[发明专利]高强度合金钢的冶炼方法

说明书

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。通过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炉精炼阶段的复合脱氧剂，净化钢锭，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。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。

技术领域

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。

在钢铁合金冶炼过程中，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。