袁淑君

（山鋼股份萊蕪分公司，山東 萊蕪271104）

1 前 言

美標AISI4137H鋼是一種合金調質鋼，經調質處理后，具有較好的強韌性以及較高的疲勞極限和抗沖擊能力，是石油鉆具行業(yè)中普遍使用的鉆桿接頭材料。鉆桿接頭主要起到連接鉆桿并組成管柱的作用，在鉆進過程中，要承受多種載荷（拉伸、壓縮、扭轉、彎曲、沖擊等）的復合作用，還受到油氣中的腐蝕性氣體介質、鉆井液等的腐蝕，易發(fā)生失效并造成井下事故［1］。如此惡劣的服役條件，要求材料具有較高的綜合性能。材料高性能除從化學成分保證外，還需具備高潔凈度、高均勻性等高冶金質量水平。

本研究結合鉆桿接頭用鋼高性能要求，分析電爐+LF精煉+VD真空脫氣+連鑄+軋制工藝的關鍵控制點，開發(fā)AISI4137H鉆桿接頭用鋼。

2 主要技術要求

1）化學成分要求見表1。

表1 AISI4137H鋼化學成分要求 %

2）鋼材氮含量≤90×10-6，氧含量≤30×10-6，氫含量≤2.0×10-6。

3）低倍組織。鋼材的橫截面酸浸低倍組織試片上不得有肉眼可見的縮孔、氣泡、裂紋、夾雜、翻皮、白點及晶間裂紋。低倍組織合格級別：一般疏松、中心疏松、偏析均應≤2.0級。

4）力學性能。用預備熱處理過的毛坯（Φ25 mm）制成的標準試樣，測定其力學性能，應符合表2的規(guī)定。推薦熱處理制度：正火（920℃±30℃）/空冷+淬火（870℃±30℃）/油冷或水冷+回火（600℃±50℃）/水冷。

表2 AISI4137H鋼力學性能要求

5）淬透性。用預備熱處理過的毛坯（Φ30 mm）制成標準試樣檢驗鋼材的淬透性，推薦熱處理制度：正火（860～890℃）+端淬（870℃±10℃）。鋼的淬透性值J25≥48 HRC。

6）調質硬度。圓鋼經調質處理后，其端面中心位置硬度在293～331 HBW之間。

7）非金屬夾雜物。按照GB/T 10561標準要求檢驗鋼材非金屬夾雜物應符合表3的規(guī)定。

表3 AISI4137H鋼非金屬夾雜物要求 級

8）晶粒度。按照GB/T 6394標準要求檢驗鋼材的奧氏體晶粒度，其級別≮6級。

3 試制開發(fā)

3.1 成分設計

實際生產中，為保證材料最終使用性能，對影響材料淬透性的Mn、Cr、Mo主要合金元素均按標準要求中上限進行控制，且為保證淬透性批量穩(wěn)定性，主要成分均要求窄成分控制。P、S 以及 As、Sn、Pb、Sb、Bi五害元素等有害元素，易在晶界與表面偏聚，分布不均勻，惡化鋼材熱加工性能，增強鋼材回火脆性傾向，降低鋼材的抗低溫沖擊性能以及疲勞性能，同時會影響鋼材的耐腐蝕性能；因此應嚴格控制此類有害元素含量。氣體含量中O主要以夾雜物形式存在鋼中，直接影響鋼材的潔凈度和使用壽命；N以氮化物存在鋼中，影響鋼材的韌性，增大鋼材的熱脆性；H會使鋼材變脆，降低韌性，同時會使鋼材產生白點傾向；因此也需嚴格控制鋼材的氣體含量。同時為保證鋼材冶煉過程中的脫氧效果，對Al含量也提出控制要求。

本鋼種成分控制目標見表4、表5。

表4 AISI4137H鋼主要元素控制目標 %

表5 AISI4137H鋼氣體及五害元素控制目標

3.2 工藝控制要點

AISI4137H鋼作為鉆桿接頭用鋼，主要使用規(guī)格為Φ120～Φ160 mm，為保證鋼材心部致密度，選用Φ500 mm連鑄圓坯為坯料，軋制比≥9.5。本鋼種主要工藝流程：配料（熱裝鐵水+廢鋼）→100 t電爐冶煉→LF精煉+VD真空脫氣處理→連鑄（Φ500 mm連鑄圓坯）→熱送/入坑緩冷→軋制（Φ120～Φ160 mm圓鋼）→精整。

