石油鉆井用鋼SAE4137夾雜物控制

1 引言

石油鉆井用鋼作為石油、天然氣勘探開發(fā)的重要耗材，在石油工業(yè)中占有重要的位置。近年來，我國每年消耗油井用鋼超過200萬t。石油鉆井用鋼在石油工業(yè)中的地位不僅表現(xiàn)為用量大、花費高，更重要的是其質(zhì)量和性能直接決定了我國石油工業(yè)的發(fā)展。SAE4137鋼一般作為公母螺栓或者鉆桿使用，其一般在幾百、幾千米的地下、極為復雜的地質(zhì)條件下鉆井，承受了拉、壓、扭、沖、剪等各種作用力，甚至還將承受瞬間的突變載荷^[1-3]。由于石油鉆井用工作條件惡劣，鋼的化學成分要求磷≤0.015%、硫≤0.008%，低倍評級均≤1.5級，夾雜物評級均≤1.5級，其冶煉工藝較普通鋼種難度大。

在對石油鉆桿用鋼SAE4137的冶煉過程夾雜物控制理論分析的基礎上，攀鋼提釩煉鋼廠實踐了冶煉過程脫氧工藝、鋼包渣組成控制和鈣處理等工藝，試驗結(jié)果表明夾雜物評級均≤1.5級，鋼材力學性能穩(wěn)定，較好地解決了轉(zhuǎn)爐-大方坯流程批量生產(chǎn)SAE4137鋼的夾雜物控制難題。

2 試驗內(nèi)容

2.1 工藝條件

SAE4137的生產(chǎn)工藝流程為：120t頂?shù)讖痛缔D(zhuǎn)爐冶煉-吹氬站-LF精煉-RH真空處理-360mm×450mm大方坯連鑄-軋制Φ140mm-Φ220mm圓鋼-退火-熱處理-機械加工。頂?shù)讖痛缔D(zhuǎn)爐保證了冶煉終點鋼水質(zhì)量；與大方坯連鑄機配套的LF爐具有良好的加熱能力和造渣精煉功能，RH裝置脫氣、去除夾雜物的效果較好；大方坯連鑄機配套了結(jié)晶器電磁攪拌和凝固末端動態(tài)輕壓下。

2.2 熱力學分析

利用FACTSAGE軟件中相圖計算模塊計算在CaO-SiO₂-Al₂O₃三元夾雜物系中有兩個低熔點區(qū)域。區(qū)域1熔點低于1400℃，其成分范圍SiO₂ 28%-70%、Al₂O₃ 3%-40%、CaO 10%-55%，范圍較寬，且其周邊區(qū)域的熔點均較低，因此對于Si、Mn脫氧等鋼種精煉渣系相對較好控制，在靠近該區(qū)域時，通過添加少量（10%以內(nèi)）CaF₂可進一步降低精煉渣的熔點。區(qū)域2熔點低于1500℃，其成分范圍SiO₂ 0%-15%、Al₂O₃ 22%-55%、CaO 42%-65%，在區(qū)域2中熔點低于1400℃的成分范圍為SiO₂ 0%-10%、Al₂O₃ 35%-50%、CaO 47%-57%。對于鋁脫氧鋼種精煉渣系的選擇應為區(qū)域2，但范圍較窄，因此根據(jù)鋼種成分進行了進一步的計算分析。

2.3 脫氧工藝的制定

計算了SAE4137鋼的等a[O]、等[Als]線和等a[Ca]線發(fā)現(xiàn)：

1）CaO-SiO₂-Al₂O₃渣系低熔點區(qū)域1的氧活度較高，低熔點區(qū)域2的氧活度則大大降低，因此要生產(chǎn)低氧鋼須將夾雜物成分和精煉渣成分控制為區(qū)域2，此時的大致成分為：SiO₂ 0%-22%、Al₂O₃ 25%-60%、CaO 40%-75%。

2）在區(qū)域2，[Als]是影響a[O]的主要因素，且a[O]隨[Als]升高而明顯降低。另外a[O]隨SiO₂含量增加而升高。

3）在區(qū)域2，鋼中存在極低的鈣就能使夾雜物向低熔點的鋁酸鈣系轉(zhuǎn)變。

4）鋼水中a[O]、[Als]、a[Ca]分別控制在1ppm-5ppm、[Als]控制在0.01%-0.03%和7.5ppm-15ppm有利于夾雜物的控制。

因此，要生產(chǎn)低氧鋼SAE4137時需要一定的[Als]，即應采用鋁脫氧工藝，精煉渣系選擇時必須盡量降低渣中的SiO₂含量，且考慮到渣的流動性，在精煉渣中配加10%以內(nèi)的CaF₂可進一步降低精煉渣的熔點和粘度，有利于夾雜物的去除。

