深井高强度石油钻铤用AISI4145H钢的开发生产

欧阳 峥容

（山钢股份莱芜分公司 技术中心，山东 莱芜271004）

深井高强度石油钻铤用AISI4145H钢的开发生产

欧阳 峥容

（山钢股份莱芜分公司 技术中心，山东 莱芜271004）

通过优化合金成分设计，精选冶炼原料，电炉加强脱P，精炼过程加强脱气去夹杂，使用保护浇注等技术，采用电炉—LF精炼+VD真空脱气—连铸（电磁搅拌）—轧材—退火—精整矫直工艺路线，山钢股份莱芜分公司开发了深井高强度钻铤用AISI4145H钢。产品实物质量检测表明，钢成分控制窄，低倍组织致密，晶粒细小弥散，综合力学性能及淬透性良好，常温冲击和-20℃低温冲击韧性比标准要求的富余量大，经退火矫直后，硬度及外观尺寸均满足客户使用要求，目前已实现批量生产。

AISI4145H钢；石油钻铤用钢；力学性能；冲击韧性；淬透性

1 前 言

随着我国石油天然气工业的不断发展，对作为石油钻井作业中必不可少钻具石油钻铤的需求越来越大，同时钻井作业对钻铤的质量提出的要求也越来越高。AISI4145H钢作为通过AISI美国钢铁协会标准认证的国际通用石油钻铤用钢，主要用于加工制造地下3 000 m深度工作的石油开采抽油管的外套管，在国内石油天然气行业广泛应用。该材料是一种高强度、高硬度、抗扭转、抗弯曲、抗耐磨的特殊合金结构钢，能承受钻井作业的高速旋转、与岩石的剧烈摩擦、大扭矩（钻井深度要达到3 000 m以上，钻铤要逐节连接下去）以及启动、停止时冲击力等各种交变应力的作用。在复杂载荷的作用下，钻铤断裂失效的事故时有发生，轻则打捞、侧钻、延长钻井周期，重则使整口井报废。由于AISI4145H钻铤用钢属于技术含量较高的高附加值产品，各大钢铁企业都竞相抢占市场，产品竞争较为激烈。山钢股份莱芜分公司凭借2013年投产的设备先进、配套设施齐全的100 t电炉生产线，结合用户要求，采用电炉—LF精炼+VD真空脱气—连铸（电磁搅拌）—轧材成材—退火—精整矫直工艺路线，成功开发了满足用户使用要求的AISI4145H深井高强度石油钻铤用钢。

2 主要技术要求

1）用户对钢的化学成分（熔炼成分）提出了要求。

2）低倍组织。钢材按照GB/T 1979进行低倍组织检验，钢材的横截面酸浸低倍组织试片上不得有目视可见的缩孔、气泡、裂纹、白点、夹杂、分层、翻皮等缺陷。酸浸低倍组织合格级别应符合以下要求：一般疏松≤2.0级，中心疏松≤2.0级，偏析≤2.0级，不允许有一般点状偏析和边缘点状偏析。

3）力学性能。用预热处理过的毛坯（Φ25 mm）制成标准试样测定其纵向力学性能。推荐热处理制度：淬火，850℃±20℃，油；回火，610℃±25℃，油。

4）非金属夹杂物。按照GB/T 10561标准中的A检验法检验钢材的非金属夹杂物，合格级别应符合表1规定。

表1 AISI4145H钢材中的非金属夹杂物要求

5）晶粒度。钢材的奥氏体晶粒度≮6级。

6）淬透性。用预热处理过的毛坯（Φ30 mm）制成标准试样检验钢材的淬透性，对钢的淬透性提出了要求。推荐热处理制度：正火（880～900℃）+端淬（860℃±5℃）。

