高級(jí)別管線鋼潔凈度控制

周賀賀  曹余良

（南京鋼鐵股份有限公司第一煉鋼廠，江蘇  南京  210035）

摘  要：高級(jí)別管線鋼采用鐵水預(yù)處理→BOF→精煉（LF/RH）→CCM生產(chǎn)流程，通過(guò)各工序過(guò)程工藝技術(shù)的優(yōu)化，已能批量生產(chǎn)[P]≤50ppm，[S]≤10ppm，T[O]≤9ppm，[N]≤35ppm，[H]≤1.5ppm的高級(jí)別管線鋼，中間包鋼水中99.61%都是小于10μm的CaO-CaS夾雜物。鑄坯中心疏松缺陷為0.5級(jí)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)中間裂紋、角裂、三角區(qū)裂紋、針狀及蜂窩狀氣孔，鋼板性能優(yōu)良，探傷合格率達(dá)99%以上。

關(guān)鍵詞：管線鋼，潔凈度，夾雜物，過(guò)程控制

Control of cleanliness in high grade level pipeline steel

Zhou Hehe Cao Yuliang

（First steel Making Plant of Nanjing Iron&Steel CO., Ltd.; Nanjing 210035 ,China)

Abstract: Hot metal pretreatment→BOF→refining(LF/RH)→CCM to smelting high grade level pipeline steel,through the optimization of technology process,has been able to mass production of [P]≤50ppm,[S]≤10ppm,T[O]≤9ppm,[N]≤35ppm,[H]≤1.5 ppm high-level pipeline steel,99.61% inclusion is CaO-CaS inclusions and the size less than 10μm in the Tundish.The defects in the slab center porosity is 0.5,it is no crack at central,corner and triangle area,no needle-likeand and honeycomb pores,steel plate is excellent flaw pass rate of 99%.

Key words：pipeline steel； cleanliness； inclusions；Process control

1 前言

隨著石油、天然氣等管線鋼需求行業(yè)的迅速發(fā)展，其對(duì)管道用鋼管的可靠性要求越來(lái)越高，不僅要求具有高強(qiáng)度、高的低溫止裂韌性及良好的焊接性，對(duì)特殊地區(qū)的管線鋼還要求有抗H2S腐蝕能力和抗大應(yīng)變能力。在酸性氣體環(huán)境中,導(dǎo)致管線鋼失效的主要質(zhì)量問(wèn)題是氫致開(kāi)裂(Hydrogen InducedCracking簡(jiǎn)稱HIC)和硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂(SulfideStress Corrosion Cracking簡(jiǎn)稱SSCC)。通常認(rèn)為[1] ~ [3]，HIC大都起源于鋼水中的有害元素和夾雜物，SSCC的形成與HIC密切相關(guān)。為了提高管線鋼抗HIC和抗SSCC能力，必須盡可能的降低鋼中磷、硫、氧、氮、氫雜質(zhì)元素的含量和控制非金屬夾雜物的數(shù)量、形態(tài)和尺寸，提高鋼水的純凈度，尤其是對(duì)管線鋼性能危害較大的Al2O3和MnS夾雜物的控制，改變其形態(tài)是管線鋼冶煉的重要任務(wù)之一[4] ~ [6]。

高級(jí)別管線鋼采用鐵水倒罐→鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐冶煉→出鋼脫氧合金化→LF精煉爐→RH真空爐→鈣處理→連鑄生產(chǎn)工藝流程，通過(guò)對(duì)冶煉各工序過(guò)程的研究和分析，開(kāi)發(fā)出各環(huán)節(jié)鋼水潔凈度控制技術(shù)要點(diǎn)。目前X80級(jí)別管線鋼鋼水終點(diǎn)成分可以控制水平為：[P]≤50ppm，[S]≤10ppm，T[O]≤9ppm，[N]≤35ppm，[H]≤1.5ppm，夾雜物變性和去除效果良好，連鑄中間包鋼水以小于10μm的CaO-CaS為主，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)純的Al2O3和MnS夾雜物。本文主要針對(duì)X80級(jí)別管線鋼的生產(chǎn)，闡述高級(jí)別管線鋼冶煉過(guò)程潔凈度控制工藝。

2 X80管線鋼冶煉工藝技術(shù)

X80級(jí)別管線鋼采用鐵水預(yù)處理、150t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐、150t精煉爐（LF/RH）、VAI中等厚度近終型寬板坯連鑄機(jī)，全程無(wú)氧化保護(hù)澆鑄、動(dòng)態(tài)輕壓下、液面自動(dòng)控制等設(shè)備及工藝，使鋼板成分均勻，S、P、O、N、H等有害元素含量低，非金屬夾雜物有效控制，鑄坯內(nèi)部質(zhì)量良好。