該廠轉(zhuǎn)爐冶煉采用半鋼轉(zhuǎn)爐冶煉，半鋼與鐵水比較，其碳含量低，硅、錳元素均為痕跡，轉(zhuǎn)爐冶煉熱源相對不足，轉(zhuǎn)爐終點鋼水氧活度和鋼渣氧化性更高，波動更大。圖1為該廠采用半鋼冶煉時轉(zhuǎn)爐冶煉終點[C]-a[O]關(guān)系。由圖1可見，半鋼轉(zhuǎn)爐冶煉終點 [C]≤0.05%時，即使[C]含量微小下降，鋼液氧活度含量也會大幅度上升。因此應將冶煉終點[C]控制在≥0.05%，使鋼中的氧活度a[O]控制在800ppm以內(nèi)。此外，轉(zhuǎn)爐吹煉過程應加入發(fā)熱劑，在適當提高出鋼溫度的同時避免深吹，并可在圖1所示的基礎上降低鋼水氧活度。

圖1 半鋼冶煉轉(zhuǎn)爐終點[C]-a[O]關(guān)系圖

脫氧劑的加入量與終點碳含量的關(guān)系見表1。為保證良好脫氧和為后續(xù)精煉創(chuàng)造條件，出鋼后在吹氬站進行定氧，并根據(jù)鋼水氧活度，補喂鋁線，鋁線的喂入量見表2。喂鋁線后，鋼水氧活度更低，對控制鋼中T[O]有利。

表1  Fe-Al加入量

表2  吹氬站Al線喂入量

2.4 鋼包渣組成控制

對鋼中氧含量及夾雜物尺寸和數(shù)量的控制主要是靠精煉工序完成，精煉過程的重點是根據(jù)鋼種質(zhì)量要求，在脫氧工藝的基礎上對鋼包渣組成進行控制。根據(jù)鋼種質(zhì)量要求分析和熱力學計算結(jié)果，采用活性石灰和高堿度精煉渣調(diào)整鋼包渣組成，利用鋼包渣改性劑和鋁丸作為降低鋼包渣氧化性的還原劑。在預測鋼包渣成分的基礎上，制訂的造渣工藝如下：

1）嚴格控制出鋼過程下渣量，出鋼過程擋渣標加入位置準確，出鋼口時間≥5min；渣層厚度控制在50mm以內(nèi)；

2）出鋼過程合金化后立即向鋼包內(nèi)加入800kg活性石灰，200kg螢石（或1000kg高堿度精煉渣；

3）鋼水進站根據(jù)吹氬站硫含量加入頭批（總量的1/2）鋁丸和高堿度精煉渣后加熱化渣，取樣后加入第二批渣料。總加入量要求如表3。

表3  鋁丸及高堿度精煉渣加入量

2.5 鈣處理工藝

考慮到鋼中硫化物夾雜和脆性氧化物夾雜對鋼的性能的影響，特別是對沖擊性能的不利影響，需要對夾雜物進行變性處理。通過對鈣處理計算結(jié)果，需要將鋼水中鈣含量控制在7.5-15ppm。試驗采用的方案和中間包鋼水鈣含量見表7，試驗達到了FACTSAGE軟件計算的結(jié)果。由表4可見，采用方案二，鋼水中鈣含量保持在8.5-21.0ppm，平均11.8ppm。因此，結(jié)合理論計算和試驗的結(jié)果，在LF處理結(jié)束后喂CaSi線500-700m較為合適。

表4  鈣處理方案及鋼水鈣含量

2.6 RH真空處理

RH具有良好的脫氣和去除夾雜的功能，為有效控制鋼中[H]含量以及夾雜物數(shù)量，采用RH真空處理。試驗過程中，要求RH處理時間≥15min，并且保證真空度<300Pa的時間≥12min，然后再進行成分微調(diào)。真空處理結(jié)束后，對鋼水進行軟吹氬處理，軟吹時間≥5min。試驗時對提升氣體氬氣流量進行控制，前3min氬流量1200Nl/min，3min后到18min采用1500Nl/min。試驗61爐鋼經(jīng)RH處理后，出站[H]在0.5-1.5ppm，平均0.8ppm；試驗一個包次8爐鋼的夾雜物去除率34%-72%，平均達到57%。

