高强度合金钢的冶炼方法与流程

本发明涉及冶金领域,具体为一种用于钻头和泵头体材料的高强度合金钢冶炼工艺。

背景技术：

石油勘探钻头有牙轮钻头、刮刀钻头、金刚石钻头等多种,其中占各国石油钻井使用量90%以上的是牙轮钻头,所使用的钢材一般属低碳高强度合金渗碳钢,如Ni-Cr-Mo系和Ni-Mo系。

石油钻探过程中,受地质条件影响较大,尤其是复杂的地貌,对钻杆材料要求也高。一般采用美标的4330V材料制成,相当于国内牌号30CrNiMoV材料,这种材料也用于多缸柱塞泵的泵头。因此,这种材料必须具备优良的综合力学性能,不仅要通过严格的化学成分和特定金相组织来保证,而且要严格控制钢材的内部微观缺陷。

在强度等级提高后,成分控制范围一般要比普通合金结构钢窄,要求钢水纯度高。对于微量杂质元素,不仅要严格控制含量,而且对其存在部位和形态也有特定要求。如：硫的含量要求控制在0.015%以下,而以前要求是0.04%；因硫化物夹杂导致应力集中,形成裂纹源,所以硫化物的形状还必须为分散的球形。除硫、磷之外,气体对钢的耐疲劳强度和冲击韧性等均有影响。因此,这类高强度钢的冶炼一般要经过电弧炉、钢包精炼炉（LF炉）、真空脱气（VD）和电渣重熔等工艺。这样冶炼的成本较高。

在钢铁合东锜炼过程中,在炼钢阶段将原料熔化为钢水,然后；在氧化期的处理过程中,需加入氧化剂（如通入氧气、加入铁矿石或氧化铁皮）以氧化去除其中的碳、磷等杂质元素及杂质气体。通常情况下,需要加入过量的氧化剂,因此会形成氧化夹杂物（以FeO为主）。氧化夹杂物对钢质有害,造成所得到的钢铁容易发生热脆。通常需要再加入脱氧剂进行脱氧处理,即钢铁冶炼中的还原期。

脱氧剂的种类有很多,常用的有硅铁、锰钢、锰硅合金、铝等,以及用作脱氧剂和合金化材料的含铬、硼、磷、镍、钛等合金元素。

在钢包精炼炉（LF炉）中进行的脱氧处理工艺主要有沉淀脱氧和扩散脱氧等。

沉淀脱氧：向钢水中直接加入脱氧剂或合金脱氧材料,使之形成氧化物；该氧化物上浮进入钢渣。这种方法脱氧速度快,但是产生的夹杂物较多,夹杂物混合在钢水中不易去除。一般在沉淀脱氧前会在钢水中加入少量萤石、氧化钙等造渣材料制造漂浮在钢水表面的稀薄渣,用于吸附钢水中的夹杂物。

扩散脱氧：在钢渣中氧化铁的含量较高,可向钢渣中加入碳粉、硅粉、铝粉等还原剂,用于还原钢渣,使钢渣中的FeO含量降低,有利于钢水中的氧扩散到钢渣中。

沉淀脱氧过程中,常用的脱氧剂材料有锰铁、硅铁和铝,这三种材料的价格较低。一般情况下,脱氧剂折合为硅、锰和铝元素,与钢水的用量比为0.17%～0.37%、0.3%～0.6%和0.05%～0.10%。现有的工艺中,脱氧剂锰铁、硅铁和铝分别加入钢水中进行反应；根据对氧亲和力的强弱,加入顺序为锰铁、硅铁和铝,由于锰与氧的亲和力弱,需要反应较长的时间,因此最先加入；铝较为活泼,反应时间较短。由于钢水的温度一般在1600℃左右,在冶炼过程中分别单独加入上述脱氧剂,就不能形成低熔点的液态大颗粒（Al2O3、SiO2和MnO的熔点分别为2050℃、1713℃和1785℃,高于钢水温度）,这些脱氧产物在钢水中以固体状存在,混合在钢水中,难以上浮以脱离钢水进入钢渣。

