石油钻井用钢SAE4137夹杂物控制

石油钻井用钢作为石油、天然气勘探开发的重要耗材，在石油工业中占有重要的位置。近年来，我国每年消耗油井用钢超过200万t。石油钻井用钢在石油工业中的地位不仅表现为用量大、花费高，更重要的是其质量和性能直接决定了我国石油工业的发展。SAE4137钢一般作为公母螺栓或者钻杆使用，其一般在几百、几千米的地下、极为复杂的地质条件下钻井，承受了拉、压、扭、冲、剪等各种作用力，甚至还将承受瞬间的突变载荷[1-3]。由于石油钻井用工作条件恶劣，钢的化学成分要求磷≤0.015%、硫≤0.008%，低倍评级均≤1.5级，夹杂物评级均≤1.5级，其冶炼工艺较普通钢种难度大。
在对石油钻杆用钢SAE4137的冶炼过程夹杂物控制理论分析的基础上，攀钢提钒炼钢厂实践了冶炼过程脱氧工艺、钢包渣组成控制和钙处理等工艺，试验结果表明夹杂物评级均≤1.5级，钢材力学性能稳定，较好地解决了转炉-大方坯流程批量生产SAE4137钢的夹杂物控制难题。
2试验内容
2.1工艺条件
SAE4137的生产工艺流程为：120t顶底复吹转炉冶炼-吹氩站-LF精炼-RH真空处理-360mm×450mm大方坯连铸-轧制Φ140mm-Φ220mm圆钢-退火-热处理-机械加工。顶底复吹转炉保证了冶炼终点钢水质量；与大方坯连铸机配套的LF炉具有良好的加热能力和造渣精炼功能，RH装置脱气、去除夹杂物的效果较好；大方坯连铸机配套了结晶器电磁搅拌和凝固末端动态轻压下。
2.2热力学分析
利用FACTSAGE软件中相图计算模块计算在CaO-SiO2-Al2O3三元夹杂物系中有两个低熔点区域。区域1熔点低于1400℃，其成分范围SiO228%-70%、Al2O33%-40%、CaO10%-55%，范围较宽，且其周边区域的熔点均较低，因此对于Si、Mn脱氧等钢种精炼渣系相对较好控制，在靠近该区域时，通过添加少量（10%以内）CaF2可进一步降低精炼渣的熔点。区域2熔点低于1500℃，其成分范围SiO20%-15%、Al2O322%-55%、CaO42%-65%，在区域2中熔点低于1400℃的成分范围为SiO20%-10%、Al2O335%-50%、CaO47%-57%。对于铝脱氧钢种精炼渣系的选择应为区域2，但范围较窄，因此根据钢种成分进行了进一步的计算分析。
2.3脱氧工艺的制定
计算了SAE4137钢的等a[O]、等[Als]线和等a[Ca]线发现：
1）CaO-SiO2-Al2O3渣系低熔点区域1的氧活度较高，低熔点区域2的氧活度则大大降低，因此要生产低氧钢须将夹杂物成分和精炼渣成分控制为区域2，此时的大致成分为：SiO20%-22%、Al2O325%-60%、CaO40%-75%。
2）在区域2，[Als]是影响a[O]的主要因素，且a[O]随[Als]升高而明显降低。另外a[O]随SiO2含量增加而升高。
3）在区域2，钢中存在极低的钙就能使夹杂物向低熔点的铝酸钙系转变。
4）钢水中a[O]、[Als]、a[Ca]分别控制在1ppm-5ppm、[Als]控制在0.01%-0.03%和7.5ppm-15ppm有利于夹杂物的控制。
因此，要生产低氧钢SAE4137时需要一定的[Als]，即应采用铝脱氧工艺，精炼渣系选择时必须尽量降低渣中的SiO2含量，且考虑到渣的流动性，在精炼渣中配加10%以内的CaF2可进一步降低精炼渣的熔点和粘度，有利于夹杂物的去除。
该厂转炉冶炼采用半钢转炉冶炼，半钢与铁水比较，其碳含量低，硅、锰元素均为痕迹，转炉冶炼热源相对不足，转炉终点钢水氧活度和钢渣氧化性更高，波动更大。图1为该厂采用半钢冶炼时转炉冶炼终点[C]-a[O]关系。由图1可见，半钢转炉冶炼终点[C]≤0.05%时，即使[C]含量微小下降，钢液氧活度含量也会大幅度上升。因此应将冶炼终点[C]控制在≥0.05%，使钢中的氧活度a[O]控制在800ppm以内。此外，转炉吹炼过程应加入发热剂，在适当提高出钢温度的同时避免深吹，并可在图1所示的基础上降低钢水氧活度。
脱氧剂的加入量与终点碳含量的关系见表1。为保证良好脱氧和为后续精炼创造条件，出钢后在吹氩站进行定氧，并根据钢水氧活度，补喂铝线，铝线的喂入量见表2。喂铝线后，钢水氧活度更低，对控制钢中T[O]有利。
2.4钢包渣组成控制
对钢中氧含量及夹杂物尺寸和数量的控制主要是靠精炼工序完成，精炼过程的重点是根据钢种质量要求，在脱氧工艺的基础上对钢包渣组成进行控制。根据钢种质量要求分析和热力学计算结果，采用活性石灰和高碱度精炼渣调整钢包渣组成，利用钢包渣改性剂和铝丸作为降低钢包渣氧化性的还原剂。在预测钢包渣成分的基础上，制订的造渣工艺如下：
1）严格控制出钢过程下渣量，出钢过程挡渣标加入位置准确，出钢口时间≥5min；渣层厚度控制在50mm以内；
2）出钢过程合金化后立即向钢包内加入800kg活性石灰，200kg萤石（或1000kg高碱度精炼渣；
3）钢水进站根据吹氩站硫含量加入头批（总量的1/2）铝丸和高碱度精炼渣后加热化渣，取样后加入第二批渣料。总加入量要求如表3。
2.5钙处理工艺
考虑到钢中硫化物夹杂和脆性氧化物夹杂对钢的性能的影响，特别是对冲击性能的不利影响，需要对夹杂物进行变性处理。通过对钙处理计算结果，需要将钢水中钙含量控制在7.5-15ppm。试验采用的方案和中间包钢水钙含量见表7，试验达到了FACTSAGE软件计算的结果。由表4可见，采用方案二，钢水中钙含量保持在8.5-21.0ppm，平均11.8ppm。因此，结合理论计算和试验的结果，在LF处理结束后喂CaSi线500-700m较为合适。
2.6RH真空处理
RH具有良好的脱气和去除夹杂的功能，为有效控制钢中[H]含量以及夹杂物数量，采用RH真空处理。试验过程中，要求RH处理时间≥15min，并且保证真空度<300Pa的时间≥12min，然后再进行成分微调。真空处理结束后，对钢水进行软吹氩处理，软吹时间≥5min。试验时对提升气体氩气流量进行控制，前3min氩流量1200Nl/min，3min后到18min采用1500Nl/min。试验61炉钢经RH处理后，出站[H]在0.5-1.5ppm，平均0.8ppm；试验一个包次8炉钢的夹杂物去除率34%-72%，平均达到57%。
(来源：钢铁产业)