2.1 超低磷控制工藝

脫磷的熱力學(xué)條件是低溫、高堿度、高的氧化性。轉(zhuǎn)爐鐵水不經(jīng)過(guò)脫磷預(yù)處理，通過(guò)轉(zhuǎn)爐正常冶煉可將鋼水中磷降至0.007%左右。隨著產(chǎn)品級(jí)別的不斷更新和提高，一些高級(jí)別管線鋼對(duì)鋼水中磷含量的要求越來(lái)越低，之前的脫磷冶煉工藝已不能滿足對(duì)高級(jí)別鋼種生產(chǎn)的需求。

通過(guò)對(duì)吹煉過(guò)程影響轉(zhuǎn)爐脫磷的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)因素進(jìn)行詳細(xì)分析研究，選用“雙渣法”的操作，實(shí)際生產(chǎn)冶煉中取得了良好的脫磷效果。在轉(zhuǎn)爐吹煉4～6分鐘左右，即碳氧反應(yīng)剛開(kāi)階段，進(jìn)行第一次倒渣。在保證前期爐渣盡快化好的前提下，控制適當(dāng)?shù)脑�量，采用高堿度、高氧化性、低溫度和合理的供氧制度與底吹模式的操作。轉(zhuǎn)爐冶煉后期，通過(guò)防止?fàn)t渣返干和減少下渣量來(lái)控制后面工序回磷。目前，當(dāng)入爐鐵水[P]為0.120%時(shí)，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)[P]可脫至0.0050%以下，脫磷率在95%以上。轉(zhuǎn)爐采用不同冶煉工藝終點(diǎn)磷控制水平見(jiàn)圖1所示。

2.2 超低硫控制技術(shù)

通過(guò)優(yōu)化冶煉各工序脫氧造渣工藝，X80管線鋼鑄坯硫含量控制在0.0010%以內(nèi)，如圖2所示。

鐵水脫硫預(yù)處理噴吹CaO+Mg粉將鐵水硫含量脫除到0.0020%左右，預(yù)脫硫后進(jìn)行扒渣處理。由圖2可以看出：

（1）在轉(zhuǎn)爐工序由于鐵水帶渣以及加入的原輔料中含量硫，使出鋼鋼水硫含量回升到0.0040-0.0070%，平均回硫量在0.0035%，轉(zhuǎn)爐出鋼爐次硫含量平均控制在0.0047%。

（2）從轉(zhuǎn)爐出鋼到LF前期化渣階段，鋼水中硫含量有下降趨勢(shì)，這是因?yàn)槌鲣撨^(guò)程中加入的精煉渣與石灰，通過(guò)出鋼過(guò)程良好的動(dòng)力學(xué)條件，在LF爐化渣4-6min后迅速形成流動(dòng)性較好的脫硫初渣，起到了一定的脫硫作用，硫含量平均降低了0.004%。

（3）LF精煉過(guò)程通過(guò)適量的鋁絲和造渣劑快速造低氧化性白渣，總渣量要保持在15Kg/t鋼以上。同時(shí)根據(jù)升溫化渣、造渣脫硫以及合金化的需要，整個(gè)精煉過(guò)程分階段調(diào)整合適的底吹氬氣攪拌，保證良好的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件，使鋼水中硫得到有效快速的去除，LF工位鋼中硫含量均降低到0.0010%以內(nèi)， LF工位平均脫硫率達(dá)85%。

（4）RH工序由于兩個(gè)工位的交替使用，不同真空槽存在一定的氧化性，鋼中硫含量有微小的回升，鋼水中硫含量均控制在0.00075%。

（5）連鑄工藝通過(guò)中間包加入堿性低硫覆蓋劑，過(guò)程嚴(yán)格的保護(hù)澆注工作，鋼水中氮含量的增加控制在3ppm以內(nèi)，使得整個(gè)連鑄工序回硫小于0.0002%。

2.3 低氮、低氫控制

冶煉流程各工位氮含量成分變化如圖3所示。通過(guò)細(xì)致地分析研究轉(zhuǎn)爐、精煉和連鑄各工序過(guò)程增氮的原因，開(kāi)發(fā)出了低氮鋼冶煉的控制工藝技術(shù)：

（1）提高轉(zhuǎn)爐一倒命中率，轉(zhuǎn)爐出鋼前必須提前打開(kāi)鋼包底吹氬氣，從而排除空鋼包內(nèi)的殘余空氣；保證出鋼口形狀良好，防止出鋼散流，轉(zhuǎn)爐出鋼時(shí)嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行脫氧合金化作業(yè)。

