钻采提升设备主承载件用钢及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种钻采提升设备主承载件用钢及其制备方法，该钢的化学成分以质量百分比计，包括以下组份：C：0.18‑0.24%，Si：0.20‑0.35%，Mn：0.80‑1.20%，P≤0.010%，S≤0.005%，Ni：1.40‑1.60%，Cr：0.80‑1.20%，Mo：0.25‑0.40%，V：0.03‑0.06%，Al：0.015‑0.035%，Ti：0.015‑0.04%，Cu≤0.05，气体含量[H]≤1.5ppm%，[O]≤20ppm%，[N]≤70ppm，余量为Fe及不可避免的杂质。该钢采用EAF电弧炉+AOD氩氧脱碳精炼炉双联冶炼+砂型铸造的工艺路线，铸造成型的坯料在经过退火、淬火、回火等工序的热处理，得到合格的铸钢产品。本发明专利技术通过优化成分配比和合理选择冶炼、铸造、热处理工艺制成符合API Spec 8C最新版要求的钻井和采油提升设备主承载件用产品，在保持材料高强度的同时，提高了其低温韧性，能够满足深海、高寒地区钻采提升设备的使用要求。

Steel used for drilling and hoisting equipment main bearing part and its preparation method

The invention discloses a method for drilling and lifting equipment main bearing steel and its preparation method. The chemical composition of the steel is based on mass percentage, including the following components: C:0.18 0.24%, Si:0.20 0.35%, Mn:0.80 1.20%, P < 0.010%, S < 0.005%, Ni:1.40 1.60%, Cr:0.80 1.20%, Mo:0.25 0.40%, V:0.0, V:0.0 3, 0.06%, Al:0.015 0.035%, Ti:0.015 0.04%, Cu < 0.05, the gas content [H] < 1.5ppm%, [O] < 20ppm%, [N] < 70ppm, the remainder is Fe and the inevitable impurity. The steel adopts the process route of EAF EAF +AOD argon oxygen decarburization refining furnace double smelting and sand mold casting. The cast blank is treated by heat treatment of annealing, quenching and tempering, and the qualified cast steel products are obtained. By optimizing the composition ratio and selecting the smelting, casting and heat treatment process, the main bearing parts of the drilling and oil recovery equipment, which meet the requirements of the latest version of API Spec 8C, are made to improve the low temperature toughness at the same time, and can meet the use of the drilling and lifting equipment in the deep sea and the alpine areas. Requirement\u3002

