KD級抽油桿用鋼3130的開發生產

肖振會，穆敬飛

（山東壽光巨能特鋼有限公司，山東壽光 262711）

生產技術

KD級抽油桿用鋼3130的開發生產

肖振會，穆敬飛

（山東壽光巨能特鋼有限公司，山東壽光 262711）

KD級抽油桿用鋼3130是兼顧強度和耐腐蝕性能的新型抽油桿用鋼，根據產品的服役條件和技術協議要求，設計了鋼種的化學成分和生產工藝，通過控制S、P、H等雜質元素含量，控制軋制，試驗確定合理的熱處理工藝，巨能特鋼成功開發了KD級抽油桿用3130鋼。產品組織均勻，晶粒度5級以上，各類夾雜物≤1.5級，屈服強度≥795 MPa，抗拉強度≥865 MPa，伸長率≥15%，沖擊功≥60 J，各項性能指標滿足用戶要求。

KD級抽油桿用鋼；3130鋼；產品開發；力學性能

1 前言

抽油桿是連接抽油機和抽油泵（或螺桿泵驅動頭與螺桿泵）的傳動裝置，通過抽油桿把地面動力傳遞給井下泵。抽油桿可分為實心抽油桿、空心抽油桿、特種抽油桿三大類，目前國內主要產品有16種。山東壽光巨能特鋼有限公司根據市場需求，組織了KD級抽油桿用鋼3130的研制和開發，經過對鋼種、工藝的設計及成品的開發和生產，產品性能完全滿足客戶要求。

2 鋼種及生產工藝設計

根據用戶要求和技術協議規定，KD級抽油桿用鋼3130要求：［P］≤0.025%，［S］≤0.025%，［Ni］0.70%～1.00%；根據熱處理試驗確定合適的熱處理制度，使材料的力學性能達到用戶要求。

2.1 化學成分設計

KD級抽油桿用鋼3130是兼顧強度和耐腐蝕性能的新型抽油桿用鋼，材料的強度應達到高強度抽油桿（D級）用鋼的要求，耐腐蝕性能達到KD級抽油桿用鋼標準。

根據該產品服役條件，該鋼種既要具有足夠高的強度，也要有較好的沖擊韌性和良好的抗腐蝕能力，綜合考慮設計了鋼的化學成分。鋼中Ni含量相對較高，而Ni在鋼中能強化鐵素體并細化珠光體，總的效果是提高強度且對塑性影響顯著。Ni加入鋼中不僅能耐酸，而且也能抗堿，對大氣和鹽也有抗蝕能力。

2.2 生產工藝流程

3130鋼生產設計采用如下工藝流程：50%高爐鐵水熱裝→70 t超高功率電爐熔煉（偏心爐底出鋼）→70 t LF爐外精煉→真空脫氣→R8 m四機四流連鑄機連鑄→冷送→蓄熱連續式加熱爐加熱→高壓水除鱗→Φ550×1機列粗軋→Φ430×4機列中軋+Φ320×6機列精軋產材→飛剪分段→冷卻→剪切定尺→在線檢查（物理檢驗）→收集→包裝→計量、標識、入庫。

2.3 生產過程控制

該鋼種作為KD級抽油桿用鋼，要求材料具有很高的強度。因此要保證鋼的純凈度，嚴格控制鋼中各類夾雜物；在軋制過程中要控制軋制溫度，使材料具有細的晶粒組織且組織均勻；嚴格控制鋼中氫含量，在含鎳鋼中，氫易與基體元素形成氫化物，使材料的塑性和韌性降低，產生脆化。在鋼中含過量的氫，隨溫度的降低，氫的溶解度減小，當過飽和的氫未能逸出而在某些缺陷處聚集成氫分子時，此處的應力會把材料撕裂而形成白點，白點嚴重影響材料各方面的性能［1］。生產過程中應對鋼水進行真空脫氣處理，并保證足夠長的真空時間，降低鋼液中的氣體含量；在軋制完成后要及時對鋼材進行緩冷，保證氫的逸出。

2.3.1控制鋼中有害元素含量

嚴格控制鋼中S、P等有害元素的含量，鋼在高溫回火（450～650℃）過程中，鋼中S、P等偏聚于晶界，形成網狀或片狀化合物，降低晶界強度。因此為了盡量降低鋼的回火脆性，控制鋼中P、S含量均在0.025%以下。

1）電爐：C 0.08%～0.15%，P≤0.012%（電爐前期大量放渣處理P）；出鋼溫度1 640～1 660℃。

2）精煉爐澆次第1爐出鋼溫度控制在1 670～1 680℃，連澆爐次控制在1 640～1 670℃；VD爐真空度≤100 Pa，真空保持時間＞20 min；為控制夾雜物形態，LF出鋼Al按0.025%～035%控制，CaSi線按2 m/t喂入。

3）連鑄加強氬氣保護；出現浸入式水口裂或涮斷時，或停流、或對應切甩坯足夠長。

2.3.2控制軋制

嚴格控制軋制溫度，細化晶粒組織。3130鋼軋制主要采用Ⅰ型控制軋制中的γ未再結晶區（950℃～Ar3）軋制。當軋制溫度降低到950℃以下時，γ的再結晶被抑制。此時，隨著壓下量的增加，γ晶粒伸長，并在晶粒內產生大量的形變帶。γ/α相變時，在γ晶界和形變帶上都產生α晶核，使α的形核點增多，起到細化晶粒的作用［2］。為保證細化晶粒效果，材料的終軋溫度控制在950℃以下。