7）探伤。钢材逐支进行超声波内部探伤，探伤精度按GB/T 4162标准中B级质量等级执行。

8）圆钢以退火态交货，退火态交货硬度187～229 HB，保证压缩比≥6。

9）外形要求。钢材的每米弯曲度≤2.5 mm，总弯曲度≤0.25%，钢材断面锯切平齐，切斜度≤圆钢公称直径的10%

3 生产实践［1-2］

1）冶炼。采用EBT超高功率100 t电炉冶炼，为了有效降低钢中夹杂物含量，电炉冶炼铁水的兑入量＞60%，入炉原料经过优选，不允许配入渣铁、罐帮铁等高磷高硫废钢，同时炉体状况良好才能冶炼，保证最佳炉况并减少由炉体因素而使钢中的气体含量增加。电炉冶炼全过程保持泡沫渣操作，均匀脱碳、减少吸氮，采用大渣量深脱碳以加强脱P，控制终点[P]≤0.008%。高温快速脱碳，控制终点[C]≥0.10%，其余残余元素含量符合设计要求。钢水出钢温度控制在1 600～1 640℃，同时随出钢流加入钢芯铝2.5～3.5 kg/t进行沉淀脱氧，加入高锰合金、硅锰合金、高铬合金、钼铁合金进行合金化。

2）精炼＋VD真空处理。LF炉精炼白渣操作＞20 min，碱度为3.0～3.5。S降低钢材的抗蚀性能，必须加强脱硫操作，保证最终S含量＜0.005%，喂铝线1.5 m/t。根据精炼取样分析，再加入硅铁、硅锰进行成分微调，LF炉出钢前，按照1.5～3.5 kg/t喂入钙线，对夹杂物进行球化处理，以便夹杂物上浮被精炼渣吸附。

LF精炼后进行VD真空处理，真空度＜67 Pa，保持时间＞17 min，VD后软吹氩时间＞20 min，保证钢中气体及夹杂物充分脱除。

3）连铸。为了保证良好的铸坯内部质量，采用低过热度（20～30℃）全程保护浇注，同时使用电磁搅拌技术，以扩大等轴晶区，抑制柱状晶发展，从而减轻铸坯中心偏析和中心疏松；合理二冷工艺，优化二冷区水量分布，采用气雾冷却及自动控制；矫直点表面温度＞900℃，避免带液芯矫直，采用多点弯曲矫直、对弧准确、辊缝对中等技术保证二次冷却区铸坯受力均匀。

为了保证铸坯的表面质量，应稳定结晶器液面，避免液面波动引起坯壳生长的不均匀、卷渣等；采用高频率小振幅的结晶器振动机构，以减少振痕深度；选用具有良好吸收夹杂物能力和渣膜润滑能力的连铸保护渣。浇注断面Φ500 mm铸坯，拉速在（0.35±0.01）m/min；浇注断面Φ650 mm铸坯，拉速在（0.25±0.01）m/min。另外，铸坯不在冷床停留，及时入坑缓冷。缓冷制度：入坑温度＞650℃，Φ500 mm圆坯缓冷72 h以上，Φ650 mm圆坯缓冷96 h以上，且保证出坑温度≯200℃。

4）轧钢。控制加热炉均热温度在1180～1250℃。Φ500 mm铸坯加热时间≥6.5 h，Φ650 mm铸坯加热时间≥8.0 h；开轧温度1 090～1 190℃；终轧温度在＞900～1 000℃。轧后钢材＞500℃入坑缓冷，缓冷时间＞24 h，确保铸坯出缓冷坑＜200℃。

4 实物质量

统计50炉次AISI4145H石油钻铤用钢各项质量控制指标情况。

1）化学成分。技术协议要求的熔炼成分及成品实测化学成分如表2所示。由表2可以看出，AISI4145H石油钻铤用钢实现了窄成分控制，P、S有害元素及气体含量控制较低，符合石油钻铤用钢高洁净度的质量要求。气体含量：[N]（67～82）×10-6，[O]（12～14）×10-6，[H]（1.2～1.4）×10-6。