【技术实现步骤摘要】
钻采提升设备主承载件用钢及其制备方法
本专利技术涉及冶金
，具体的说是一种钻采提升设备主承载件用钢及其制备方法。
技术介绍
目前，世界能源结构以化石能源为主，占比达到85%，且在未来的较长时期内化石能源仍是人类生存和发展的能源基础。化石能源中最主要的能源石油的需求量以年均1.9%的速度增长，欧佩克的石油产量已远远满足不了全球石油需求，石油勘探开发不得不更多地深入到深海和高寒地区，工作的环境更加恶劣，对钻井和采油的提升系统所用铸钢材料在低温环境下的性能提出更高要求，普通铸钢材料难以满足超低温环境的使用要求，需要对低温用高强度铸钢的化学成分、冶炼、铸造及热处理工艺进行研究，以满足钻井及采油提升设备使用时对材料高强度和低温韧性的要求。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种钻采提升设备主承载件用钢及其制备方法，以保证石油钻采设备在深海、高寒地区低温环境的正常使用，保证在强度、断面收缩率、断后伸长率、低温冲击韧性等综合性能方面具有优势。为达到上述目的，本专利技术所采取的技术方案为：一种钻采提升设备主承载件用钢，该钢的化学成分以质量百分比计，包括以下组份：C：0.18-0.24%，Si：0.20-0.35%，Mn：0.80-1.20%，P≤0.010%，S≤0.005%，Ni：1.40-1.60%，Cr：0.80-1.20%，Mo：0.25-0.40%，V：0.03-0.06%，Al：0.015-0.035%，Ti：0.015-0.04%，Cu≤0.05，气体含量[H]≤1.5ppm%，[O]≤20ppm%，[N]≤70ppm，余量为Fe及不可避免的杂质。上述钻采提升设备主承载件用钢的制备方法，其冶炼工艺包括以下步骤：步骤一、配料：按照钢水的质量计，原料及合金配料的质量百分比为：镍铬废钢30%、低合金废钢70%、合金料中硅铁0.40%、高碳锰铁1.50%、低碳铬铁1.50%、金属镍1.30%、钼铁0.40%、钒铁0.08%和钛铁0.10%；步骤二、冶炼：采用EAF电弧炉和AOD氩氧脱碳炉双联冶炼，装料前炉底加入钢水质量3%的石灰；用碳球配碳，碳质量百分比含量≥1.0%；按照冶炼配料表在电弧炉内加入镍铬废钢和低合金废钢，送电熔化；熔化后期吹氧助熔提前造渣去磷；化清取样分析，按承载件用钢中Ni元素、Mo元素质量百分比含量的中下限补加镍铁、钼铁；大渣量流渣操作进一步脱磷后取样分析并调整成分，要求碳的质量百分比含量控制在0.60%-0.80%，Mn元素、Ni元素、Mo元素的质量百分比含量至承载件用钢中相应化学成分的下限，P元素质量百分比含量≤0.003%；当温度至1620-1640℃，扒全渣，用铝锭预脱氧，铝锭的质量与钢水质量比为3：5000，后经中间包将钢液转入AOD炉进一步精炼，还原温度1590℃-1600℃，脱硫、去气、去夹杂后取样分析，调整成分达到承载件用钢各化学成分的质量百分比的要求即可出钢，出钢温度1630℃-1650℃。电弧炉冶炼时间为3.5h，AOD炉精炼时间为1.5h；步骤三、浇注：将步骤二冶炼的钢水在镇静5-7分钟后，温度为1560-1570℃浇注，砂型铸造；浇注完成的基尔试块和铸件毛坯降温至室温时进行打箱落砂；步骤四、热处理：将基尔试块和铸件毛坯进行退火、淬火、回火处理，出炉空冷，得到合格的钻采提升设备主承载件。优选的，所述步骤四热处理中，各工序的工艺条件为：退火：将基尔试块和铸件毛坯在炉温≤300℃时装炉，加热速度≤150℃/h，加热到900-920℃时保温6-8h，随炉冷却到200℃出炉空冷；淬火：将经过退火处理的基尔试块和铸件毛坯再次于炉温≤350℃时装炉，加热速度≤150℃/h，加热到860-880℃时保温6-8h，出炉水冷；回火：将经过淬火处理的基尔试样和铸件毛坯再次于炉温≤350℃时装炉，加热速度≤100℃/h，加热到630℃-650℃时保温8-10h，出炉空冷。按照上述步骤所制备的基尔试块经检测，抗拉强度Rm≥795MPa，屈服强度Rel≥655MPa，断后伸长率A≥14%，断面收缩率Z≥30%，-20℃的夏比V型冲击功Akv≥60J，-45℃的夏比V型冲击功AKv≥40J。上述基尔试块尺寸及取样位置按《钻井和采油提升设备规范-APISpec8C》标准的规定执行。本专利技术所述的钢材的化学成分按照钻井和采油提升设备APISpec8C标准，对其成分及性能进行优化：C元素是影响淬透性最大的元素，在低合金铸钢中的作用尤为重要，因此C元素含量控制在上限；Mn元素对淬透性的影响也较大，但其含量高会导致裂纹倾向性增大，所以Mn元素的范围控制在中上限；Si元素是提高材料强度的元素，且对钢液脱氧有利，选在中限；Ni元素是提高材料强度和塑韧性的最佳元素，应控制在上限；Cr元素是提高材料强度和淬透性较佳的合金元素，但过高会导致脆性断口的出现，控制在中上限；Mo元素能细化晶粒，提高材料强度，因此控制上限；S元素和P元素是钢中的有害杂质元素，P元素引起冷脆，S元素引起热脆，所以S元素、P元素含量越低越好；V元素、Ti元素属于微合金元素，可细化晶粒，提高强度、韧性，特别是低温韧性，控制其不超过范围限制；Cu元素是通过炉料带入的，在冶炼中无法去除，应优选炉料，控制其在较低水平；Al元素主要用于脱氧，控制其不超过控制限；为了进一步提高材料的塑韧性，钢水的纯净度必须较高，所以对气体元素[H]、[O]、[N]的要求较严格。本专利技术的有益效果是：（1）本专利技术通过优化材料成分，合理选择冶炼、精炼和铸造的工艺方法和参数，精确控制合金元素含量，有效降低了P、S等有害杂质和[H]、[O]、[N]等气体元素含量，提升材料综合性能，尤其是低温冲击韧性；（2）本专利技术优化了热处理工艺，改善组织结构，节约成本，在提高铸钢材料低温冲击韧性的同时保持其高强度，即-45℃冲击韧性达到40J以上，保证采用本材料制备的钻井和采油提升设备主承载件在高寒地区使用的性能要求。附图说明图1是本专利技术实施例1所制备基尔试块的金相组织图；图2是本专利技术实施例1所制备基尔试块的断口形貌图；图3是本专利技术实施例2所制备基尔试块的金相组织图；图4是本专利技术实施例2所制备基尔试块的断口形貌图。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术做进一步详细的说明。实施例1一种钻采提升设备主承载件用钢，该钢的化学成分以质量百分比计，包括以下组份：C：0.22%，Si：0.31%，Mn：1.10%，P：0.004%，S：0.001%，Ni：1.60%，Cr：1.00%，Mo：0.35%，V：0.04%，Al：0.03%，Ti：0.03%，Cu：0.03，气体含量[H]≤1.5ppm%，[O]≤20ppm%，[N]≤70ppm，余量为Fe及不可避免的杂质。上述钻采提升设备主承载件用钢的制备方法，其冶炼工艺包括以下步骤：步骤一、配料：按照钢水的质量计，原料及合金配料的质量百分比为：镍铬废钢30%、低合金废钢70%、合金料中硅铁0.40%、高碳锰铁1.50%、低碳铬铁1.50%、金属镍1.30%、钼铁0.40%、钒铁0.08%和钛铁0.10%；步骤二、冶炼：采用EAF电弧炉和AOD氩氧脱碳炉双联冶炼，装料前炉底加入钢水质量3%的石灰；用碳球配碳，碳质量百分比含量≥1.0%；按照冶炼配料表在电弧炉内加入本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钻采提升设备主承载件用钢，其特征在于：该承载件用钢的化学成分以质量百分比计，包括以下组份：C：0.18‑0.24%，Si：0.20‑0.35%，Mn：0.80‑1.20%， P≤0.010%，S≤0.005%， Ni：1.40‑1.60%，Cr：0.80‑1.20%，Mo：0.25‑0.40%，V：0.03‑0.06%，Al：0.015‑0.035%，Ti：0.015‑0.04%，Cu≤0.05，气体含量[H]≤1.5ppm%，[O]≤20ppm%，[N]≤70ppm，余量为Fe及不可避免的杂质。

