[發明專利]高強度合金鋼的冶煉方法

在審

• 申請號: 201410330844.2
• 申請日: 2014-07-14
• 公開（公告）號: CN105274418A
• 公開（公告）日: 2016-01-27
• 發明（設計）人: 丁春燕
• 申請（專利權）人: 丁春燕
• 主分類號: C22C33/04
• 分類號: C22C33/04;C21C7/064;C21C7/068;C21C7/06;C21C7/10
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技術領域

本發明涉及冶金領域，具體為一種用于鉆頭和泵頭體材料的高強度合金鋼冶煉工藝。

背景技術

石油勘探鉆頭有牙輪鉆頭、刮刀鉆頭、金剛石鉆頭等多種，其中占各國石油鉆井使用量90%以上的是牙輪鉆頭，所使用的鋼材一般屬低碳高強度合金滲碳鋼，如Ni-Cr-Mo系和Ni-Mo系。

石油鉆探過程中，受地質條件影響較大，尤其是復雜的地貌，對鉆桿材料要求也高。一般采用美標的4330V材料制成，相當于國內牌號30CrNiMoV材料，這種材料也用于多缸柱塞泵的泵頭。因此，這種材料必須具備優良的綜合力學性能，不僅要通過嚴格的化學成分和特定金相組織來保證，而且要嚴格控制鋼材的內部微觀缺陷。

在強度等級提高后，成分控制范圍一般要比普通合金結構鋼窄，要求鋼水純度高。對于微量雜質元素，不僅要嚴格控制含量，而且對其存在部位和形態也有特定要求。如：硫的含量要求控制在0.015%以下，而以前要求是0.04%；因硫化物夾雜導致應力集中，形成裂紋源，所以硫化物的形狀還必須為分散的球形。除硫、磷之外，氣體對鋼的耐疲勞強度和沖擊韌性等均有影響。因此，這類高強度鋼的冶煉一般要經過電弧爐、鋼包精煉爐（LF爐）、真空脫氣（VD）和電渣重熔等工藝。這樣冶煉的成本較高。

在鋼鐵合金冶煉過程中，在煉鋼階段將原料熔化為鋼水，然后；在氧化期的處理過程中，需加入氧化劑（如通入氧氣、加入鐵礦石或氧化鐵皮）以氧化去除其中的碳、磷等雜質元素及雜質氣體。通常情況下，需要加入過量的氧化劑，因此會形成氧化夾雜物（以FeO為主）。氧化夾雜物對鋼質有害，造成所得到的鋼鐵容易發生熱脆。通常需要再加入脫氧劑進行脫氧處理，即鋼鐵冶煉中的還原期。

脫氧劑的種類有很多，常用的有硅鐵、錳鋼、錳硅合金、鋁等，以及用作脫氧劑和合金化材料的含鉻、硼、磷、鎳、鈦等合金元素。

在鋼包精煉爐（LF爐）中進行的脫氧處理工藝主要有沉淀脫氧和擴散脫氧等。

沉淀脫氧：向鋼水中直接加入脫氧劑或合金脫氧材料，使之形成氧化物；該氧化物上浮進入鋼渣。這種方法脫氧速度快，但是產生的夾雜物較多，夾雜物混合在鋼水中不易去除。一般在沉淀脫氧前會在鋼水中加入少量螢石、氧化鈣等造渣材料制造漂浮在鋼水表面的稀薄渣，用于吸附鋼水中的夾雜物。

擴散脫氧：在鋼渣中氧化鐵的含量較高，可向鋼渣中加入碳粉、硅粉、鋁粉等還原劑，用于還原鋼渣，使鋼渣中的FeO含量降低，有利于鋼水中的氧擴散到鋼渣中。

沉淀脫氧過程中，常用的脫氧劑材料有錳鐵、硅鐵和鋁，這三種材料的價格較低。一般情況下，脫氧劑折合為硅、錳和鋁元素，與鋼水的用量比為0.17%～0.37%、0.3%～0.6%和0.05%～0.10%。現有的工藝中，脫氧劑錳鐵、硅鐵和鋁分別加入鋼水中進行反應；根據對氧親和力的強弱，加入順序為錳鐵、硅鐵和鋁，由于錳與氧的親和力弱，需要反應較長的時間，因此最先加入；鋁較為活潑，反應時間較短。由于鋼水的溫度一般在1600℃左右，在冶煉過程中分別單獨加入上述脫氧劑，就不能形成低熔點的液態大顆粒（Al2O3、SiO2和MnO的熔點分別為2050℃、1713℃和1785℃，高于鋼水溫度），這些脫氧產物在鋼水中以固體狀存在，混合在鋼水中，難以上浮以脫離鋼水進入鋼渣。

因此，需要對現有工藝加以改進，使脫氧劑能夠形成比重輕、熔點低、顆粒大的脫氧產物，以便脫離鋼液上浮形成鋼渣，從而使鋼液得到凈化。

由于沒有找到良好的脫氧劑材料，其脫氧均采用常規的脫氧劑，如錳鐵、硅鐵、鋁分別單獨進行脫氧。這樣無法使鋼液獲得進一步凈化，因而難以達到和滿足客戶對特殊重要產品技術質量的要求。

發明內容

本發明旨在提供一種用于制造鉆頭和泵頭體材料的高強度合金鋼的冶煉方法。

技術方案為：調整合金材料加入的順序，電弧爐初煉階段加入Mo和Ni，并增加脫碳量；LF爐精煉階段使用新型的復合脫氧劑，凈化鋼水，提高力學性能；在真空脫氣精煉（VD）前加入鋁，促進鋼水合金化，使鋼水合金化過程更充分，又可減少氧化夾雜物。

一種高強度合金鋼的冶煉方法，包括如下步驟：

（1）將低硫磷潔凈廢鋼在電弧爐內熔化冶煉進行氧化脫碳脫磷，并加入Mo和Ni，并脫磷；所述的低硫磷潔凈廢鋼中，鐵含量≥98wt%，碳含量≤0.2wt%，硫和磷含量分別≤0.05wt%；