3.2.1 配料

由于 As、Sn、Pb、Sb、Bi五害元素主要是從原料礦石中帶來的［2］，且其氧化位低于鐵，在冶煉環(huán)節(jié)不能有效去除，會完全殘留到成品鋼材中。因此為控制成品鋼材五害元素含量，只能從入爐原料著手。通過協(xié)調鐵前工藝，優(yōu)化原料配比，降低熱裝鐵水五害元素含量，并動態(tài)監(jiān)控熱裝鐵水五害元素含量情況，選用其含量較低時進行本鋼種生產。同時加大熱裝鐵水配比量，保證在70%以上，起到稀釋廢鋼中五害元素含量的作用。

3.2.2 電爐冶煉

電爐冶煉過程中，充分利用熔化期溫度低的條件，提前造渣脫磷；溫度＞1 450℃時，保證爐門口自動流渣，及時放掉磷含量高的初渣。全程泡沫渣操作，均勻脫碳，減少吸氮，必要時可進行換渣，采用大渣量深脫碳以加強脫磷?？刂平K點［C］≥0.10%，終點［P］≤0.008%；控制出鋼溫度在 1 600～1 630℃之間，避免高溫回磷；出鋼時隨鋼流加入鋼芯鋁，做好鋼水預脫氧；出鋼進行留鋼、留渣操作，嚴禁下氧化渣。

3.2.3 LF精煉+VD真空脫氣

鋼包到位后，禁止加入大量碳化硅調渣降低爐渣堿度，控制渣堿度為2.5～3.5；保持爐渣合適流動性，白渣保持時間＞20 min；喂入鋁線，確保精煉爐一次樣Al≥0.025%，降低鋼水中溶解氧含量；按內控要求加入錳鐵、鉻鐵、鉬鐵等合金進行成分微調；出鋼前，喂入少量鈣線，進行夾雜物變性處理，降低大顆粒夾雜物。鋼水進行VD真空脫氣處理，控制好精煉渣的流動性和真空溫度，真空處理時間不低于27 min；破空后軟吹氬時間不低于20 min，提高鋼水純凈度，軟吹氬時嚴禁裸露鋼水和大氬氣量攪拌降溫。

3.2.4 連鑄

連鑄選用性能優(yōu)良的專用保護渣，穩(wěn)定中間包液面，采用整體式水口，做好保護澆注，防止鋼水二次氧化；采用低過熱度澆注，中包鋼水過熱度控制在15～25℃；采用結晶器+末端電磁攪拌技術；二冷配水采用弱冷工藝，保證鑄坯冷卻均勻；拉速控制在0.33～0.35 m/min。鑄坯熱裝時，保證熱裝溫度≥550℃；冷裝時，鑄坯必須及時入坑緩冷，緩冷時間應＞30 h，吊出溫度不高于200℃。

3.2.5 軋制

采用3段式數(shù)字化加熱爐進行加熱，精確控制加熱段溫度為 1 100～1 280℃，均熱段溫度為1 210～1 250℃，冷裝鑄坯總加熱時間為5.5～6.5 h，熱裝鑄坯總加熱時間為4.0～5.0 h。加強對軋制節(jié)奏的控制，開軋溫度為1 100～1 180℃，終軋溫度為850～920℃。軋制過程中要密切注意各道次的料型情況，防止出現(xiàn)劃傷、折疊、耳子等缺陷，有效控制鋼材的表面質量。鋼材及時收集入坑緩冷，入坑溫度不低于600℃，緩冷時間應＞48 h。

鋼材出坑后進行精整修磨處理。根據(jù)鋼材彎曲情況，進行矯直處理；根據(jù)表面情況，進行表面局部修磨處理，必要時進行通條扒皮處理；端部倒角，消除飛邊、毛刺及影響使用的切斜和壓扁等現(xiàn)象。

