90% ?1.10%,

　　Mo0.42% ?0.60%,

　　Ν?2.40% ?2.80% ；C0.28% ?0.33%，P 彡 0.005%，S 彡 0.005%, Cu ( 0.15%。其中非金屬夾雜物含量均合格，A硫化物、B氧化物、C硅酸鹽夾雜物、D球狀夾雜物和DS球狀大顆粒夾雜均達到1.5級以下。超聲波探傷檢查達到1級探傷標準(JB/T500.15-8)，即Φ < 1.6mm。夾雜物如硫化物(低于0.5級)和氧化物(低于0.5級)都遠小于1.5級，所得到的鋼材有較高的純凈度。

　　[0023]力學性能:屈服強度σ s彡1050MPa，抗拉強度σ b彡900MPa，延伸率δ 5彡15%，斷面收縮率Ψ彡45%，硬度280?328HB。

　　[0024]本發明工藝通過調整配方，增加了材料的韌性；優化冶煉工藝，采用鋼水爐外精煉及吹惰性氣體，促使雜質上?。徊⑹褂脧秃厦撗鮿?，對脫氧工藝進行優化設計，調整傳統脫氧工序，使鋼液合金化過程更充分。本發明保證了鋼錠具有清潔度高、表面質量及可淬透性好、晶粒度細等優點；鋼錠強度高，耐高壓、耐腐蝕，機械性能良好。本工藝中，無需電渣重熔工序即可獲得良好脫氧效果，同時減少非金屬夾雜物含量，提高產品探傷檢測水平，在保證使用性能的前提下減少能耗，降低了成本。

　　【具體實施方式】

　　[0025]實施例1

　　1)以30噸的冶煉量，先在電弧爐爐底中加入0.55?0.6噸小碎礦(主要成分Fe203，含量60wt%?70wt%)和0.65?0.7噸石灰(氧化鈣)用于提早造渣，然后投入28.5?28.7噸低硫磷潔凈鋼(其中鐵含量> 98wt%，碳含量< 0.2wt%，硫和磷含量分別< 0.05wt%)，通電熔化，加增碳劑配碳，使碳含量達到0.78% ;在熔化期加入132公斤Mo和750公斤Ni ；向熔化的鋼水中吹入氧氣，并向鋼水中分2?4次加入0.3?0.4噸小碎礦或氧化鐵皮，以及0.45?0.5噸石灰，造渣的同時進行流渣(換渣)，在1560±20°C下氧化冶煉1?

　　1.5小時脫碳脫磷；氧化期結束時脫碳量> 0.4% ；

　　(2)將步驟(1)脫磷脫碳后的鋼水倒入LF爐內，按10?15kg/噸(鋼水)和5?6kg/噸(鋼水)的比例，加入氧化鈣和螢石；當稀薄渣形成后，取復合脫氧劑(硅、錳、鋁的含量分別為9wt%、18wt%和9wt%),破碎成平均粒徑50mm左右的小塊,按4kg/噸的比例，加入到鋼水中進行預脫氧；

　　(3)向鋼水中補充Μη和Cr使其含量為0.49%和0.97%，并在鋼渣表面分3次，按3?5kg/噸(鋼水)和1.5?3kg/噸的用量，加入AD粉(含有12wt%?15?丨％鋁，其余為A1203)和碳粉，在1620± 10°C下精煉1?2小時，同時利用LF爐底吹氬氣攪拌，以更好地促使夾雜物聚合，使氧化夾雜物更容易上浮于渣中，從而使鋼水得到進一步凈化提純；

　　(4)向鋼水中補充Si調整硅含量至0.22%，冶煉5?10分鐘；

　　(5)再迅速將鋼水溫度升至1680?170(TC，然后將鋼包移至脫氣工位，進行真空脫氣(除氣)處理，在真空度為4?67pa的狀態下處理20?30分鐘，從而使鋼水中氫氣、氮氣等雜質氣體脫除，直至氫*含量< 1.5ppm ；

　　(6)1540?1560°C下將鋼包吊離脫氣工位(VD工位)澆注，在澆注前用惰性氣體如氬氣置換模內的空氣，澆注過程中用氬氣保護澆注，防止澆注過程二次污染和氧化。

　　[0026]所得到的20爐成品進行無損探傷檢測，按JB/T4730.3-2005的II級標準考核，全部合格。

　　[0027]所得產品化學成分及含量(重量百分比):C0.32%，Mn0.49%，S1.22%，Cr0.97%,Mo0.44%, Ni2.50% ；P0.007%, S0.003%, Cu0.13%。所得鋼錠鍛造后進行高倍金相組織探傷數據分析，其中非金屬夾雜物含量均合格，A硫化物、B氧化物、C硅酸鹽夾雜物、D球狀夾雜物和DS球狀大顆粒夾雜均達到1.5級以下。超聲波探傷檢查達到1級探傷標準(JB/T500.15-8)，。夾雜物如硫化物(低于0.5級)和氧化物(低于0.5級)都遠小于1.5級，所得到的鋼材有較高的純凈度。

　　[0028]力學性能:產品的屈服強度σ s為llOOMPa，抗拉強度σ b為1090MPa，延伸率δ 5為18.0%，斷面收縮率Ψ=61%，硬度318ΗΒ。

　　[0029]步驟(2)中的復合脫氧劑通過以下方法制備:

　　備料:低碳錳鋼54kg(其中錳的含量為80wt%，折合為43.2kg錳，碳含量< 0.7wt%)、硅鐵30kg(其中硅的含量為72%，折合為21.6kg硅)、鋁塊22kg(純度彡98%，折合為21.6kg鋁)、潔凈的低S.P廢鋼134kg(鐵含量彡95wt%，碳含量< 0.2wt%，硫和磷含量分別< 0.05wt%),冶煉鋼水總量為240kg。

　　[0030]將上述原料置于250kg中頻爐中，熔化為鋼水后，在1380±10°C下繼續冶煉

　　0.5?1小時，用鐵棒撇去鋼水表面浮渣，當溫度在1380± 10°C時出爐，倒入鋼包中，然后在1330±10°C溫度下澆鑄成無冒口的小圓錠40kgX6個，即為復合脫氧劑。

　　[0031]所得到的復合脫氧劑中，按質量比，錳含量為18%，硅和鋁的含量為9%，并且碳含量;^ 0.5wt%，硫和磷含量分別;^ 0.05wt%o

　　[0032]將這種復合脫氧劑粉碎為粒徑1mm的顆粒后在氧氣中加熱氧化，產物的熔點溫度低于 1200°C。

　　[0033]當然，上述說明并非是對本發明的限制，本發明也并不限于上述舉例，本技術領域的普通技術人員，在本發明的實質范圍內，作出的變化、改型、添加或替換，都應屬于本發明本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和范圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明范圍內。本發明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。

　　【主權項】

　　1.高強度合金鋼的冶煉方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)將低硫憐潔凈廢鋼在電弧爐內溶化冶煉脫碳脫憐，并加入Mo和Ni； (2)步驟(1)脫磷和脫碳后的鋼水溫度升至1650?1700°C倒入鋼包精煉爐內，造渣形成稀薄渣后，加入復合脫氧劑進行預脫氧，復合脫氧劑與鋼水用量比為4?5公斤/噸； (3)向鋼水中加入Cr和Mn，并在鋼渣表面加入脫氧劑，在1600?1650°C下精煉1?1.5小時，同時利用LF爐底吹惰性氣體攪拌； (4)向鋼水中補加Si，繼續冶煉5?10分鐘； (5)真空脫氣處理，吊包澆注；其中，按重量計，鋼水中補加Mo、N1、Mn、Cr、Si后，各組分的重量百分比含量分別為Mo0.42%?0.60%、Ni2.40%?2.80%、Mn0.42%?0.80%、Cr0.9%?1.10%以及S1.15%?0.35% ;步驟(2)所述的復合脫氧劑為含有錳、鋁、硅的合金；其中錳的含量為16?20%，硅的含量為8?10%，鋁的含量為8?10%，均為重量百分比。2.權利要求1所述高強度合金鋼的冶煉方法，其特征在于，步驟(2)所述的復合脫氧劑中，錳、硅和鋁的重量比為1.9?2.05:0.95?1.05:1 ;其中硫和磷的重量百分比量均不超過0.05%，碳含量< 0.2%。3.權利要求1所述高強度鉆頭用合金鋼的冶煉工藝，其特征在于，步驟(2)所述的復合脫氧劑中，錳的含量為18%，硅的含量為9%，鋁的含量為9%。4.權利要求1?3任一項所述高強度合金鋼的冶煉方法，其特征在于，所述復合脫氧劑的制備方法包括如下步驟: (A)按錳、硅和鋁的配比混合錳鐵、硅鐵、鋁和低碳鋼； (B)將步驟(A)混合后的原料熔化在1350?140(TC下混合冶煉，再澆注成型。5.權利要求4所述高強度合金鋼的冶煉方法，其特征在于，所述的錳鐵中錳的含量為70%?80%，硅鐵中硅的含量為45%?75%，均為重量百分比，所述低碳鋼的鐵含量彡95%，碳含量< 0.2%，硫和磷的含量< 0.05%。

　　【專利摘要】本發明涉及冶金領域，具體為一種用于鉆頭和泵頭體材料的高強度合金鋼冶煉工藝。通過調整合金材料加入的順序，電弧爐初煉階段加入Mo和Ni，并增加脫碳量；LF爐精煉階段實用新型的復合脫氧劑，凈化鋼錠，提高力學性能；在真空脫氣精煉（VD）前加入鋁，促進鋼水合金化，使鋼水合金化過程更充分，又可減少氧化夾雜物。鋼錠具有清潔度高、表面質量及可淬透性好、晶粒度細等優點；鋼錠強度高，耐高壓、耐腐蝕，機械性能良好。本工藝中，無需電渣重熔工序即可獲得良好脫氧效果，同時減少非金屬夾雜物含量，提高產品探傷檢測水平，在保證使用性能的前提下減少能耗，降低了成本。

　　【IPC分類】C21C7/068, C21C7/064, C22C33/04, C21C7/10, C21C7/06

　　【公開號】CN105274418

　　【申請號】CN201410330844

　　【發明人】丁春燕

　　【申請人】丁春燕

　　【公開日】2016年1月27日

　　【申請日】2014年7月14日