V150鋼級高強韌性套管鋼的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及鋼鐵行業(yè)的無縫石油套管鋼冶煉工藝，特別涉及V150鋼級高強韌性 套管鋼的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著石油資源日益匱乏，而油氣需求量日益旺盛，為了獲得更多的石油資源，對地 質(zhì)條件復(fù)雜、開采難度大的油田的開發(fā)加大；隨著油井深度增加，井內(nèi)溫度和壓力相應(yīng)提 高，固井完井用套管服役的地質(zhì)環(huán)境發(fā)生了顯著變化，現(xiàn)有美國API標準的高鋼級套管難 以勝任，必須采用非API標準的高強韌性套管，如V150高強韌性套管。為了確保油井的運 行安全，因此對V150高強韌性套管的綜合力學性能、使用性能和壽命提出了更高要求，特 別是需要兼具高強韌性，對強韌性匹配提出了極高的要求。
[0003] 生產(chǎn)高強韌性套管是極富挑戰(zhàn)性，技術(shù)含量和附加值最高，同時又有高風險的產(chǎn) 品。全世界生產(chǎn)石油鋼管的企業(yè)大都是技術(shù)最先進、最富盛譽的鋼鐵企業(yè)，其中只有少數(shù)企 業(yè)能生產(chǎn)出性能穩(wěn)定、強韌度匹配良好的高鋼級套管，其生產(chǎn)技術(shù)在世界范圍內(nèi)被視為頂 尖技術(shù)而嚴格保密。目前國內(nèi)外主要油井管生產(chǎn)企業(yè)都在開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的非API 標準的高強韌性套管。如全球鋼管行業(yè)的4大巨頭法國的瓦盧瑞克（Vallourec)、盧森堡的 特納瑞斯（Tenaris)、日本的住友金屬以及中國的天津鋼管等公司報道了一些高強韌性套 管的生產(chǎn)技術(shù)，大都為具有自主知識產(chǎn)權(quán)的專利技術(shù)，內(nèi)容主要涉及鋼的成分設(shè)計和工藝 措施，而對具體的冶煉操作鮮有報道。
[0004] V150高強韌性套管，主要用于在高壓氣井、高壓深井、超深井、高溫高壓井中，有 的井底壓力高達130MPa以上，井口壓力也超過70MPa;由于井深，、使得井底溫度一般在 130~180°C，有的超過200°C。為了確保油井的運行安全，其突出特點是要求強韌性匹配 高、綜合力學性能優(yōu)良和長使用壽命，因此，就材料本身而言，主要影響因素是鋼的有害元 素？、3，五害元素仏 8、511、？13、313、81)，鋼質(zhì)純凈（氣體、夾雜）和偏析等。這些影響因素主 要在冶煉和澆鑄過程進行控制，因此做好高強韌性套管V150的冶煉過程控制非常關(guān)鍵。
[0005] 申請?zhí)枮?00910069758.X，發(fā)明名稱為"150ksi鋼級高強韌油氣井井下作業(yè)用鋼 管及其生產(chǎn)方法"的中國專利，公開了一種150ksi鋼級高強韌油氣井井下作業(yè)用鋼管，其化 學成分按重量％為0:0.22~0.26%、510.15~0.35%、]\1110.40~0.60%、？彡0.010%、 S彡 0? 005%、Cr0? 90 ~1. 10%、M〇 0? 70 ~0? 80%，V0? 10 ~0? 15%，其余為Fe和不可 去除的痕量元素。還公開了該鋼級鋼管的制備方法，主要包括煉鋼、乳管和熱處理等步驟。 雖然該發(fā)明涉及鋼的成分設(shè)計和制備工藝，其最終成品150ksi鋼級高強韌鋼管，不涉及具 體的鋼坯的澆鑄過程的控制方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種V150鋼級高強韌性套管鋼的制備方法。
[0007] V150鋼級高強韌性套管鋼的制備方法，包括以下步驟：
[0008]a、冶煉：以鐵水和廢鋼為原料，在電弧爐中進行冶煉，得到溫度為1620~1640°C 的初煉鋼水；
[0009]b、LF精煉：將a步驟冶煉好的鋼水加入合成渣進行LF精煉，待合成渣基本熔 化后，分批加入精煉劑、A1粉加強爐渣脫氧，造白渣，保證白渣時間多20min;控制爐渣 (FeO+MnO) < 0. 5 %，升高鋼水溫度，進行合金化和脫硫操作，調(diào)整合金成分滿足標準要求 且S< 0. 003% ;同時LF精煉結(jié)束后進行第一次鈣處理；
