高級別管線鋼生產(chǎn)中的技術(shù)系統(tǒng)集成

高質(zhì)量的管道鋼不僅需要很高的強(qiáng)度，而且還需要良好的耐腐蝕性、抗疲勞性、低溫適應(yīng)性、焊接性能、抗氫斷裂和耐b2s的抗污染性。因此，級管道鋼對工藝的要求比較嚴(yán)格。技術(shù)難點(diǎn)主要集中在四個方面：雜質(zhì)元素的含量控制、混合材料的控制、窄帶的控制和鑄造材料的質(zhì)量控制。1單元素鹽控制高純凈度是高級別管線鋼最基本的特征.1.1轉(zhuǎn)爐冶煉是提高收放硫控制水平的重要工序管線鋼中的硫?qū)ζ漤g性、抗氫致裂紋和抗H2S腐蝕能力有顯著影響.X70以上級別的管線鋼均對鋼中硫嚴(yán)格控制,一般要求小于30×10-6,部分鋼廠小于20×10-6.對抗氫致裂紋和抗H2S腐蝕能力等有特殊要求的管線鋼甚至要求小于10×10-6.但應(yīng)注意管線鋼中硫的控制應(yīng)該根據(jù)管線的用途和客戶的要求控制,生產(chǎn)中不應(yīng)盲目追求超低硫控制.因?yàn)樵阡撝辛蚝啃∮?0×10-6后,進(jìn)一步降低硫含量會使生產(chǎn)成本和精煉時間顯著上升,同時過分追求超低硫還會導(dǎo)致鋼中氮含量、甚至氧含量的上升.管線鋼硫的控制關(guān)鍵主要在鐵水預(yù)處理、轉(zhuǎn)爐冶煉、LF精煉三個環(huán)節(jié).向鐵水包噴吹顆粒鎂或Ca-Mg復(fù)合粉劑的噴吹法、添加合成渣進(jìn)行攪拌的KR法脫硫均可將鐵水中的硫降至較低值,一般可降至5×10-6～10×10-6,都能滿足高級別管線鋼的要求.管線鋼鐵水預(yù)處理脫硫的關(guān)鍵是脫硫后必須徹底扒渣,否則鐵水預(yù)處理脫硫的效果將受到較大影響,并給后續(xù)工序鋼中硫控制帶來較大難度.轉(zhuǎn)爐冶煉管線鋼生產(chǎn)終點(diǎn)硫含量顯著高于入爐鐵水的硫含量.因此,轉(zhuǎn)爐冶煉高級別管線鋼時轉(zhuǎn)爐冶煉是增硫過程,關(guān)鍵是控制增硫量.該過程硫的增量主要與轉(zhuǎn)爐用原料有關(guān).為了控制轉(zhuǎn)爐冶煉中增硫量,管線鋼冶煉時需采用優(yōu)質(zhì)廢鋼和低硫造渣料,同時石灰質(zhì)量對轉(zhuǎn)爐冶煉控硫的效果影響也非常大,有的鋼廠規(guī)定采用24小時內(nèi)生產(chǎn)的石灰,以保證其活性.鑒于對硫控制的嚴(yán)格要求,LF精煉是管線鋼生產(chǎn)的必備精煉工序.有關(guān)LF精煉深脫硫研究較多,許多研究進(jìn)行了精煉渣優(yōu)化研究,結(jié)論基本類似,即采用高堿度、低氧化性精煉渣,一般控制二元堿度R處于5～8,光學(xué)堿度處于0.82左右,FeO含量小于1.5%.這些研究對LF精煉渣的優(yōu)化具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義.但LF深脫硫需對脫硫動力學(xué)進(jìn)行深入研究,除了精煉渣的硫容量外,渣的流動性也應(yīng)是精煉渣優(yōu)化的重點(diǎn)研究內(nèi)容.曼內(nèi)斯曼指數(shù)MI(R/(%Al2O3)),是目前用于評價(jià)渣的流動性和吸附Al2O3夾雜物的能力及脫硫能力的一個可行參數(shù).