因此,需要对现有工艺加以改进,使脱氧剂能够形成比重轻、熔点低、颗粒大的脱氧产物,以便脱离钢液上浮形成钢渣,从而使钢液得到净化。

由于没有找到良好的脱氧剂材料,其脱氧均采用常规的脱氧剂,如锰铁、硅铁、铝分别单独进行脱氧。这样无法使钢液获得进一步净化,因而难以达到和满足客户对特殊重要产品技术质量的要求。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种用于制造钻头和泵头体材料的高强度合金钢的冶炼方法。

技术方案为：调整合金材料加入的顺序,电弧炉初炼阶段加入Mo和Ni,并增加脱碳量；LF炉精炼阶段使用新型的复合脱氧剂,净化钢水,提高力学性能；在真空脱气精炼（VD）前加入铝,促进钢水合金化,使钢水合金化过程更充分,又可减少氧化夹杂物。

一种高强度合金钢的冶炼方法,包括如下步骤：

（1）将低硫磷洁净废钢在电弧炉内熔化冶炼进行氧化脱碳脱磷,并加入Mo和Ni,并脱磷；所述的低硫磷洁净废钢中,铁含量≥98wt%,碳含量≤0.2wt%,硫和磷含量分别≤0.05wt%；

脱碳脱磷的方法为：在电弧炉底加入小碎矿或氧化铁皮,并加入石灰,再加入低硫磷洁净废钢,增碳至0.7%～1.0%,熔化；所述的电弧炉底加入的小碎矿或氧化铁皮与低硫磷洁净废钢的用量比为10～25kg/吨,电弧炉底加入的石灰与低硫磷洁净废钢的用量比为20～30kg/吨；所述的小碎矿为含50wt%～70wt%三氧化二铁的铁矿石；

然后吹氧,并向钢水中加入小碎矿或氧化铁皮,同时加入石灰,在1530～1600℃下冶炼1～1.5小时；所述的小碎矿或氧化铁皮与低硫磷洁净废钢的用量比为10～20kg/吨,石灰与低硫磷洁净废钢的用量比为15～25kg/吨；所述的氧化脱碳脱磷步骤中,脱碳量≥0.4%

（2）步骤（1）脱磷和脱碳后的钢水温度升至1700～1750℃倒入钢包精炼炉内,造渣形成稀薄渣后,加入复合脱氧剂进行预脱氧,复合脱氧剂与钢水用量比为4～5公斤/吨；

用石灰（氧化钙）和萤石造渣,与钢水的用量比为10～15公斤/吨和5～8公斤/吨；

所述的复合脱氧剂为含有锰、铝、硅的合金,其中锰的含量为16～20%,硅的含量为8～10%,铝的含量为8～10%,均为重量百分比；

（3）向钢水中加入Cr和Mn,并在钢渣表面加入脱氧剂,在1550～1650℃下精炼1～1.5小时,同时利用LF炉底吹惰性气体搅拌；

所述的脱氧剂为碳粉和AD粉,或者电石与AD粉,或者碳粉、电石和AD粉,AD粉与钢水的用量比为3～5公斤/吨,碳粉或电石粉,或者碳粉与电石总量与钢水的用量比为1.5～3公斤/吨；

（4）向钢水中补加Si,继续冶炼5～10分钟；

（5）真空脱气处理,出炉浇注；

真空脱气的方法为：迅速将钢水温度升至1680℃以上,然后将钢包移至脱气工位,在真空度为4～67pa的状态下处理20～30分钟；所述的浇注工艺条件为：1540～1560℃下将钢包吊离脱气工位,在浇注前用惰性气体如氩气等置换模内的空气,并在浇注过程中用惰性气体保护；

其中,按重量计,钢水中补加Mo、Ni、Mn、Cr、Si后,各合金元素的重量百分比含量分别为Mo0.42%～0.60%、Ni2.40%～2.80%、Mn0.42%～0.80%、Cr0.9%～1.10%以及Si0.15%～0.35%。

步骤（2）中,优选的,复合脱氧剂中,锰、硅和铝的重量比为1.9～2.05：0.95～1.05：1；其中硫和磷的重量百分比量均不超过0.05%,碳含量≤0.2%；更优选的,锰的含量为18%,硅的含量为9%,铝的含量为9%。

