深井高強度石油鉆鋌用AISI4145H鋼的開發生產

歐陽 崢容

（山鋼股份萊蕪分公司 技術中心，山東 萊蕪271004）

深井高強度石油鉆鋌用AISI4145H鋼的開發生產

歐陽 崢容

（山鋼股份萊蕪分公司 技術中心，山東 萊蕪271004）

通過優化合金成分設計，精選冶煉原料，電爐加強脫P，精煉過程加強脫氣去夾雜，使用保護澆注等技術，采用電爐—LF精煉+VD真空脫氣—連鑄（電磁攪拌）—軋材—退火—精整矯直工藝路線，山鋼股份萊蕪分公司開發了深井高強度鉆鋌用AISI4145H鋼。產品實物質量檢測表明，鋼成分控制窄，低倍組織致密，晶粒細小彌散，綜合力學性能及淬透性良好，常溫沖擊和-20℃低溫沖擊韌性比標準要求的富余量大，經退火矯直后，硬度及外觀尺寸均滿足客戶使用要求，目前已實現批量生產。

AISI4145H鋼；石油鉆鋌用鋼；力學性能；沖擊韌性；淬透性

1 前 言

隨著我國石油天然氣工業的不斷發展，對作為石油鉆井作業中必不可少鉆具石油鉆鋌的需求越來越大，同時鉆井作業對鉆鋌的質量提出的要求也越來越高。AISI4145H鋼作為通過AISI美國鋼鐵協會標準認證的國際通用石油鉆鋌用鋼，主要用于加工制造地下3 000 m深度工作的石油開采抽油管的外套管，在國內石油天然氣行業廣泛應用。該材料是一種高強度、高硬度、抗扭轉、抗彎曲、抗耐磨的特殊合金結構鋼，能承受鉆井作業的高速旋轉、與巖石的劇烈摩擦、大扭矩（鉆井深度要達到3 000 m以上，鉆鋌要逐節連接下去）以及啟動、停止時沖擊力等各種交變應力的作用。在復雜載荷的作用下，鉆鋌斷裂失效的事故時有發生，輕則打撈、側鉆、延長鉆井周期，重則使整口井報廢。由于AISI4145H鉆鋌用鋼屬于技術含量較高的高附加值產品，各大鋼鐵企業都競相搶占市場，產品競爭較為激烈。山鋼股份萊蕪分公司憑借2013年投產的設備先進、配套設施齊全的100 t電爐生產線，結合用戶要求，采用電爐—LF精煉+VD真空脫氣—連鑄（電磁攪拌）—軋材成材—退火—精整矯直工藝路線，成功開發了滿足用戶使用要求的AISI4145H深井高強度石油鉆鋌用鋼。

2 主要技術要求

1）用戶對鋼的化學成分（熔煉成分）提出了要求。

2）低倍組織。鋼材按照GB/T 1979進行低倍組織檢驗，鋼材的橫截面酸浸低倍組織試片上不得有目視可見的縮孔、氣泡、裂紋、白點、夾雜、分層、翻皮等缺陷。酸浸低倍組織合格級別應符合以下要求：一般疏松≤2.0級，中心疏松≤2.0級，偏析≤2.0級，不允許有一般點狀偏析和邊緣點狀偏析。

3）力學性能。用預熱處理過的毛坯（Φ25 mm）制成標準試樣測定其縱向力學性能。推薦熱處理制度：淬火，850℃±20℃，油；回火，610℃±25℃，油。

4）非金屬夾雜物。按照GB/T 10561標準中的A檢驗法檢驗鋼材的非金屬夾雜物，合格級別應符合表1規定。

表1 AISI4145H鋼材中的非金屬夾雜物要求

5）晶粒度。鋼材的奧氏體晶粒度≮6級。

6）淬透性。用預熱處理過的毛坯（Φ30 mm）制成標準試樣檢驗鋼材的淬透性，對鋼的淬透性提出了要求。推薦熱處理制度：正火（880～900℃）+端淬（860℃±5℃）。

