專利名稱：一種基于電爐薄板坯連鑄連軋流程生產(chǎn)j55鋼級(jí)石油套管用鋼的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及合金鋼生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于電爐薄板坯連鑄連軋流程生產(chǎn)J55鋼級(jí)石油套管用鋼的方法。
背景技術(shù)：
J55鋼級(jí)是美國(guó)API 5CT標(biāo)準(zhǔn)中一個(gè)重要的石油套管鋼級(jí)，是石油、天然氣開采過程中的重要材料，其用量大，占石油套管用鋼的50％以上。套管是一次下井長(zhǎng)期使用的石油管材，由專用螺紋連接成數(shù)千米的管柱，在下井及固井過程中，主要承受外擠力、內(nèi)壓力和軸向拉伸載荷。采用射孔方法完井的套管柱，還要承受射孔彈爆炸時(shí)產(chǎn)生的高溫和大能量瞬時(shí)沖擊載荷。套管主要失效形式有滑脫、擠毀、破裂、射孔開裂等。根據(jù)石油套管的服役條件分析及其主要失效形式的綜合判斷，對(duì)油套管的性能要求是高強(qiáng)度、高韌性、高抗擠毀性和高的螺紋連接強(qiáng)度。因此，石油套管用鋼不僅要求具有足夠的強(qiáng)度，還必須具有良好的韌性和可焊性。
最初J55鋼級(jí)石油套管全部采用無縫鋼管。但由于無縫鋼管成材率低、成本高等缺點(diǎn)，國(guó)外在20世紀(jì)60年代開始采用熱軋卷板制造直縫電阻焊(ERW)套管代替無縫鋼管。直縫焊套管具有壁厚均勻、幾何尺寸精度高、在地下服役時(shí)抗擠毀和抗壓潰能力較同鋼級(jí)無縫套管高10％～15％，材料含碳量低、射孔后孔眼無撕裂，且價(jià)格便宜等優(yōu)勢(shì)。隨著鋼的微合金化技術(shù)和TMCP工藝的發(fā)展，用熱軋板卷制造的直縫焊套管已可逐漸替代傳統(tǒng)的無縫鋼管。
(1)傳統(tǒng)厚板坯流程J55鋼級(jí)石油套管用鋼研發(fā)概況國(guó)外，在20世紀(jì)60年代已可以在傳統(tǒng)厚板坯連軋鋼廠生產(chǎn)J55鋼級(jí)石油套管用鋼，采用熱軋卷板制造直縫電阻焊(ERW)套管代替無縫管，并獲得成功。
我國(guó)從1986年開始引進(jìn)國(guó)外J55鋼級(jí)直縫電阻焊(ERW)套管，使用效果較好。目前，武鋼、寶鋼、鞍鋼、本鋼等大型傳統(tǒng)厚板坯連軋鋼廠采用微合金化技術(shù)，低碳、低硫、高純凈度鋼冶煉技術(shù)和TMCP工藝生產(chǎn)J55鋼級(jí)石油套管用鋼。在傳統(tǒng)厚板坯流程研制J55鋼級(jí)石油套管用鋼成分設(shè)計(jì)綜合考慮石油套管用鋼強(qiáng)度、韌性和可焊性的要求。為了提高J55鋼級(jí)石油套管用鋼的可焊性和韌性及保證一定的硬度，C含量一般控制在0.10～0.22Wt.％范圍內(nèi)。C含量≤0.09Wt.％時(shí)，難以保證一定的硬度，使直縫電阻焊(ERW)套管螺紋加工難度增大并易出現(xiàn)粘扣現(xiàn)象。C含量≥0.23Wt.％時(shí)，鋼的可焊性和韌性下降。通常在鋼中加入Nb以細(xì)化晶粒和沉淀析出，在提高鋼的強(qiáng)度的同時(shí)也提高鋼的韌性。采用微Ti處理技術(shù)以改善焊縫熱影響區(qū)的沖擊韌性。國(guó)內(nèi)代表性J55鋼級(jí)熱軋鋼帶的化學(xué)成份見表1。
表1 國(guó)內(nèi)代表性J55鋼級(jí)熱軋鋼帶的化學(xué)成份/Wt.％