这种复合脱氧剂的制备方法包括如下步骤：

（A）按锰、硅和铝的配比混合锰铁、硅铁、铝和低碳钢；

所述的锰铁中锰的含量为70%～80%,硅铁中硅的含量为45%～75%,均为重量百分比,所述低碳钢的铁含量≥95%,碳含量≤0.2%,硫和磷的含量≤0.05%；

（B）将步骤（A）混合后的原料熔化在1350～1400℃下混合冶炼,再浇注成型。

这种复合脱氧剂用于钢水脱氧和净化,脱氧效果好,而且夹杂物残留少,钢水更为纯净。进行脱氧后所形成的脱氧产物熔点远低于1270℃,生成的脱氧产物夹杂物颗粒的粒径大、比重轻,易于上浮于钢渣中。

根据斯托克原理,脱氧产物的上浮速度v计算公式为：

V=2/9×g×（P0-P1）/η×r2

其中,P0和P1分别为钢水和脱氧产物的比重（kg/m3）,η为钢水粘度,g为重力加速度9.8m/s2,r为脱氧产物颗粒的半径。

由此可见,r对于v的影响最大；在P0、P1、η、g均确定为常数的情况下,上浮速度v取决于脱氧物的粒径。

这种复合脱氧剂,加入钢水进行脱氧后所形成的脱氧产物熔点远低于1270℃,在钢水中存在的形式为易团聚的液体颗粒,容易上升到钢水表层,而不是悬浮于钢水中的细碎粉末状固体颗粒；脱氧产物夹杂物颗粒的粒径大、比重轻,上浮速度明显加快,易于上浮进入钢渣中,使得钢水得到净化。这种复合脱氧剂不仅脱氧效果好,而且脱氧后形成的夹杂物在钢水中残留显著降低,产品纯净度高,从而满足客户对高质量高标准钢材的要求。通过该复合脱氧剂出来的钢锭,其质量甚至可以与经过电渣的钢锭媲美。

本发明所获得的钢锭中,各组分含量（重量百分比）为：

Mn0.42%～0.80%,Si0.15%～0.35%,Cr0.90%～1.10%,Mo0.42%～0.60%,

Ni2.40%～2.80%；C0.28%～0.33%,P≤0.005%,S≤0.005%,Cu≤0.15%。其中非金属夹杂物含量均合格,A硫化物、B氧化物、C硅酸盐夹杂物、D球状夹杂物和DS球状大颗粒夹杂均达到1.5级以下。超声波探伤检查达到1级探伤标准（JB/T500.15-8）,即φ≤1.6mm。夹杂物如硫化物（低于0.5级）和氧化物（低于0.5级）都远小于1.5级,所得到的钢材有较高的纯净度。

力学性能：屈服强度σs≥1050MPa,抗拉强度σb≥900MPa,延伸率δ5≥15%,断面收缩率ψ≥45%,硬度280～328HB。

本发明工艺通过调整配方,增加了材料的韧性；优化冶炼工艺,采用钢水炉外精炼及吹惰性气体,促使杂质上浮；并使用复合脱氧剂,对脱氧工艺进行优化设计,调整传统脱氧工序,使钢液合金化过程更充分。本发明保证了钢锭具有清洁度高、表面质量及可淬透性好、晶粒度细等优点；钢锭强度高,耐高压、耐腐蚀,机械性能良好。本工艺中,无需电渣重熔工序即可获得良好脱氧效果,同时减少非金属夹杂物含量,提高产品探伤检测水平,在保证使用性能的前提下减少能耗,降低了成本。

具体实施方式

实施例1

1）以30吨的冶炼量,先在电弧炉炉底中加入0.55～0.6吨小碎矿（主要成分Fe2O3,含量60wt%～70wt%）和0.65～0.7吨石灰（氧化钙）用于提早造渣,然后投入28.5～28.7吨低硫磷洁净钢（其中铁含量≥98wt%,碳含量≤0.2wt%,硫和磷含量分别≤0.05wt%）,通电熔化,加增碳剂配碳,使碳含量达到0.78%；在熔化期加入132公斤Mo和750公斤Ni；