7）探傷。鋼材逐支進行超聲波內部探傷，探傷精度按GB/T 4162標準中B級質量等級執行。

8）圓鋼以退火態交貨，退火態交貨硬度187～229 HB，保證壓縮比≥6。

9）外形要求。鋼材的每米彎曲度≤2.5 mm，總彎曲度≤0.25%，鋼材斷面鋸切平齊，切斜度≤圓鋼公稱直徑的10%

3 生產實踐［1-2］

1）冶煉。采用EBT超高功率100 t電爐冶煉，為了有效降低鋼中夾雜物含量，電爐冶煉鐵水的兌入量＞60%，入爐原料經過優選，不允許配入渣鐵、罐幫鐵等高磷高硫廢鋼，同時爐體狀況良好才能冶煉，保證最佳爐況并減少由爐體因素而使鋼中的氣體含量增加。電爐冶煉全過程保持泡沫渣操作，均勻脫碳、減少吸氮，采用大渣量深脫碳以加強脫P，控制終點[P]≤0.008%。高溫快速脫碳，控制終點[C]≥0.10%，其余殘余元素含量符合設計要求。鋼水出鋼溫度控制在1 600～1 640℃，同時隨出鋼流加入鋼芯鋁2.5～3.5 kg/t進行沉淀脫氧，加入高錳合金、硅錳合金、高鉻合金、鉬鐵合金進行合金化。

2）精煉＋VD真空處理。LF爐精煉白渣操作＞20 min，堿度為3.0～3.5。S降低鋼材的抗蝕性能，必須加強脫硫操作，保證最終S含量＜0.005%，喂鋁線1.5 m/t。根據精煉取樣分析，再加入硅鐵、硅錳進行成分微調，LF爐出鋼前，按照1.5～3.5 kg/t喂入鈣線，對夾雜物進行球化處理，以便夾雜物上浮被精煉渣吸附。

LF精煉后進行VD真空處理，真空度＜67 Pa，保持時間＞17 min，VD后軟吹氬時間＞20 min，保證鋼中氣體及夾雜物充分脫除。

3）連鑄。為了保證良好的鑄坯內部質量，采用低過熱度（20～30℃）全程保護澆注，同時使用電磁攪拌技術，以擴大等軸晶區，抑制柱狀晶發展，從而減輕鑄坯中心偏析和中心疏松；合理二冷工藝，優化二冷區水量分布，采用氣霧冷卻及自動控制；矯直點表面溫度＞900℃，避免帶液芯矯直，采用多點彎曲矯直、對弧準確、輥縫對中等技術保證二次冷卻區鑄坯受力均勻。

為了保證鑄坯的表面質量，應穩定結晶器液面，避免液面波動引起坯殼生長的不均勻、卷渣等；采用高頻率小振幅的結晶器振動機構，以減少振痕深度；選用具有良好吸收夾雜物能力和渣膜潤滑能力的連鑄保護渣。澆注斷面Φ500 mm鑄坯，拉速在（0.35±0.01）m/min；澆注斷面Φ650 mm鑄坯，拉速在（0.25±0.01）m/min。另外，鑄坯不在冷床停留，及時入坑緩冷。緩冷制度：入坑溫度＞650℃，Φ500 mm圓坯緩冷72 h以上，Φ650 mm圓坯緩冷96 h以上，且保證出坑溫度≯200℃。

4）軋鋼。控制加熱爐均熱溫度在1180～1250℃。Φ500 mm鑄坯加熱時間≥6.5 h，Φ650 mm鑄坯加熱時間≥8.0 h；開軋溫度1 090～1 190℃；終軋溫度在＞900～1 000℃。軋后鋼材＞500℃入坑緩冷，緩冷時間＞24 h，確保鑄坯出緩冷坑＜200℃。

