KD级抽油杆用钢3130的开发生产

肖振会，穆敬飞

（山东寿光巨能特钢有限公司，山东寿光 262711）

生产技术

KD级抽油杆用钢3130的开发生产

肖振会，穆敬飞

（山东寿光巨能特钢有限公司，山东寿光 262711）

KD级抽油杆用钢3130是兼顾强度和耐腐蚀性能的新型抽油杆用钢，根据产品的服役条件和技术协议要求，设计了钢种的化学成分和生产工艺，通过控制S、P、H等杂质元素含量，控制轧制，试验确定合理的热处理工艺，巨能特钢成功开发了KD级抽油杆用3130钢。产品组织均匀，晶粒度5级以上，各类夹杂物≤1.5级，屈服强度≥795 MPa，抗拉强度≥865 MPa，伸长率≥15%，冲击功≥60 J，各项性能指标满足用户要求。

KD级抽油杆用钢；3130钢；产品开发；力学性能

1 前言

抽油杆是连接抽油机和抽油泵（或螺杆泵驱动头与螺杆泵）的传动装置，通过抽油杆把地面动力传递给井下泵。抽油杆可分为实心抽油杆、空心抽油杆、特种抽油杆三大类，目前国内主要产品有16种。山东寿光巨能特钢有限公司根据市场需求，组织了KD级抽油杆用钢3130的研制和开发，经过对钢种、工艺的设计及成品的开发和生产，产品性能完全满足客户要求。

2 钢种及生产工艺设计

根据用户要求和技术协议规定，KD级抽油杆用钢3130要求：［P］≤0.025%，［S］≤0.025%，［Ni］0.70%～1.00%；根据热处理试验确定合适的热处理制度，使材料的力学性能达到用户要求。

2.1 化学成分设计

KD级抽油杆用钢3130是兼顾强度和耐腐蚀性能的新型抽油杆用钢，材料的强度应达到高强度抽油杆（D级）用钢的要求，耐腐蚀性能达到KD级抽油杆用钢标准。

根据该产品服役条件，该钢种既要具有足够高的强度，也要有较好的冲击韧性和良好的抗腐蚀能力，综合考虑设计了钢的化学成分。钢中Ni含量相对较高，而Ni在钢中能强化铁素体并细化珠光体，总的效果是提高强度且对塑性影响显著。Ni加入钢中不仅能耐酸，而且也能抗碱，对大气和盐也有抗蚀能力。

2.2 生产工艺流程

3130钢生产设计采用如下工艺流程：50%高炉铁水热装→70 t超高功率电炉熔炼（偏心炉底出钢）→70 t LF炉外精炼→真空脱气→R8 m四机四流连铸机连铸→冷送→蓄热连续式加热炉加热→高压水除鳞→Φ550×1机列粗轧→Φ430×4机列中轧+Φ320×6机列精轧产材→飞剪分段→冷却→剪切定尺→在线检查（物理检验）→收集→包装→计量、标识、入库。

2.3 生产过程控制

该钢种作为KD级抽油杆用钢，要求材料具有很高的强度。因此要保证钢的纯净度，严格控制钢中各类夹杂物；在轧制过程中要控制轧制温度，使材料具有细的晶粒组织且组织均匀；严格控制钢中氢含量，在含镍钢中，氢易与基体元素形成氢化物，使材料的塑性和韧性降低，产生脆化。在钢中含过量的氢，随温度的降低，氢的溶解度减小，当过饱和的氢未能逸出而在某些缺陷处聚集成氢分子时，此处的应力会把材料撕裂而形成白点，白点严重影响材料各方面的性能［1］。生产过程中应对钢水进行真空脱气处理，并保证足够长的真空时间，降低钢液中的气体含量；在轧制完成后要及时对钢材进行缓冷，保证氢的逸出。

2.3.1控制钢中有害元素含量

严格控制钢中S、P等有害元素的含量，钢在高温回火（450～650℃）过程中，钢中S、P等偏聚于晶界，形成网状或片状化合物，降低晶界强度。因此为了尽量降低钢的回火脆性，控制钢中P、S含量均在0.025%以下。

1）电炉：C 0.08%～0.15%，P≤0.012%（电炉前期大量放渣处理P）；出钢温度1 640～1 660℃。

2）精炼炉浇次第1炉出钢温度控制在1 670～1 680℃，连浇炉次控制在1 640～1 670℃；VD炉真空度≤100 Pa，真空保持时间＞20 min；为控制夹杂物形态，LF出钢Al按0.025%～035%控制，CaSi线按2 m/t喂入。

