1引言

石油钻井用钢作为石油、天然气勘探开发的重要耗材，在石油工业中占有重要的位置。近年来，我国每年消耗油井用钢超过200万t。石油钻井用钢在石油工业中的地位不仅表现为用量大、花费高，更重要的是其质量和性能直接决定了我国石油工业的发展。SAE4137钢一般作为公母螺栓或者钻杆使用，其一般在几百、几千米的地下、极为复杂的地质条件下钻井，承受了拉、压、扭、冲、剪等各种作用力，甚至还将承受瞬间的突变载荷。由于石油钻井用工作条件恶劣，钢的化学成分要求磷≤0.015%、硫≤0.008%，低倍评级均≤1.5级，夹杂物评级均≤1.5级，其冶炼工艺较普通钢种难度大。

在对石油钻杆用钢SAE4137的冶炼过程夹杂物控制理论分析的基础上，攀钢提钒炼钢厂实践了冶炼过程脱氧工艺、钢包渣组成控制和钙处理等工艺，试验结果表明夹杂物评级均≤1.5级，钢材力学性能稳定，较好地解决了转炉-大方坯流程批量生产SAE4137钢的夹杂物控制难题。

2试验内容

2.1工艺条件

SAE4137的生产工艺流程为：120t顶底复吹转炉冶炼-吹氩站-LF精炼-RH真空处理-360mm×450mm大方坯连铸-轧制Φ140mm-Φ220mm圆钢-退火-热处理-机械加工。顶底复吹转炉保证了冶炼终点钢水质量；与大方坯连铸机配套的LF炉具有良好的加热能力和造渣精炼功能，RH装置脱气、去除夹杂物的效果较好；大方坯连铸机配套了结晶器电磁搅拌和凝固末端动态轻压下。

2.2热力学分析

利用FACTSAGE软件中相图计算模块计算在CaO-SiO2-Al2O3三元夹杂物系中有两个低熔点区域。区域1熔点低于1400℃，其成分范围SiO228%-70%、Al2O33%-40%、CaO10%-55%，范围较宽，且其周边区域的熔点均较低，因此对于Si、Mn脱氧等钢种精炼渣系相对较好控制，在靠近该区域时，通过添加少量（10%以内）CaF2可进一步降低精炼渣的熔点。区域2熔点低于1500℃，其成分范围SiO20%-15%、Al2O322%-55%、CaO42%-65%，在区域2中熔点低于1400℃的成分范围为SiO20%-10%、Al2O335%-50%、CaO47%-57%。对于铝脱氧钢种精炼渣系的选择应为区域2，但范围较窄，因此根据钢种成分进行了进一步的计算分析。

2.3脱氧工艺的制定

计算了SAE4137钢的等a、等线和等a线发现：

1）CaO-SiO2-Al2O3渣系低熔点区域1的氧活度较高，低熔点区域2的氧活度则大大降低，因此要生产低氧钢须将夹杂物成分和精炼渣成分控制为区域2，此时的大致成分为：SiO20%-22%、Al2O325%-60%、CaO40%-75%。

2）在区域2，是影响a的主要因素，且a随升高而明显降低。另外a随SiO2含量增加而升高。

3）在区域2，钢中存在极低的钙就能使夹杂物向低熔点的铝酸钙系转变。

4）钢水中a、、a分别控制在1ppm-5ppm、控制在0.01%-0.03%和7.5ppm-15ppm有利于夹杂物的控制。

因此，要生产低氧钢SAE4137时需要一定的，即应采用铝脱氧工艺，精炼渣系选择时必须尽量降低渣中的SiO2含量，且考虑到渣的流动性，在精炼渣中配加10%以内的CaF2可进一步降低精炼渣的熔点和粘度，有利于夹杂物的去除。

该厂转炉冶炼采用半钢转炉冶炼，半钢与铁水比较，其碳含量低，硅、锰元素均为痕迹，转炉冶炼热源相对不足，转炉终点钢水氧活度和钢渣氧化性更高，波动更大。图1为该厂采用半钢冶炼时转炉冶炼终点-a关系。由图1可见，半钢转炉冶炼终点≤0.05%时，即使含量微小下降，钢液氧活度含量也会大幅度上升。因此应将冶炼终点控制在≥0.05%，使钢中的氧活度a控制在800ppm以内。此外，转炉吹炼过程应加入发热剂，在适当提高出钢温度的同时避免深吹，并可在图1所示的基础上降低钢水氧活度。

脱氧剂的加入量与终点碳含量的关系见表1。为保证良好脱氧和为后续精炼创造条件，出钢后在吹氩站进行定氧，并根据钢水氧活度，补喂铝线，铝线的喂入量见表2。喂铝线后，钢水氧活度更低，对控制钢中T有利。

2.4钢包渣组成控制

对钢中氧含量及夹杂物尺寸和数量的控制主要是靠精炼工序完成，精炼过程的重点是根据钢种质量要求，在脱氧工艺的基础上对钢包渣组成进行控制。根据钢种质量要求分析和热力学计算结果，采用活性石灰和高碱度精炼渣调整钢包渣组成，利用钢包渣改性剂和铝丸作为降低钢包渣氧化性的还原剂。在预测钢包渣成分的基础上，制订的造渣工艺如下：