4 實物質量

統計50爐次AISI4145H石油鉆鋌用鋼各項質量控制指標情況。

1）化學成分。技術協議要求的熔煉成分及成品實測化學成分如表2所示。由表2可以看出，AISI4145H石油鉆鋌用鋼實現了窄成分控制，P、S有害元素及氣體含量控制較低，符合石油鉆鋌用鋼高潔凈度的質量要求。氣體含量：[N]（67～82）×10-6，[O]（12～14）×10-6，[H]（1.2～1.4）×10-6。

表2 AISI4145H鋼化學成分（質量分數）%

2）低倍組織。統計分析，鋼材的低倍檢驗結果為一般疏松為0.5級，中心疏松0.5～1.5級，偏析為0.5～1.0級。鋼材的低倍組織致密、均勻，未發現肉眼可見的縮孔、裂紋、氣泡、夾雜、折疊、白點及有害夾雜物，低倍組織檢驗結果符合技術要求。

3）力學性能。技術協議要求的力學性能及成品取樣檢測的性能指標見表3。由表3可以看出，屈服強度 933～1 031MPa，抗拉強度 1 057～1 159 MPa，伸長率16%～19%，斷面收縮51%～59%，常溫沖擊功85～120 J，-20 ℃沖擊功 80～110 J。AISI4145H 鋼具有良好的綜合機械性能，完全滿足技術要求，且強度及沖擊性能相對標準要求富余量較大。

表3 AISI4145H鋼力學性能

4）非金屬夾雜物及晶粒度。非金屬夾雜物統計結果：A細類1～1.5級、A粗類0～1.5級、B細類0～1級、B粗類0～1級、D細類0～0.5級、D粗類、C類與Ds類夾雜物均為0級；晶粒度為7～8級。鋼材的非金屬夾雜物控制良好，潔凈度較高，晶粒度細小，為材料良好的疲勞性能提供了有力保障。

5）淬透性。良好的淬透性保證了鋼材熱處理的穩定性，同時也是穩定鋼材綜合性能及使用要求的保證。AISI4145H鋼淬透性技術協議要求及成品實測情況見表4。

6）退火硬度。根據客戶要求，鋼材退火交貨硬度187～229 HB，實測退火硬度基本在196～223 HB范圍，滿足客戶使用要求。

表4 AISI4145H鋼淬透性 HRC

7）探傷。前期生產的鋼種由于退火爐未投產，只能對軋后鋼材進行緩冷，鋼中存在組織應力和熱應力，導致部分鋼材內部存在微小裂紋，探傷合格較低。退火爐投產后，經退火的鋼材，內部組織得到很好的改善，按GB/T 4162標準質量等級B級探傷，100%探傷合格。

8）表面質量。鋼材不存在裂紋、折疊等影響使用的缺陷；外形優良，端部鋸切整齊，不存在馬蹄形、飛邊、毛刺及影響使用的切斜和壓扁，滿足了用戶對表面質量的嚴格要求。

5 結 語

采用100 t電爐冶煉—LF精煉—VD真空處理－連鑄—軋制成材工藝開發生產高強度深井石油鉆鋌用鋼，生產工藝合理、先進，工藝技術操作要點正確、可行。研制開發的高強度深井石油鉆鋌用鋼，純凈度高，高淬透性好，具有高強度、高韌性等良好的綜合機械性能，產品質量完全滿足標準要求。產品主要用于3 000 m以上深度的石油鉆鋌，用戶使用表明，成品鉆鋌各項性能檢驗合格，完全滿足使用要求，在石油鉆探過程中，保證了鉆鋌的使用穩定性及安全性。目前，山鋼股份萊蕪分公司開發的高強度AISI4145H石油鉆鋌用鋼已實現批量化生產。

［1］ 李偉，李桂變.冶煉工藝對AISI4145H鉆鋌用鋼沖擊功的影響［J］.機械工程與自動化，2007（4）：84-86.

［2］ 陳雷，席波.AISI4145H石油鉆鋌用鋼退火工藝改進［J］.南鋼科技及管理，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

歐陽崢容，女，1984年生，2008年畢業于東北大學冶金工程專業。現為山鋼股份萊蕪分公司技術中心工程師，從事優特鋼產品研發工作。