表2 AISI4145H钢化学成分（质量分数）%

2）低倍组织。统计分析，钢材的低倍检验结果为一般疏松为0.5级，中心疏松0.5～1.5级，偏析为0.5～1.0级。钢材的低倍组织致密、均匀，未发现肉眼可见的缩孔、裂纹、气泡、夹杂、折叠、白点及有害夹杂物，低倍组织检验结果符合技术要求。

3）力学性能。技术协议要求的力学性能及成品取样检测的性能指标见表3。由表3可以看出，屈服强度 933～1 031MPa，抗拉强度 1 057～1 159 MPa，伸长率16%～19%，断面收缩51%～59%，常温冲击功85～120 J，-20 ℃冲击功 80～110 J。AISI4145H 钢具有良好的综合机械性能，完全满足技术要求，且强度及冲击性能相对标准要求富余量较大。

表3 AISI4145H钢力学性能

4）非金属夹杂物及晶粒度。非金属夹杂物统计结果：A细类1～1.5级、A粗类0～1.5级、B细类0～1级、B粗类0～1级、D细类0～0.5级、D粗类、C类与Ds类夹杂物均为0级；晶粒度为7～8级。钢材的非金属夹杂物控制良好，洁净度较高，晶粒度细小，为材料良好的疲劳性能提供了有力保障。

5）淬透性。良好的淬透性保证了钢材热处理的稳定性，同时也是稳定钢材综合性能及使用要求的保证。AISI4145H钢淬透性技术协议要求及成品实测情况见表4。

6）退火硬度。根据客户要求，钢材退火交货硬度187～229 HB，实测退火硬度基本在196～223 HB范围，满足客户使用要求。

表4 AISI4145H钢淬透性 HRC

7）探伤。前期生产的钢种由于退火炉未投产，只能对轧后钢材进行缓冷，钢中存在组织应力和热应力，导致部分钢材内部存在微小裂纹，探伤合格较低。退火炉投产后，经退火的钢材，内部组织得到很好的改善，按GB/T 4162标准质量等级B级探伤，100%探伤合格。

8）表面质量。钢材不存在裂纹、折叠等影响使用的缺陷；外形优良，端部锯切整齐，不存在马蹄形、飞边、毛刺及影响使用的切斜和压扁，满足了用户对表面质量的严格要求。

5 结 语

采用100 t电炉冶炼—LF精炼—VD真空处理－连铸—轧制成材工艺开发生产高强度深井石油钻铤用钢，生产工艺合理、先进，工艺技术操作要点正确、可行。研制开发的高强度深井石油钻铤用钢，纯净度高，高淬透性好，具有高强度、高韧性等良好的综合机械性能，产品质量完全满足标准要求。产品主要用于3 000 m以上深度的石油钻铤，用户使用表明，成品钻铤各项性能检验合格，完全满足使用要求，在石油钻探过程中，保证了钻铤的使用稳定性及安全性。目前，山钢股份莱芜分公司开发的高强度AISI4145H石油钻铤用钢已实现批量化生产。

［1］ 李伟，李桂变.冶炼工艺对AISI4145H钻铤用钢冲击功的影响［J］.机械工程与自动化，2007（4）：84-86.

［2］ 陈雷，席波.AISI4145H石油钻铤用钢退火工艺改进［J］.南钢科技及管理，2011（1）：1-5.

Development and Production of AISI4145H Steel for Petroleum Drill Collar

OUYANG Zhengrong
（The Technology Centre of Laiwu Branch of Shandong Iron and Steel Co.，Ltd.，Laiwu 271004，China）

TF762；TG142.1

B

1004-4620（2017）05-0029-03

2017-06-22

欧阳峥容，女，1984年生，2008年毕业于东北大学冶金工程专业。现为山钢股份莱芜分公司技术中心工程师，从事优特钢产品研发工作。