在國內(nèi)A廠高級別管線鋼生產(chǎn)中,本課題組通過將曼內(nèi)斯曼指數(shù)MI控制在0.25～0.35之間,取得良好的脫硫效果(見表1).LF精煉深脫硫的另一個關(guān)鍵是溫度控制.根據(jù)熱力學(xué)可知,高溫有利于脫硫.因此,高級別管線鋼脫硫應(yīng)充分利用LF精煉后期高溫進(jìn)行脫硫,此時應(yīng)采用大氣量攪拌鋼液,促進(jìn)鋼渣的混合,促進(jìn)脫硫動力學(xué).LF脫硫能力比較強(qiáng),冶煉高級別管線鋼時脫硫率可達(dá)到70%～90%.鋼廠可結(jié)合各自LF精煉的特點(diǎn)合理分配轉(zhuǎn)爐控硫和LF脫硫的負(fù)擔(dān).如LF精煉脫硫率能達(dá)到80%,則轉(zhuǎn)爐出鋼時只需控制鋼水中硫含量小于100×10-6即可;如LF脫硫能力較低,則須較強(qiáng)轉(zhuǎn)爐冶煉終點(diǎn)硫含量控制;反之可適當(dāng)調(diào)寬轉(zhuǎn)爐冶煉過程的硫控制要求.圖1是國內(nèi)B廠采用LF-VD和LF-RH流程生產(chǎn)X70管線鋼時各工序鋼中硫含量的變化.近來少數(shù)鋼廠在高級別管線鋼LF精煉前采用扒渣重新造渣的工藝技術(shù).雖然扒渣損失了一部分時間和溫度,但將轉(zhuǎn)爐出鋼下渣導(dǎo)致的硫、磷和氧化鐵含量高的渣排除,重新造渣具有快速造渣、快速脫硫、抑制鋼液回磷等冶金效果.采取VD進(jìn)行真空脫氣生產(chǎn)管線鋼的鋼廠,在VD精煉階段還可以進(jìn)一步深脫硫.但由于VD精煉渣是以LF精煉渣為主進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整,渣組成改變不大,且由于LF較長時間精煉,渣鋼間脫硫反應(yīng)接近平衡,脫硫能力有限.對低硫管線鋼,VD精煉階段可降低鋼中硫含量至10×10-6左右.因此,管線鋼冶煉時可結(jié)合VD精煉的脫硫能力,合理安排轉(zhuǎn)爐、LF精煉、VD精煉各工序控硫或脫硫負(fù)擔(dān).部分鋼廠也在進(jìn)行RH深脫硫研究并取得一定進(jìn)展,這不僅可為超低硫高級別管線鋼提供新的冶煉工藝方案,也可為減輕高級別管線鋼生產(chǎn)中LF脫硫負(fù)擔(dān)提供新的解決方案.1.2配合轉(zhuǎn)爐雙渣冶煉工藝,提高管線鋼下渣控制水平磷是易偏析元素,顯著增加鋼的淬硬性,降低鋼的低溫沖擊韌性,提高鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度,惡化管線鋼的焊接性能.X70及以上級別管線鋼均希望將磷含量控制在100×10-6以內(nèi).與日本鋼廠管線鋼生產(chǎn)不同,國內(nèi)管線鋼生產(chǎn)中鐵水預(yù)處理階段主要是脫硫,沒有脫磷功能,脫磷基本在轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)工序完成.熱力學(xué)分析表明,高堿度、高氧化性渣及低冶煉溫度有利于脫磷,因此轉(zhuǎn)爐脫磷的關(guān)鍵技術(shù)之一是在轉(zhuǎn)爐前期脫磷.通過前期轉(zhuǎn)爐冶煉采用頂吹低氧流量、高槍位、底吹高流量攪拌的復(fù)合吹煉技術(shù)、后期控制轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)出鋼溫度的技術(shù)可以將轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)鋼中磷含量控制在70×10-6～80×10-6.