對于抽油桿用鋼，要求尺寸精度高、表面光潔、耐腐蝕，所以要求鋼坯出爐溫度在1 100～1 180℃。加熱Ⅰ段爐溫控制在900℃以上，加熱Ⅱ段爐溫控制在1 150～1 210℃，1 000℃以上加熱時間≥1.0 h，嚴格控制出鋼節奏和加熱時間。軋制過程中嚴格按照合同規定的尺寸偏差控制，確保不圓度。

2.3.3確定合適的熱處理工藝

產品按工藝要求進行冶煉，連鑄成150 mm× 150 mm的方坯，并軋制成Φ22、Φ25、Φ28.6 mm等規格的軋材，取樣進行熱處理試驗，確定了合適的熱處理工藝。

1）淬火溫度的確定。根據鋼種的化學成分，推測其相變溫度并制定相應的淬火溫度。確定淬火溫度分別為860、880、900、920℃，回火溫度500℃，保溫時間60 min進行熱處理試驗，熱處理后試樣的力學性能檢測結果見表1。在其他條件不變的情況下，隨著淬火溫度的提高，調質處理后材料的抗拉強度、屈服強度、伸長率、沖擊功都逐漸升高，在900℃時最高，再提高淬火溫度則材料的性能指標都降低［3］。

表1 淬火溫度對力學性能的影響

2）回火溫度的確定。在保持淬火溫度900℃和保溫時間60 min不變的條件下，調整回火溫度為480、500、520℃進行試驗，試樣的力學性能檢測結果見表2。由表2可知，隨回火溫度的升高，材料的抗拉強度和屈服強度降低，伸長率和沖擊功升高。

表2 回火溫度對力學性能的影響

綜合考慮并根據客戶要求，選定的熱處理制度為：淬火溫度880℃，回火溫度500℃。

3 產品實物質量檢測

3.1 化學成分

實際生產中材料的化學成分控制情況見表3，成分控制情況完全符合設計要求。

表3 3130鋼化學成分設計及實際控制情況（質量分數）%

3.2 晶粒度和夾雜物

開發的3130鋼實際晶粒度達到了5級以上，奧氏體晶粒度則在6級以上。夾雜物平均級別見表4。

表4 巨能特鋼開發的3130鋼夾雜物評級

3.3 力學性能

通過批量生產檢驗，巨能特鋼開發的KD級抽油桿用3130鋼，屈服強度≥850 MPa，抗拉強度≥980 MPa，伸長率≥18%，沖擊功≥100 J，材料的各項性能指標都滿足客戶要求。

4 結語

通過合理的化學成分和生產工藝設計，山東壽光巨能特鋼有限公司開發的KD級抽油桿用3130鋼產品的化學成分、力學性能都能夠滿足客戶要求，產品力學性能穩定、組織均勻、晶粒細小、夾雜物含量低，客戶滿意度高。

該產品為山東省經濟和信息化委員會2012年度第3批技術創新項目（項目編號201230607005），并順利通過了項目驗收和鑒定。該項目被評為山東省技術創新優秀新產品二等獎（證書編號37T12013T081）。應客戶要求，目前該產品年生產量1 000 t左右。

［1］孫珍寶，朱譜藩，林慧國，等.合金鋼手冊（上冊）［M］.北京：冶金工業出版社，1984：69.

［2］中國冶金百科全書總編輯委員會《金屬材料》卷編輯委員會.中國冶金百科全書（金屬材料）［M］.北京：冶金工業出版社，2001.

［3］宋維錫.金屬學與熱處理［M］.北京：冶金工業出版社，1987.

Development and Production of KD Grade3130Steel for Sucker Rod

XIAO Zhenhui,MU Jingfei
（Shandong Shouguang Juneng Special Steel Co.,Ltd.,Shouguang 262711,China）

KD grade 3130 steel for sucker rod is new type steel for sucker rod took into account both the strength and corrosion resistance.According to the service conditions of product and the requirements of technology agreement,the chemical compositions of the steel and the production processes were designed.Through controlling the content of impurity elements such as S,P and H, control rolling and reasonable heat treatment process determined by experiments,Juneng Special Steel successfully developed KD grade 3130 steel for sucker rod.The product’s microstructure is uniform,the grain size is greater than 5 grade,all kinds of the non-metallic inclusions are less than 1.5 grade,the yield strength is greater than 795 MPa,the tensile strength is greater than 865 MPa,the tensile elongation is greater than 15%,the impacting energy is greater than 60 J.All kinds of the mechanical properties are in line with the user’s requirements.

KD grade steel for sucker rod;3130 steel;product development;mechanical property

TE933+.2

：B

：1004-4620（2014）01-0007-02

2013-11-01

肖振會，男，1982年生，2007年畢業于煙臺大學金屬材料工程專業。現為山東壽光巨能特鋼有限公司市場開發部助理工程師，從事新產品開發工作。