（2）加強(qiáng)精煉過(guò)程電極埋弧加熱、底吹氬氣控制及微正壓操作，尤其要注意LF爐脫氧造渣時(shí)的埋弧微正壓操作，保持一定的渣量，防止鋼水裸露。加強(qiáng)鋼包下水口清掃及變形鋼包頂緊器打磨的監(jiān)督檢查。

（3）加強(qiáng)連鑄工序鋼包下水口、保護(hù)套管和氬封的檢查，覆蓋劑的加入量及加入時(shí)機(jī)的規(guī)范化操作，做好整個(gè)過(guò)程的保護(hù)澆注。

（4）嚴(yán)格控制原材料和合金的質(zhì)量，降低生產(chǎn)中原輔料造成的增氮量。

通過(guò)以上四個(gè)方面的措施，使鋼水的終點(diǎn)氮含量得到了有效地控制。目前，高級(jí)別管線鋼鋼水終點(diǎn)控制[N]≤0.0035%，增氮主要環(huán)節(jié)在LF爐前期化渣升溫階段，數(shù)據(jù)顯示RH真空脫氮率可達(dá)17%。

鋼中氫元素的去除主要靠RH真空處理實(shí)現(xiàn)， RH真空度在300Pa以內(nèi)保持時(shí)間大于15min，鋼水中氫含量基本可降低到1.5×10-6以下，這完全滿足了對(duì)氫有要求的鋼種的需要。另外需指出的是，凡與鋼水接觸的耐材、保溫材料等必須嚴(yán)格控制其干燥度，避免鋼水增氫。

2.4 鋼中氧和夾雜物的控制

轉(zhuǎn)爐吹煉終點(diǎn)碳含量、溫度和渣的氧化性對(duì)鋼中氧含量有著直接影響。

出鋼鋼水氧含量是決定連鑄終點(diǎn)氧含量和夾雜物的主要因素。通過(guò)試驗(yàn)探索總結(jié)，轉(zhuǎn)爐冶煉采用動(dòng)態(tài)控制、提高吹煉終點(diǎn)碳含量和溫度的雙命中率、減少補(bǔ)吹、加強(qiáng)復(fù)吹效果使轉(zhuǎn)爐吹煉終點(diǎn)氧含量得到有效地控制，同時(shí)節(jié)約鐵合金消耗，更重要的是提高了鋼水的質(zhì)量。精煉脫硫的前提條件是對(duì)鋼水進(jìn)行深脫氧，采用鋁絲、活性石灰快速造強(qiáng)還原性白渣進(jìn)行擴(kuò)散脫氧和喂鋁線沉淀脫氧相結(jié)合的方式，對(duì)鋼水進(jìn)行完全脫氧，LF出站[O]＜0.0003%。為了促進(jìn)夾雜物的有效去除，LF爐造高堿度、低氧化性和流動(dòng)性良好的精煉渣，用少量的CaF2來(lái)保證鋼包頂渣的流動(dòng)性，使渣系更有利于對(duì)夾雜物的吸附，精煉爐終渣成分見(jiàn)表1。在RH破真空后向鋼水中喂入一定量的純鈣線，控制鋼水合理的Ca/Al，使鋼水中非金屬夾雜物充分變性，同時(shí)形成易于上浮的低熔點(diǎn)12CaO·7Al2O3和3CaO·Al2O3等液態(tài)鋁酸鈣。為了促進(jìn)夾雜物充分有效的上浮，保證鋼水不裸露的情況下，控制合理的軟吹氬氣流量和壓力，并且保證軟吹氬氣時(shí)間大于15min。連鑄工序加強(qiáng)保護(hù)澆注，防止二次氧化。

表1 精煉爐白渣成分（%）

Tab1 composition of refing furnace slag（%）

降低全氧含量和防止連鑄過(guò)程中卷渣的控制工藝技術(shù)如下：

（1）轉(zhuǎn)爐采用擋渣錐擋渣和下渣檢測(cè)系統(tǒng)，最大限度的減少下渣量，降低渣的氧化性，出鋼時(shí)向鋼包表面加入渣改質(zhì)劑，提高鋼包頂渣的流動(dòng)性。

（2）LF爐造高堿度、低氧化性白渣，全程采用微正壓操作，保持爐內(nèi)還原性氣氛，保持RH高真空度和純脫氣時(shí)間。

（3）采用鋼包長(zhǎng)水口下渣檢測(cè)，中間包純凈化技術(shù)，采用不易卷入的高粘度保護(hù)渣。在操作方面，保證鋼包自流率在99%以上，減少鋼水的二次氧化。