(2)薄板坯連鑄連軋流程J55鋼級(jí)石油套管用鋼研發(fā)概況薄板坯連鑄連軋技術(shù)是20世紀(jì)80年代末期發(fā)展起來的熱軋寬帶鋼生產(chǎn)技術(shù)。該技術(shù)將煉鋼、精煉、薄板坯連鑄、均熱、熱軋、層流冷卻和卷取有機(jī)地結(jié)合起來，從而使熱軋寬帶鋼的生產(chǎn)節(jié)奏加快、能耗降低、勞動(dòng)生產(chǎn)率提高，是一種現(xiàn)代化的熱軋寬帶鋼高效化生產(chǎn)技術(shù)。薄板坯連鑄連軋流程的物理冶金過程與傳統(tǒng)工藝流程不同，難以生產(chǎn)C含量在0.07～0.15Wt.％范圍的包晶鋼，因此必須在冶金成分和工藝控制上采取新的設(shè)計(jì)思路和工藝路線。因此，薄板坯連鑄連軋技術(shù)發(fā)明和應(yīng)用后，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量的薄板坯連鑄連軋流程的應(yīng)用研究與產(chǎn)品開發(fā)工作，試圖拓展薄板坯連鑄連軋流程的產(chǎn)品范圍，提高薄板坯連鑄連軋流程的投資效益。
目前，國(guó)內(nèi)僅包鋼在轉(zhuǎn)爐薄板坯連鑄連軋流程研制和開發(fā)了J55鋼級(jí)石油套管用鋼。采用Nb、V復(fù)合微合金化技術(shù)及控軋控冷工藝，化學(xué)成分如下C≤0.08Wt.％，Si≤0.30Wt.％，Mn≤1.60Wt.％，P≤0.02Wt.％，S≤0.01Wt.％，Nb≤0.06Wt.％，V≤0.06Wt.％，Ti≤0.01Wt.％。
采用電爐薄板坯連鑄連軋流程研制、生產(chǎn)C含量0.15～0.22Wt.％，Nb、Ti復(fù)合微合金J55鋼級(jí)石油套管用鋼，在國(guó)內(nèi)尚無成功經(jīng)驗(yàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于電爐薄板坯連鑄連軋流程生產(chǎn)J55鋼級(jí)石油套管用鋼的方法，通過使用該方法可在電爐薄板坯連鑄連軋流程生產(chǎn)C含量0.15～0.22Wt.％，具有高強(qiáng)度、高韌性和可焊性的Nb、Ti復(fù)合微合金J55鋼級(jí)石油套管用鋼。
本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)采用的電爐薄板坯連鑄連軋工藝流程為電爐冶煉、精煉、薄板坯連鑄、鑄坯凝固后直接進(jìn)入輥底式加熱或均熱爐、高壓水除鱗、熱軋、層流冷卻、卷取；針對(duì)的鋼水化學(xué)成分范圍為C0.15～0.22Wt.％，Si≤0.45Wt.％，Mn0.70～1.60Wt.％，P≤0.025Wt.％，S≤0.020Wt.％，Nb≤0.06Wt.％，Ti≤0.035Wt.％；薄板坯連鑄連軋工藝參數(shù)為薄板坯連鑄工藝以3.5～5.5m/min拉速連鑄，鑄坯入爐溫度為900～1050℃，均熱溫度為1100～1200℃，開軋溫度為1030～1130℃，終軋溫度為800～900℃，強(qiáng)冷卻模式，卷取溫度為550～650℃。
采用本發(fā)明的化學(xué)成分和連鑄、均熱、除鱗、熱軋、冷卻及卷取工藝制度，可生產(chǎn)C含量0.15～0.22Wt.％，具有高強(qiáng)度、高韌性和可焊性的Nb、Ti復(fù)合微合金J55鋼級(jí)石油套管用鋼。
本發(fā)明的技術(shù)特點(diǎn)如下(1)采用0.15～0.22Wt.％的C含量薄板坯連鑄連軋流程的物理冶金過程與傳統(tǒng)工藝流程不同，難以生產(chǎn)C含量在0.07～0.15Wt.％的包晶鋼。
石油套管用鋼不僅要求具有足夠的強(qiáng)度，還必須具有良好的韌性和可焊性。C含量≥0.23Wt.％時(shí)，鋼的可焊性和韌性下降。C含量≤0.09Wt.％時(shí)，難以保證一定的硬度，使直縫電阻焊(ERW)套管螺紋加工難度增大并易出現(xiàn)粘扣現(xiàn)象。為了提高J55鋼級(jí)石油套管用鋼的可焊性和韌性及保證一定的硬度，C含量一般控制在0.10～0.22Wt.％范圍內(nèi)。
為避開薄板坯連鑄連軋流程包晶鋼的碳含量范圍，并保證鋼的焊接性、韌性和硬度的要求，本發(fā)明C含量控制在0.15～0.22Wt.％范圍。
(2)充分利用Nb微合金化技術(shù)通過Nb微合金化可有效控制再加熱奧氏體晶粒尺寸、再結(jié)晶奧氏體晶粒尺寸和未再結(jié)晶變形奧氏體向鐵素體相形核的有效晶界面積，從而獲得細(xì)晶組織以提高鋼板或鋼帶的強(qiáng)度和韌性。為了提高鋼的強(qiáng)度和韌性，必須充分利用Nb微合金化技術(shù)。