[0010] c、VD真空處理：將b步驟中精煉后的鋼水真空度在常壓~67pa下，控制吹A(chǔ)r流量 80~150NL/Min，在破空前5min以內(nèi)控制吹A(chǔ)r流量40~80NL/min，在真空度< 67Pa下脫 氣處理12~18min，之后在真空度< 200Pa下脫氣處理至少5min;破真空后在VD真空處理 工序進行第二次鈣處理；鈣處理后對鋼水進行靜吹處理，控制底吹氬強度保證鋼液面微動， 靜吹時間彡15min，再靜置10~20min;得到溫度為1570~1585°C的鋼水；
[0011] d、澆鑄成連鑄圓坯：將c步驟處理好的鋼水進行澆鑄，控制中間包澆注過熱度，澆 鑄溫度1525~1545°C;二冷曲線采用弱冷，比水量0. 42~0. 48Kg/t;采用結(jié)晶器電攪和末 端電攪，結(jié)晶器電磁攪拌參數(shù)：電流200A、頻率2. 5Hz，末端電磁攪拌參數(shù)：電流150A、頻率 8. 0Hz〇
[0012] 上述所述V150鋼級高強韌性套管鋼，是以鐵水和廢鋼為原料制備而成，其化學 成分按重量百分比為：鐵水中C彡3. 50%，S彡0? 060%，P彡0? 150%，As彡0? 010%， Sn彡0? 008 %且As+Sn+Pb+Sb+Bi彡0? 020 %，入電爐鐵水溫度T彡1280°C;廢鋼中 S彡 0? 010%，As彡 0? 010%，Sn彡 0? 008%，As+Sn+Pb+Sb+Bi彡 0? 020% ;將鐵水和廢鋼按 一定比例進行配比，控制配碳量1. 6~2. 0%。
[0013] 進一步的，為了得到更優(yōu)的技術(shù)方案，上述所述V150鋼級高強韌性套管鋼以鐵水 和廢鋼為原料制備而成，其化學成分按重量百分比為：鐵水成分：c:3. 80%，S:0. 030%，P: 0? 100%，As:0? 008%，Sn:0? 004%，As+Sn+Pb+Sb+Bi:0? 017%，入電爐鐵水溫度T:130(TC; 廢鋼中S:0? 008%，As:0? 007%，Sn:0? 004%，As+Sn+Pb+Sb+Bi:0? 016% ;將鐵水和廢鋼按 一定比例進行配比，控制配碳量1. 7%。
[0014] 或者上述所述V150鋼級高強韌性套管鋼以鐵水和廢鋼為原料制備而成，其化 學成分按重量百分比為：鐵水成分：C:4. 10%，S:0? 040%，P:0? 110%，As:0? 007%，Sn: 0? 003%，As+Sn+Pb+Sb+Bi:0? 014%，入電爐鐵水溫度T:1310°C;廢鋼中S:0? 010%，As: 0. 007%，Sn:0. 003%，As+Sn+Pb+Sb+Bi:0. 014% ;將鐵水和廢鋼按一定比例進行配比，控制 配碳量2. 0%。
[0015] 最終制備的鋼的主要化學成分按重量百分比：C0. 23~0. 27%、Si0. 20~ 0. 35%、Mn0. 45 ~0. 60%、Cr0. 95 ~1. 10%、Mo0. 75 ~0. 85%、Nb0. 03 ~ 0? 05 %、V0? 07 ~0? 12 %、A1 0? 015 ~0? 045 %，Cu彡 0? 20 %、Ni彡 0? 20 %、Ti 1. 0Kg/t;P彡 0? 010%、S彡 0? 003 %。五害元素：As彡 0? 020%、Sn彡 0? 010 %，且 As+Sn+Pb+Sb+Bi彡 0? 025 %，氣體[0]彡 0? 0020 %、[N]彡 0? 0080 %。
[0016] 本發(fā)明以鐵水和廢鋼為原料，要求了入電爐鐵水C含量以及溫度，鐵水、廢鋼的P、 S、As、Sn、Pb、Sb、Bi含量以及配碳量；使電爐冶煉獲得低有害元素、五害元素的鋼水，鋼水 終點C含量高，氧含量低，利于減少脫氧劑用量和鋼水中夾雜物含量，減輕LF精煉脫硫負 荷。
[0017] 上述所述a步驟中出鋼過程加入復(fù)合脫氧劑CaBaAlSi1. 0~2. 5kg/t、A1塊 2. 0~3. 5kg/t進行強行脫氧，和加入高碳猛鐵合金4. 0~4. 5kg/t進行合金化處理；出鋼 前在鋼包內(nèi)加入石灰2. 5~4. 5kg/爐，加入石灰由于初煉鋼水初始溫度高有利于渣料熔 化，同時石灰可以提高爐渣堿度。