采用上述方法后，提高了鋼的純凈度。目前，X80鑄坯平均T[O]可達(dá)到9×10-6的水平，鑄坯上的針孔、夾渣缺陷也有明顯的改善。

為了探索管線鋼中夾雜物情況，掌握冶煉過(guò)程鋼水夾雜物變化規(guī)律，指導(dǎo)開(kāi)發(fā)更高級(jí)別和更高潔凈度的鋼做準(zhǔn)備。采用美國(guó)ASPEX PSEM掃描電鏡，對(duì)X80管線鋼整個(gè)冶煉過(guò)程取吊桶樣進(jìn)行夾雜物分析，分析結(jié)果如圖4。

從圖4夾雜物的投影相圖中，可以直觀的觀察X80管線鋼冶煉過(guò)程夾雜物數(shù)量、類型和尺寸的變化情況。轉(zhuǎn)爐出鋼至LF開(kāi)始處理階段，鋼水和鋼包頂渣未完全脫氧，鋼水中夾雜物以硅錳酸鹽初級(jí)脫氧產(chǎn)物為主，并伴有少量的三氧化二鋁夾雜物，夾雜物總量繁多，單位面積總夾雜物87個(gè)/mm2。經(jīng)過(guò)LF爐深脫氧及造低氧化性高堿度渣精煉處理，夾雜物類型轉(zhuǎn)變?yōu)殍T坯及板材中常見(jiàn)的鈣鋁酸鹽，夾雜物總數(shù)量顯著減少，單位面積總夾雜物12個(gè)/mm2。在RH提升氣體流量100m3/h，真空度190Pa狀態(tài)下，抽真空處理20min后，單位面積夾雜物總數(shù)進(jìn)一步降低，仍以鈣鋁酸鹽夾雜物為主，其中45%左右集中在低熔點(diǎn)液態(tài)鋁酸鈣區(qū)域。鈣處理結(jié)束后，夾雜物類型再次發(fā)生轉(zhuǎn)變，集中在CaO-CaS一側(cè)，鈣處理對(duì)夾雜物的變性明顯，變性后形成的低熔點(diǎn)夾雜物，在鋼包底吹氬氣的攪拌下，大部分都積聚上浮去除，此階段1-5μm小尺寸夾雜物增多，占總數(shù)的98.71%大于30μm的大型夾雜物顯著減少，單位面積總夾雜物11個(gè)/mm2。在連鑄工序，中間包中鋼水夾雜物總數(shù)迅速增多，夾雜物尺寸較小，小于10μm的夾雜物占99.61%，所觀察的視場(chǎng)中未發(fā)現(xiàn)尺寸大于30μm的夾雜物，出現(xiàn)少量的鈣鋁酸鹽夾雜物，連鑄工序保護(hù)澆注仍需提高，但夾雜物類型主要集中在CaO-CaS一側(cè)。

2.5 產(chǎn)品質(zhì)量

通過(guò)以上工藝技術(shù)措施的控制，X80管線鋼產(chǎn)品實(shí)物質(zhì)量良好。對(duì)鑄坯進(jìn)行抽樣低倍硫印結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析，鑄坯質(zhì)量及鋼中非金屬夾雜物評(píng)級(jí)為：鑄坯中心疏松缺陷評(píng)級(jí)均為0.5級(jí)，夾雜物評(píng)級(jí)B類為0.5級(jí)，較少發(fā)現(xiàn)其它類夾雜，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)中間裂紋、角裂、三角區(qū)裂紋、針狀及蜂窩狀氣孔。軋制后鋼板性能優(yōu)良，探傷合格率保持在99%以上水平。圖5為X80級(jí)別管線鋼典型低倍照片。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)轉(zhuǎn)爐超低磷控制，LF爐深脫氧造高堿度低氧化流動(dòng)性精煉渣的超低硫冶煉工藝，RH高真空度處理，連鑄工序嚴(yán)格的無(wú)氧化保護(hù)澆注，己能穩(wěn)定控制有害元素[P]≤50ppm，[S]≤10ppm，T[O]≤9ppm，[N]≤35ppm，[H]≤1.5ppm的高級(jí)別管線鋼。

（2）鋼水隨著LF爐精煉處理，夾雜物由初期的硅錳酸鹽逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殁}鋁酸鹽，單位面積夾雜物數(shù)量顯著降低，由87個(gè)/mm2減少至12個(gè)/mm2。RH真空和鈣處理后，夾雜物類型發(fā)生轉(zhuǎn)變，集中在CaO-CaS一側(cè)。中間包鋼水中夾雜物尺寸較小，尺寸小于10μm的夾雜物占99.61%，未發(fā)現(xiàn)尺寸大于30μm的夾雜物。

（3）X80管線鋼產(chǎn)品實(shí)物質(zhì)量良好，鑄坯中心疏松缺陷評(píng)級(jí)均為0.5級(jí)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)中間裂紋、角裂、三角區(qū)裂紋、針狀及蜂窩狀氣孔。鋼板性能優(yōu)良，探傷合格率保持在99%以上。

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