向熔化的钢水中吹入氧气,并向钢水中分2～4次加入0.3～0.4吨小碎矿或氧化铁皮,以及0.45～0.5吨石灰,造渣的同时进行流渣（换渣）,在1560±20℃下氧化冶炼1～1.5小时脱碳脱磷；氧化期结束时脱碳量≥0.4%；

（2）将步骤（1）脱磷脱碳后的钢水倒入LF炉内,按10～15kg/吨（钢水）和5～6kg/吨（钢水）的比例,加入氧化钙和萤石；当稀薄渣形成后,取复合脱氧剂（硅、锰、铝的含量分别为9wt%、18wt%和9wt%）,破碎成平均粒径50mm左右的小块,按4kg/吨的比例,加入到钢水中进行预脱氧；

（3）向钢水中补充Mn和Cr使其含量为0.49%和0.97%,并在钢渣表面分3次,按3～5kg/吨（钢水）和1.5～3kg/吨的用量,加入AD粉（含有12wt%～15wt%铝,其余为Al2O3）和碳粉,在1620±10℃下精炼1～2小时,同时利用LF炉底吹氩气搅拌,以更好地促使夹杂物聚合,使氧化夹杂物更容易上浮于渣中,从而使钢水得到进一步净化提纯；

（4）向钢水中补充Si调整硅含量至0.22%,冶炼5～10分钟；

(5）再迅速将钢水温度升至1680～1700℃,然后将钢包移至脱气工位,进行真空脱气（除气）处理,在真空度为4～67pa的状态下处理20～30分钟,从而使钢水中氢气、氮气等杂质气体脱除,直至氢含量≤1.5ppm；

（6）1540～1560℃下将钢包吊离脱气工位（VD工位）浇注,在浇注前用惰性气体如氩气置换模内的空气,浇注过程中用氩气保护浇注,防止浇注过程二次污染和氧化。

所得到的20炉成品进行无损探伤检测,按JB/T4730.3-2005的II级标准考核,全部合格。

所得产品化学成分及含量（重量百分比）：C0.32%,Mn0.49%,Si0.22%,Cr0.97%,Mo0.44%,Ni2.50%；P0.007%,S0.003%,Cu0.13%。所得钢锭锻造后进行高倍金相组织探伤数据分析,其中非金属夹杂物含量均合格,A硫化物、B氧化物、C硅酸盐夹杂物、D球状夹杂物和DS球状大颗粒夹杂均达到1.5级以下。超声波探伤检查达到1级探伤标准（JB/T500.15-8）, 。夹杂物如硫化物（低于0.5级）和氧化物（低于0.5级）都远小于1.5级,所得到的钢材有较高的纯净度。

力学性能：产品的屈服强度σs为1100MPa,抗拉强度σb为1090MPa,延伸率δ5为18.0%,断面收缩率ψ=61%,硬度318HB。

步骤（2）中的复合脱氧剂通过以下方法制备：

备料：低碳锰钢54kg（其中锰的含量为80wt%,折合为43.2kg锰,碳含量≤0.7wt%）、硅铁30kg（其中硅的含量为72%,折合为21.6kg硅）、铝块22kg（纯度≥98%,折合为21.6kg铝）、洁净的低S.P废钢134kg（铁含量≥95wt%,碳含量≤0.2wt%,硫和磷含量分别≤0.05wt%）,冶炼钢水总量为240kg。

将上述原料置于250kg中频炉中,熔化为钢水后,在1380±10℃下继续冶炼0.5～1小时,用铁棒撇去钢水表面浮渣,当温度在1380±10℃时出炉,倒入钢包中,然后在1330±10℃温度下浇铸成无冒口的小圆锭40kg×6个,即为复合脱氧剂。

所得到的复合脱氧剂中,按质量比,锰含量为18%,硅和铝的含量为9%,并且碳含量≤0.5wt%,硫和磷含量分别≤0.05wt%。

将这种复合脱氧剂粉碎为粒径1mm的颗粒后在氧气中加热氧化,产物的熔点温度低于1200℃。