本發(fā)明采用以下工藝充分發(fā)揮Nb微合金化作用采用高連鑄拉速、高入爐溫度和高均熱溫度，使Nb在熱軋前充分固溶以最大限度地發(fā)揮Nb的微合金化作用；提高開軋溫度和連軋前序機(jī)架的變形量，促進(jìn)變形奧氏體再結(jié)晶，從而改善含Nb鋼的組織均勻性；終軋后，采用強(qiáng)冷卻工藝，促使鐵素體晶粒細(xì)化。
(3)采用Ti微合金化技術(shù)由于電爐煉鋼流程鋼水的N含量一般偏高。較高的N含量降低Nb(C，N)在奧氏體中的溶解度，提高沉淀析出溫度。研究表明，鑄坯中析出的Nb(C，N)沉淀的粒度較大，無法起到抑制奧氏體再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大作用，屬無效析出物。而TiN沉淀析出溫度明顯高于Nb(C，N)沉淀析出溫度，甚至在N含量較高的情況下可以發(fā)生TiN液析。因此，在含Nb鋼中加入一定量的Ti，可充分發(fā)揮Nb的微合金化作用。
TiN是高溫難溶粒子，可阻止熱影響區(qū)晶粒長(zhǎng)大，改善鋼的焊接性能，尤其改善焊縫熱影響區(qū)的沖擊韌性；此外，TiN粒子的析出降低了鋼中固溶N含量，有利于改善鋼的韌性和應(yīng)變時(shí)效性能。
因此，為了充分發(fā)揮Nb的微合金化作用和改善鋼的焊接性能、韌性及應(yīng)變時(shí)效性能，本發(fā)明在采用Nb微合金金化技術(shù)的基礎(chǔ)上，同時(shí)采用了Ti微合金化技術(shù)。
本發(fā)明具有以下的優(yōu)點(diǎn)(1)鋼的焊接性能和螺紋加工工藝性能同時(shí)得到保障過高C含量容易導(dǎo)致鋼的焊接性能和韌性惡化，過低的C含量將使直縫電阻焊(ERW)套管螺紋加工難度增大。本發(fā)明C含量控制在0.15～0.22Wt.％范圍，使鋼的焊接性能和螺紋加工工藝性能同時(shí)得到保障。
(2)鋼帶綜合性能明顯改善利用Nb微合金化技術(shù)同時(shí)提高鋼的強(qiáng)度和韌性，從而滿足石油套管用鋼對(duì)高強(qiáng)度和高韌性的要求；采用Ti微合金化技術(shù)，使Nb的微合金化作用充分發(fā)揮，并改善鋼的焊接性能、韌性和應(yīng)變時(shí)效性能。因此，采用本發(fā)明方法可明顯改善鋼帶綜合性能。
具體實(shí)施例方式
以下的實(shí)施例用于闡述本發(fā)明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅限于以下實(shí)施例。除非有特別說明，以下實(shí)施例中鋼水化學(xué)成分的百分?jǐn)?shù)均為重量百分?jǐn)?shù)。
實(shí)施例1采用的電爐薄板坯連鑄連軋工藝流程為電爐冶煉、精煉、薄板坯連鑄、鑄坯凝固后直接進(jìn)入輥底式加熱或均熱爐、高壓水除鱗、熱軋、層流冷卻、卷取。
鋼水化學(xué)成分范圍為C0.16～0.20％，Si0.15～0.30％，Mn0.85～1.10％，P0.01～0.02％，S0.003～0.008％，Nb0.040％，Ti0.022％。
薄板坯連鑄連軋工藝參數(shù)為連鑄拉速3.8～4.6m/min，鑄坯入爐溫度980～1050℃，均熱溫度1160～1200℃，開軋溫度1080～1120℃，終軋溫度800～860℃，強(qiáng)冷卻模式，卷取溫度550～600℃。
鋼帶的組織見

圖1，鋼帶的晶粒度和性能見表1。
表1 實(shí)施例1鋼帶的晶粒度和性能

實(shí)施例2采用的電爐薄板坯連鑄連軋工藝流程為電爐冶煉、精煉、薄板坯連鑄、鑄坯凝固后直接進(jìn)入輥底式加熱或均熱爐、高壓水除鱗、熱軋、層流冷卻、卷取。
鋼水的化學(xué)成分范圍為C0.16～0.20％，Si0.15～0.30％，Mn1.0～1.2％，P0.01～0.02％，S0.005～0.010％，Nb0.05％，Ti0.033％。