1）严格控制出钢过程下渣量，出钢过程挡渣标加入位置准确，出钢口时间≥5min；渣层厚度控制在50mm以内；

2）出钢过程合金化后立即向钢包内加入800kg活性石灰，200kg萤石（或1000kg高碱度精炼渣；

3）钢水进站根据吹氩站硫含量加入头批（总量的1/2）铝丸和高碱度精炼渣后加热化渣，取样后加入第二批渣料。总加入量要求如表3。

2.5钙处理工艺

考虑到钢中硫化物夹杂和脆性氧化物夹杂对钢的性能的影响，特别是对冲击性能的不利影响，需要对夹杂物进行变性处理。通过对钙处理计算结果，需要将钢水中钙含量控制在7.5-15ppm。试验采用的方案和中间包钢水钙含量见表7，试验达到了FACTSAGE软件计算的结果。由表4可见，采用方案二，钢水中钙含量保持在8.5-21.0ppm，平均11.8ppm。因此，结合理论计算和试验的结果，在LF处理结束后喂CaSi线500-700m较为合适。

2.6RH真空处理

RH具有良好的脱气和去除夹杂的功能，为有效控制钢中含量以及夹杂物数量，采用RH真空处理。试验过程中，要求RH处理时间≥15min，并且保证真空度<300Pa的时间≥12min，然后再进行成分微调。真空处理结束后，对钢水进行软吹氩处理，软吹时间≥5min。试验时对提升气体氩气流量进行控制，前3min氩流量1200Nl/min，3min后到18min采用1500Nl/min。试验61炉钢经RH处理后，出站在0.5-1.5ppm，平均0.8ppm；试验一个包次8炉钢的夹杂物去除率34%-72%，平均达到57%。

3工业试验结果

3.1脱氧效果

该厂共生产了61炉SAE4137钢，约8000t。为考察脱氧效果，在吹氩站吹氩前后测定了钢水氧活度。吹氩前氧活度在2.2-35ppm，平均为9.7ppm，由于转炉出钢存在补吹，为节约成本，补吹后不测氧定碳，个别炉次出现补吹后氧含量较高，脱氧不彻底，但可在吹氩站补喂铝线进行脱氧，对钢的脱氧影响不大。吹氩后氧活度1-5ppm，平均3.2ppm，均控制在5ppm以内，表明脱氧效果良好，达到了1-5ppm的控制要求。

3.2冶炼过程钢包渣组成控制效果

采用上述精炼工艺后，对一个包次8炉钢的各工序钢包渣组成进行了分析。通过合理的精炼造渣制度，将钢包渣调整到合理的范围内。LF出站及RH处理过程钢包渣CaO含量控制在49%-60%，平均为57%；碱度（CaO/SiO2）控制在5.2-6.1，平均为5.7；CaO/Al2O3控制在3.1-3.7，平均为3.5。以上数据说明，钢包渣组成均有利于夹杂物控制。RH精炼结束后，钢水中含量为0.01%-0.04%，平均0.025%达到了计算要求。钢包渣氧化性控制可见，钢包渣中（FeO+MnO）在冶炼过程中逐渐降低，精炼结束（FeO+MnO）控制在2%以内。

3.3夹杂物控制效果

对生产的一个包次8炉钢中4炉钢的圆钢夹杂物进行了检验。检验结果表明，试验钢的夹杂物数量少，夹杂均为球形复合夹杂，且未发现长条形夹杂，表明钙处理效果较好，夹杂物完全球化；精炼过程夹杂物转变良好，钢包渣对夹杂物的吸附能力较强。夹杂物评级各项夹杂均≤1.5级。典型炉次的夹杂物控制情况见表5。

3.4圆钢性能

冲击功检验的调质处理工艺为淬火870℃，保温70min，出炉油冷；回火温度为600℃，保温70min，出炉水冷。2010年生产的61炉钢的力学性能检测结果见表6，说明制定夹杂物控制工艺对钢的力学性能没有影响。

61炉试验圆钢超声波探伤结果结果见表7，从表7可以看出圆钢的综合报警率为0.99%，φ140mm、φ180mm及φ220mm规格的报警率分别为0.57%、1.49%、0，报警率较低

3.5推广应用

通过采用FACTSAGE对SAE4137钢的热力学分析、脱氧工艺研究、钢包渣组成控制和钙处理工艺的研究，制定了该钢种的夹杂物控制工艺并应用于提钒炼钢厂。试验期间共试制SAE4137钢61炉，单中包连浇炉数达到8炉，表明具备了该钢的批量生产能力。该钢种的研究方法可应用于对夹杂物要求较高的钢种，如SAE4145，CrMo系列合金结构钢等，计算过程采用的FACTSAGE软件可推广应用于炼钢过程渣系计算。

4结论

1）针对转炉流程生产石油钻井钢SAE4137的夹杂物控制的技术难点，通过采用FACTSAGE软件研究了钢脱氧工艺、钢包渣组成控制以及钙处理工艺，计算结果表明钢水中a、、a分别控制在1-5ppm、0.01%-0.03%和7.5-15ppm有利于夹杂物的控制。

2）工业试验结果表明，试验钢脱氧工艺合理，脱氧后钢水氧活度均控制在10ppm以内，平均3.2ppm。试验圆钢的夹杂物数量少，钙处理效果较好，夹杂物完全球化；LF精炼过程夹杂物转变良好，圆钢的夹杂物评级各项夹杂均≤1.5级。

3）试制的SAE4137圆钢力学性能满足要求，夹杂物控制工艺对力学性能没有影响。（图表参见原文）

(来源：炼钢)