3）连铸加强氩气保护；出现浸入式水口裂或涮断时，或停流、或对应切甩坯足够长。

2.3.2控制轧制

严格控制轧制温度，细化晶粒组织。3130钢轧制主要采用Ⅰ型控制轧制中的γ未再结晶区（950℃～Ar3）轧制。当轧制温度降低到950℃以下时，γ的再结晶被抑制。此时，随着压下量的增加，γ晶粒伸长，并在晶粒内产生大量的形变带。γ/α相变时，在γ晶界和形变带上都产生α晶核，使α的形核点增多，起到细化晶粒的作用［2］。为保证细化晶粒效果，材料的终轧温度控制在950℃以下。

对于抽油杆用钢，要求尺寸精度高、表面光洁、耐腐蚀，所以要求钢坯出炉温度在1 100～1 180℃。加热Ⅰ段炉温控制在900℃以上，加热Ⅱ段炉温控制在1 150～1 210℃，1 000℃以上加热时间≥1.0 h，严格控制出钢节奏和加热时间。轧制过程中严格按照合同规定的尺寸偏差控制，确保不圆度。

2.3.3确定合适的热处理工艺

产品按工艺要求进行冶炼，连铸成150 mm× 150 mm的方坯，并轧制成Φ22、Φ25、Φ28.6 mm等规格的轧材，取样进行热处理试验，确定了合适的热处理工艺。

1）淬火温度的确定。根据钢种的化学成分，推测其相变温度并制定相应的淬火温度。确定淬火温度分别为860、880、900、920℃，回火温度500℃，保温时间60 min进行热处理试验，热处理后试样的力学性能检测结果见表1。在其他条件不变的情况下，随着淬火温度的提高，调质处理后材料的抗拉强度、屈服强度、伸长率、冲击功都逐渐升高，在900℃时最高，再提高淬火温度则材料的性能指标都降低［3］。

表1 淬火温度对力学性能的影响

2）回火温度的确定。在保持淬火温度900℃和保温时间60 min不变的条件下，调整回火温度为480、500、520℃进行试验，试样的力学性能检测结果见表2。由表2可知，随回火温度的升高，材料的抗拉强度和屈服强度降低，伸长率和冲击功升高。

表2 回火温度对力学性能的影响

综合考虑并根据客户要求，选定的热处理制度为：淬火温度880℃，回火温度500℃。

3 产品实物质量检测

3.1 化学成分

实际生产中材料的化学成分控制情况见表3，成分控制情况完全符合设计要求。

表3 3130钢化学成分设计及实际控制情况（质量分数）%

3.2 晶粒度和夹杂物

开发的3130钢实际晶粒度达到了5级以上，奥氏体晶粒度则在6级以上。夹杂物平均级别见表4。

表4 巨能特钢开发的3130钢夹杂物评级

3.3 力学性能

通过批量生产检验，巨能特钢开发的KD级抽油杆用3130钢，屈服强度≥850 MPa，抗拉强度≥980 MPa，伸长率≥18%，冲击功≥100 J，材料的各项性能指标都满足客户要求。

4 结语

通过合理的化学成分和生产工艺设计，山东寿光巨能特钢有限公司开发的KD级抽油杆用3130钢产品的化学成分、力学性能都能够满足客户要求，产品力学性能稳定、组织均匀、晶粒细小、夹杂物含量低，客户满意度高。

该产品为山东省经济和信息化委员会2012年度第3批技术创新项目（项目编号201230607005），并顺利通过了项目验收和鉴定。该项目被评为山东省技术创新优秀新产品二等奖（证书编号37T12013T081）。应客户要求，目前该产品年生产量1 000 t左右。

［1］孙珍宝，朱谱藩，林慧国，等.合金钢手册（上册）［M］.北京：冶金工业出版社，1984：69.

［2］中国冶金百科全书总编辑委员会《金属材料》卷编辑委员会.中国冶金百科全书（金属材料）［M］.北京：冶金工业出版社，2001.

［3］宋维锡.金属学与热处理［M］.北京：冶金工业出版社，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

肖振会，男，1982年生，2007年毕业于烟台大学金属材料工程专业。现为山东寿光巨能特钢有限公司市场开发部助理工程师，从事新产品开发工作。