【技术特征摘要】
1.一种钻采提升设备主承载件用钢，其特征在于：该承载件用钢的化学成分以质量百分比计，包括以下组份：C：0.18-0.24%，Si：0.20-0.35%，Mn：0.80-1.20%，P≤0.010%，S≤0.005%，Ni：1.40-1.60%，Cr：0.80-1.20%，Mo：0.25-0.40%，V：0.03-0.06%，Al：0.015-0.035%，Ti：0.015-0.04%，Cu≤0.05，气体含量[H]≤1.5ppm%，[O]≤20ppm%，[N]≤70ppm，余量为Fe及不可避免的杂质。2.一种权利要求1所述钻采提升设备主承载件用钢的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一、配料：按照钢水的质量计，原料及合金配料的质量百分比为：镍铬废钢30%、低合金废钢70%，合金料中硅铁0.40%、高碳锰铁1.50%、低碳铬铁1.50%、金属镍1.30%、钼铁0.40%、钒铁0.08%和钛铁0.10%；步骤二、冶炼：采用EAF电弧炉和AOD氩氧脱碳炉双联冶炼，装料前炉底加入钢水质量3%的石灰；用碳球配碳，碳质量百分比含量≥1.0%；按照冶炼配料表在电弧炉内加入镍铬废钢和低合金废钢，送电熔化；熔化后期吹氧助熔提前造渣去磷；化清取样分析，按承载件用钢中Ni元素、Mo元素质量百分比含量的中下限补加镍铁、钼铁；大渣量流渣操作进一步脱磷后取样分析并调整成分，要求碳的质量百分比含量控制在0.60%-0.80%，Mn元素、Ni元素、Mo元素的质量百分比含量至承载件用钢中相应化学成分的下限，P元素质量百分比含量≤0.003%；当温度至1620-1640℃，扒全渣，用...

【专利技术属性】
技术研发人员：许敬月，赵子文，魏海东，秦卓，王旭明，马升，高超，刘林，牛立群，李七平，王亚安，解明，李慧，袁玲道，
申请(专利权)人：兰州兰石集团有限公司，兰州兰石能源装备工程研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：甘肃,62