3 工業(yè)試驗結(jié)果

3.1 脫氧效果

該廠共生產(chǎn)了61爐SAE4137鋼，約8000t。為考察脫氧效果，在吹氬站吹氬前后測定了鋼水氧活度。吹氬前氧活度在2.2-35ppm，平均為9.7ppm，由于轉(zhuǎn)爐出鋼存在補吹，為節(jié)約成本，補吹后不測氧定碳，個別爐次出現(xiàn)補吹后氧含量較高，脫氧不徹底，但可在吹氬站補喂鋁線進行脫氧，對鋼的脫氧影響不大。吹氬后氧活度1-5ppm，平均3.2ppm，均控制在5ppm以內(nèi)，表明脫氧效果良好，達到了1-5ppm的控制要求。

3.2 冶煉過程鋼包渣組成控制效果

采用上述精煉工藝后，對一個包次8爐鋼的各工序鋼包渣組成進行了分析。通過合理的精煉造渣制度，將鋼包渣調(diào)整到合理的范圍內(nèi)。LF出站及RH處理過程鋼包渣CaO含量控制在49%-60%，平均為57%；堿度（CaO/SiO₂）控制在5.2-6.1，平均為5.7；CaO/Al₂O₃控制在3.1-3.7，平均為3.5。以上數(shù)據(jù)說明，鋼包渣組成均有利于夾雜物控制。RH精煉結(jié)束后，鋼水中[Als]含量為0.01%-0.04%，平均0.025%達到了計算要求。鋼包渣氧化性控制可見，鋼包渣中（FeO+MnO）在冶煉過程中逐漸降低，精煉結(jié)束（FeO+MnO）控制在2%以內(nèi)。

3.3 夾雜物控制效果

對生產(chǎn)的一個包次8爐鋼中4爐鋼的圓鋼夾雜物進行了檢驗。檢驗結(jié)果表明，試驗鋼的夾雜物數(shù)量少，夾雜均為球形復合夾雜，且未發(fā)現(xiàn)長條形夾雜，表明鈣處理效果較好，夾雜物完全球化；精煉過程夾雜物轉(zhuǎn)變良好，鋼包渣對夾雜物的吸附能力較強。夾雜物評級各項夾雜均≤1.5級。典型爐次的夾雜物控制情況見表5。

表5  金相檢驗夾雜物數(shù)量

3.4 圓鋼性能

沖擊功檢驗的調(diào)質(zhì)處理工藝為淬火870℃，保溫70min，出爐油冷；回火溫度為600℃，保溫70min，出爐水冷。2010年生產(chǎn)的61爐鋼的力學性能檢測結(jié)果見表6，說明制定夾雜物控制工藝對鋼的力學性能沒有影響。

表6  圓鋼主要力學性能（n=61）

61爐試驗圓鋼超聲波探傷結(jié)果結(jié)果見表7，從表7可以看出圓鋼的綜合報警率為0.99%，φ140mm、φ180mm及φ220mm規(guī)格的報警率分別為0.57%、1.49%、0，報警率較低。

表7  超聲波探傷結(jié)果

3.5 推廣應用

通過采用FACTSAGE對SAE4137鋼的熱力學分析、脫氧工藝研究、鋼包渣組成控制和鈣處理工藝的研究，制定了該鋼種的夾雜物控制工藝并應用于提釩煉鋼廠。試驗期間共試制SAE4137鋼61爐，單中包連澆爐數(shù)達到8爐，表明具備了該鋼的批量生產(chǎn)能力。該鋼種的研究方法可應用于對夾雜物要求較高的鋼種，如SAE4145，CrMo系列合金結(jié)構(gòu)鋼等，計算過程采用的FACTSAGE軟件可推廣應用于煉鋼過程渣系計算。

4 結(jié)論

1）針對轉(zhuǎn)爐流程生產(chǎn)石油鉆井鋼SAE4137的夾雜物控制的技術(shù)難點，通過采用FACTSAGE軟件研究了鋼脫氧工藝、鋼包渣組成控制以及鈣處理工藝，計算結(jié)果表明鋼水中a[O]、[Als]、a[Ca]分別控制在1-5ppm、0.01%-0.03%和7.5-15ppm有利于夾雜物的控制。

2）工業(yè)試驗結(jié)果表明，試驗鋼脫氧工藝合理，脫氧后鋼水氧活度均控制在10ppm以內(nèi)，平均3.2ppm。試驗圓鋼的夾雜物數(shù)量少，鈣處理效果較好，夾雜物完全球化；LF精煉過程夾雜物轉(zhuǎn)變良好，圓鋼的夾雜物評級各項夾雜均≤1.5級。

3）試制的SAE4137圓鋼力學性能滿足要求，夾雜物控制工藝對力學性能沒有影響。