目前寶鋼、鞍鋼等鋼廠已達(dá)到該控制水平,圖2是B廠X70管線鋼生產(chǎn)過程中磷含量的變化情況.對于鐵水原料含磷量較高的鋼廠,可通過轉(zhuǎn)爐雙渣冶煉工藝加強(qiáng)轉(zhuǎn)爐脫磷.管線鋼磷含量控制的另一個關(guān)鍵技術(shù)是出鋼下渣控制技術(shù).一般下渣控制水平較高的鋼廠可使轉(zhuǎn)爐下渣量控制在50mm左右,可顯著降低出鋼和其后精煉工序的鋼水回磷,鋼水回磷控制在20×10-6～30×10-6,從而保障管線鋼成品中磷含量小于100×10-6.最近部分鋼廠正在推廣使用的遠(yuǎn)紅外下渣檢測技術(shù),有利于轉(zhuǎn)爐下渣控制水平的提高.下渣控制水平較低的鋼廠也可采用留鋼操作.另外,少數(shù)鋼廠采用LF精煉前扒渣處理也可顯著降低精煉過程鋼水回磷量.1.3轉(zhuǎn)爐—?dú)淇刂普婵彰摎馐歉呒墑e管線鋼必備工序.采用VD精煉一般可將鋼中氫含量降至2×10-6以下,采用RH精煉可將鋼中氫降至1.5×10-6以下.因此采用轉(zhuǎn)爐—LF精煉—真空脫氣(VD或RH)—連鑄流程生產(chǎn)高級別管線鋼時氫控制不是難點(diǎn).然而,高級別管線鋼在成分設(shè)計(jì)中逐漸采用低碳路線,碳含量控制較低,有少數(shù)鋼廠采用轉(zhuǎn)爐—RH—LF精煉—連鑄流程生產(chǎn)高級別管線鋼,該流程需在RH真空處理后LF精煉過程添加大量合金和造渣料,鑄坯中氫含量可能會超標(biāo),此時應(yīng)加強(qiáng)合金料及造渣料的烘烤,控制LF精煉過程增氫.1.4出鋼和輸運(yùn)過程增氮氮會降低管線鋼的塑性和韌性,還會產(chǎn)生時效作用;但氮與管線鋼中Nb、V、Ti等元素形成氮化物或碳氮化物析出,可細(xì)化晶粒,起到析出強(qiáng)化作用,因此高級別管線鋼中希望氮含量控制在40×10-6左右.管線鋼為低硫鋁鎮(zhèn)靜鋼,在轉(zhuǎn)爐出鋼和LF精煉過程中很容易增氮,高級別管線鋼生產(chǎn)中氮含量控制存在一定難度.氮的控制關(guān)鍵技術(shù)主要集中在5個方面:1)脫氧制度;2)出鋼過程氮含量的控制;3)LF精煉過程增氮的控制;4)真空脫氮;5)保護(hù)澆鑄.轉(zhuǎn)爐出鋼時脫氧劑種類和用量對出鋼及其后鎮(zhèn)靜和輸運(yùn)過程中鋼水增氮存在明顯影響.采用強(qiáng)脫氧工藝后,表面活性元素氧對鋼水增氮的抑制作用減弱,出鋼及后續(xù)鎮(zhèn)靜和輸運(yùn)過程鋼水增氮量較高.在國內(nèi)某廠X70出鋼過程取樣研究發(fā)現(xiàn)該過程增氮量和鎮(zhèn)靜時間密切相關(guān):鎮(zhèn)靜時間越長,增氮量越高(圖3).控氮存在困難的鋼廠,可適當(dāng)調(diào)整轉(zhuǎn)爐出鋼時鋁的加入量,以控制出鋼過程增氮.出鋼過程中鋼流的形狀、出鋼時間也是影響鋼液增氮的重要因素.生產(chǎn)中應(yīng)加強(qiáng)轉(zhuǎn)爐出鋼口的維護(hù),保證出鋼時鋼流完整,出鋼時間不太長,出鋼后期及時加入渣量覆蓋鋼液.LF精煉過程中氮控制的關(guān)鍵主要在造渣和精煉時間兩方面.