4 產品實物質量分析

經過批量生產，鋼材性能及質量滿足技術規(guī)定及用戶使用要求。鋼材化學成分控制穩(wěn)定，波動較??；低倍組織良好，潔凈度高，力學性能及淬透性較好。對近期生產的50爐產品實物質量性能檢測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

4.1 化學成分及有害元素

本鋼種化學成分以及有害元素產品實物取樣分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計情況見表6、表7。從統(tǒng)計結果可看出，實物化學成分基本控制在內控要求內且波動值較小，C含量控制在±0.01%以內，主要合金元素含量控制在±0.02%以內，成分整體控制水平較高，較好地保證了鋼材力學性能及淬透性的批量穩(wěn)定性。實物中P含量平均為0.009%，S含量平均為0.003%，反映出在冶煉過程中脫磷、脫硫操作控制水平較高；O含量平均為 12×10-6，N含量平均為 58×10-6，H含量平均為1.0×10-6；五害元素也控制在較低水平。從而很好地保證了鋼材的潔凈度，有利于提高鋼材的抗低溫沖擊性能與耐腐蝕性能。

表6 AISI4137H鋼化學成分控制情況 %

表7 AISI4137H鋼氣體含量及五害元素控制情況

4.2 低倍組織

鋼材的酸浸低倍試樣中，未發(fā)現(xiàn)肉眼可見的縮孔、皮下氣泡、裂紋、有害夾雜物、翻皮、白點等缺陷。實物酸浸低倍組織檢驗級別：一般疏松0～0.5級，中心疏松0.5～1.0級，偏析0～0.5級。因此，鋼材心部致密度較好。

4.3 力學性能

按技術標準要求檢驗鋼材的力學性能，實測結果見表8。從實物檢驗結果可看出，本鋼種最小強度值高出標準要求30 MPa以上，平均強度值高出標準要求近80 MPa，強度有一定的富余量，塑性指標也滿足技術標準要求，表明本鋼種強韌性匹配較好。-20℃低溫沖擊功為84～108 J，平均值為96 J， 很好地滿足了鋼種在低溫使用工況下的沖擊性能要求。

表8 AISI4137H鋼實測力學性能

4.4 淬透性及調質硬度

鋼種淬透性J25值檢驗結果見圖1。從圖1中可看出本鋼種J25主要控制在48～52.5 HRC之間，滿足技術標準的要求，平均值為50 HRC，帶寬為4.5 HRC，淬透性值波動較小，控制穩(wěn)定。這主要得利于窄成分控制以及冶煉、連鑄工藝的精確控制。鋼材調質處理后端面心部硬度為293～321 HBW，滿足技術標準要求。

圖1 AISI4137H鋼淬透性結果

4.5 非金屬夾雜物及晶粒度

按照GB/T 10561標準要求檢驗鋼材非金屬夾雜物，實物檢驗結果見表9。重點對A、B類非金屬夾雜物控制級別情況進行統(tǒng)計分析見圖2。鋼材晶粒度7～8級。從結果可看出，本鋼種氧化物、硫化物等非金屬夾雜物控制較好，潔凈度極高，晶粒度細小，為材料的疲勞性能、耐腐蝕性能提供了保障。

表9 AISI4137H鋼非金屬夾雜物 級

圖2 AISI4137H鋼A、B類夾雜物級別統(tǒng)計

5 結論

萊鋼采用配料→100 t電爐冶煉→LF精煉+VD真空脫氣處理→連鑄→熱送/入坑緩冷→軋制→精整工藝生產AISI4137H鉆桿接頭用鋼工藝路線正確可行。通過優(yōu)化設計化學成分，合理制定煉鋼、連鑄、軋制各項工藝參數(shù)，生產的鋼材組織致密、晶粒細小、潔凈度高、淬透性好、力學性能穩(wěn)定，較好地滿足了作為鉆桿接頭用鋼的技術要求。

參考文獻：

［1］ 趙金鳳，余世杰，袁鵬斌，等.加重鉆桿接頭刺漏原因分析［J］.石油礦場機械，2014，43（8）：47-51.

［2］ 楊志寧.天鐵26CrMo4圓管坯生產實踐［J］.天津冶金，2015（6）：9-11.