薄板坯連鑄連軋工藝參數(shù)為連鑄拉速3.8～4.4m/min，鑄坯入爐溫度980～1050℃，均熱溫度1160～1200℃，開軋溫度1080～1120℃，終軋溫度830～880℃，卷取溫度600～650℃。
鋼帶的組織見圖2，鋼帶的晶粒度和性能見表2。
表2 實(shí)施例2鋼帶的晶粒度和性能

實(shí)施例3采用的電爐薄板坯連鑄連軋工藝流程為電爐冶煉、精煉、薄板坯連鑄、鑄坯凝固后直接進(jìn)入輥底式加熱或均熱爐、高壓水除鱗、熱軋、層流冷卻、卷取。
鋼水化學(xué)成分范圍為C0.18～0.22％，Si0.25～0.40％，Mn0.70～0.90％，P0.01～0.02％，S0.008～0.015％，Nb0.06％，Ti0.025％。
薄板坯連鑄連軋工藝參數(shù)為連鑄拉速4.0～4.4m/min，鑄坯入爐溫度980～1050℃，均熱溫度1160～1200℃，開軋溫度1090～1130℃，終軋溫度800～850℃，強(qiáng)冷卻模式，卷取溫度550～600℃。
鋼帶的組織見圖3，鋼帶的晶粒度和性能見表3。
表3 實(shí)施例3鋼帶的晶粒度和性能

實(shí)施例4采用的電爐薄板坯連鑄連軋工藝流程為電爐冶煉、精煉、薄板坯連鑄、鑄坯凝固后直接進(jìn)入輥底式加熱或均熱爐、高壓水除鱗、熱軋、層流冷卻、卷取。
鋼水化學(xué)成分范圍為C0.15～0.17％，Si0.15～0.30％，Mn1.3～1.5％，P0.015～0.025％，S0.005～0.010％，Nb0.030％，Ti0.020％。
薄板坯連鑄連軋工藝參數(shù)為連鑄拉速4.8～5.5m/min，鑄坯入爐溫度930～1000℃，均熱溫度1110～1150℃，開軋溫度1030～1080℃，終軋溫度850～900℃，強(qiáng)冷卻模式，卷取溫度600～650℃。
鋼帶的組織見圖4，鋼帶的晶粒度和性能見表4。
表4 實(shí)施例4鋼帶的晶粒度和性能

權(quán)利要求
1.一種基于電爐薄板坯連鑄連軋流程生產(chǎn)J55鋼級(jí)石油套管用鋼的方法，其特征在于采用的電爐薄板坯連鑄連軋工藝流程為電爐冶煉、精煉、薄板坯連鑄、鑄坯凝固后直接進(jìn)入輥底式加熱或均熱爐、高壓水除鱗、熱軋、層流冷卻、卷取；針對(duì)的鋼水化學(xué)成分范圍為C0.15～0.22Wt.％，Si≤0.45Wt.％，Mn0.70～1.60Wt.％，P≤0.025Wt.％，S≤0.020Wt.％，Nb≤0.06Wt.％，Ti≤0.035Wt.％；薄板坯連鑄連軋工藝參數(shù)為薄板坯連鑄工藝以3.5～5.5m/min拉速連鑄，鑄坯入爐溫度為900～1050℃，均熱溫度為1100～1200℃，開軋溫度為1030～1130℃，終軋溫度為800～900℃，強(qiáng)冷卻模式，卷取溫度為550～650℃。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于電爐薄板坯連鑄連軋流程生產(chǎn)J55鋼級(jí)石油套管用鋼的方法，該方法針對(duì)電爐薄板坯連鑄連軋?zhí)攸c(diǎn)及冶金成分，采用電爐冶煉、精煉、薄板坯連鑄、鑄坯凝固后直接進(jìn)入輥底式加熱或均熱爐、高壓水除鱗、熱軋、層流冷卻、卷取。其中鋼水化學(xué)成分范圍為(Wt.％)C0.15～0.22％，Si≤0.45％，Mn0.70～1.60％，P≤0.025％，S≤0.020％，Nb≤0.06％，Ti≤0.035％。通過使用該方法可在電爐薄板坯連鑄連軋流程生產(chǎn)C含量0.15～0.22Wt.％，具有高強(qiáng)度、高韌性和可焊性的Nb、Ti復(fù)合微合金J55鋼級(jí)石油套管用鋼。
文檔編號(hào)B21B1/46GK1884787SQ20061003580
公開日2006年12月27日 申請(qǐng)日期2006年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月6日
發(fā)明者毛新平, 徐志如, 李春艷, 莊漢洲, 許傳棻, 張金星, 王進(jìn)步, 陳明, 陳云, 任崇銳 申請(qǐng)人:廣州珠江鋼鐵有限責(zé)任公司