[0018] 出鋼過程中，調(diào)整吹氬強度進行攪拌，保證初煉鋼水預(yù)脫氧良好，利用出鋼過程鋼 水的沖擊攪拌和底吹A(chǔ)r攪拌，鋼包內(nèi)進行脫硫，減輕LF深脫硫負荷，縮短冶煉時間。
[0019] 上述所述b步驟中加入的合成渣根據(jù)電爐出鋼S含量不同選擇不同的加入量：出 鋼S0. 010 ~0? 015%、加入量 17 ~18. 5kg/t;出鋼S0? 001 ~0? 009%、加入量 14 ~16kg/ t。LF精煉過程中，爐渣變白后繼續(xù)精煉過程中，補充加入少量精煉劑保持白渣，保證白渣時 間多20min。
[0020] 上述所述V150鋼級高強韌性套管鋼的制備方法，其中所述采用二次鈣處理的方 法，該鈣處理方法為：用總Ca含量為50%的純鈣線進行鈣處理，加入的純Ca線量為0. 08~ 0. 10kg/t。通過精煉渣進行深脫硫、脫氧及吸附夾雜物，利用鈣處理實現(xiàn)夾雜物的轉(zhuǎn)變，形 成較大的復(fù)合非金屬夾雜物，隨后在VD真空處理過程中上浮去除。
[0021] 進一步的，C步驟中鋼材為了得到更好的脫氣效果，破空后在真空度< 67Pa下脫 氣處理優(yōu)選15min。
[0022] 本發(fā)明通過合理的原料控制、配料以及電爐冶煉得到低有害元素、低五害元素、終 點C含量高，氧含量低的初煉鋼水，利于減少脫氧劑用量和鋼水中夾雜物含量；出鋼脫氧合 金化及渣洗，保證初煉鋼水預(yù)脫氧良好，減輕LF深脫硫負荷；LF精煉通過精煉渣進行深脫 硫、脫氧及吸附夾雜物并利用鈣處理實現(xiàn)夾雜物的轉(zhuǎn)變，形成較大的復(fù)合非金屬夾雜物隨 后在VD真空處理過程中上浮去除。
[0023] 本發(fā)明對鋼水進行VD真空處理，要求了VD真空處理時的真空度、真空處理時間、 吹A(chǔ)r強度及破空后第二次鈣處理純鈣線喂入量，還要求了鈣處理后的靜吹時間、靜置時間 及出鋼溫度；脫出鋼中氣體含量，再次進行鈣處理使鋼中未去除的細小非金屬夾雜物得到 轉(zhuǎn)變，通過充分的靜吹和靜置時間促進充分上浮的夾雜物去除。
[0024] 澆鑄成連鑄圓坯，要求了中間包澆注溫度、二冷制度、結(jié)晶器電磁攪拌參數(shù)及末端 電磁攪拌參數(shù)；合理的工藝參數(shù)控制了鑄坯偏析。
[0025] 在鋼鐵冶煉中，一般將夾雜物進行如下分類，其中：
[0026] A類（硫化物類）一一具有高的延展性，有較寬范圍形態(tài)比（長度/寬度）的單個 灰色夾雜物，一般端部呈圓角；
[0027] B類（氧化鋁類）一一大多數(shù)沒有變形，帶角的，形態(tài)比?。ㄒ话?lt;3)，黑色或帶藍 色的顆粒，沿軋制方向排成一行（至少有3個顆粒）；
[0028] C類（硅酸鹽類）一一具有高的延展性，有較寬范圍的形態(tài)比（一般彡3)的單個 呈黑色或深灰色夾雜物，一般端部呈銳角；
[0029] D類（球狀氧化物類）一一不變形，帶角或圓形的，形態(tài)比?。ㄒ话?lt;3)，黑色或帶 藍色的，無規(guī)則分布的顆粒；
[0030] DS類（單顆粒球狀類）一一圓形或近似圓形，直徑彡13Pm的單顆粒夾雜物。
[0031] 本發(fā)明提供的一種V150鋼級高強韌性套管鋼的制備方法，制得的圓管坯鋼有害 元素含量低（P彡〇? 〇l〇%、S彡0? 003% )，五害元素含量低（As彡0? 020%、Sn彡0? 010%， 且As+Sn+Pb+Sb+Bi彡 0? 025% )，鋼質(zhì)純凈度高（氣體[0]彡 0? 0020%、[N]彡 0? 0080%， 夾雜物高倍A、B、C、D、DS分別不大于0. 5級），偏析小，制造的無縫鋼管強韌性匹配高、綜合 力學性能優(yōu)良，使用壽命長，可廣泛應(yīng)用在高壓氣井、高壓深井、超深井、高溫高壓井中，保 證油井的運行安全。
【附圖說明】
[0032] 圖1為14803002爐<i> 350mm規(guī)格鑄坯C偏析；
[0033] 圖2為14803003爐<i> 350mm規(guī)格鑄坯C偏析。
【具體實施方式】
[0034] V150鋼級高強韌性套管鋼的制備方法，包括以下步驟：
[0035] a、冶煉：以鐵