如能盡快造好發(fā)泡性能良好的保護(hù)渣,覆蓋電弧,則可顯著控制LF精煉過程增氮.同時,通過優(yōu)化LF精煉工藝,達(dá)到快速升溫和快速脫硫,則可顯著縮短LF精煉時間,使LF精煉過程增氮得到較好控制.VD具有較強(qiáng)的脫氮能力;LF精煉后的RH精煉也可適當(dāng)脫氮,但脫氮能力相對較弱;LF精煉前采用RH精煉時由于鋼中氮含量相對較低,RH很難實(shí)現(xiàn)脫氮功能,但此生產(chǎn)流程可采用沸騰出鋼工藝,出鋼時鋼中氧保持在較高水平(400×10-6),可顯著抑制出鋼過程增氮,有助于管線鋼生產(chǎn)中的氮控制.通過采用開澆中間包充氬、加強(qiáng)中間包密封、增強(qiáng)長水口與鋼包連接處的氬封、浸入式水口與中間包連接處的密封等保護(hù)澆鑄技術(shù)可顯著控制管線鋼連鑄過程的增氮,過程增氮量可控制在3×10-6以內(nèi).1.5高級別管線鋼氧控制高級別管線鋼為鋁脫氧鋼,鋼中溶解氧很低,鋼中T[O]可作為氧化物夾雜數(shù)量高低的一個評判指標(biāo).另一方面,管線鋼潔凈度較高,大型夾雜的數(shù)量相對較低,大型夾雜的氧在鋼中T[O]的比例非常低.潔凈度較高的管線鋼板材中T[O]含量一般為10×10-6～20×10-6左右.大型夾雜物的含量小于2mg/10kg鋼,大型夾雜物的氧含量在總氧的比例中不到2%,因此總氧的控制主要為顯微夾雜的控制.氧的控制是一個系統(tǒng)工程,但高級別管線鋼氧控制有自己的特點(diǎn).首先高級別管線鋼為低碳鋼,轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳含量控制較低,鋼水過氧化較為嚴(yán)重.因此,對于高級別管線鋼轉(zhuǎn)爐冶煉終點(diǎn)碳氧控制、溫度控制、終點(diǎn)命中率的控制、精煉流程的選擇(如是否采用RH脫碳精煉)、以及出鋼時脫氧劑及其用量的選擇對高級別管線鋼最終氧含量控制具有顯著影響.高級別管線鋼冶煉的另一個特點(diǎn)是精煉環(huán)節(jié)較多,一般采用LF精煉和真空脫氣精煉配套使用,精煉結(jié)束時鋼水潔凈度較高,鋼中總氧較低.因此連鑄時的主要任務(wù)不是進(jìn)一步去除夾雜,而是如何防止鋼水二次氧化及卷渣,鋼水二次氧化控制不當(dāng)可導(dǎo)致連鑄過程顯著增氧,如中間包采用高堿度覆蓋劑,中間包開澆充氬,加強(qiáng)長水口和浸入式水口與上游冶金容器連接處的密封等.近年來,爐外精煉技術(shù)及連鑄技術(shù)發(fā)展迅速,各管線鋼生產(chǎn)鋼廠氧控制水平顯著提高(見表2),已能將管線鋼中氧控制在10×10-6左右.2高級別管線鋼殘余物變性標(biāo)準(zhǔn)管線鋼夾雜物控制主要集中在顯微夾雜含量控制、夾雜物變性控制、大型夾雜物控制三個方面.顯微夾雜物含量控制和氧及硫控制密切相關(guān),關(guān)鍵控制技術(shù)與氧、硫控制相同.管線鋼一般采用鋼水喂鈣的方式進(jìn)行夾雜物變性處理,合理的喂鈣量、喂鈣速度及喂鈣地點(diǎn)是夾雜物變性處理的關(guān)鍵.一些鋼廠和文獻(xiàn)采用鋼中Ca含量、鋼中鈣含量與酸溶鋁含量的比值([%Ca]Tot/[%Al]s)、鋼中鈣含量與總氧含量的比值([%Ca]Tot/T[O])、原子濃度比ACR和鋼中鈣含量與硫含量的比值[%Ca]Tot/[%S]作為鈣處理效果的評判標(biāo)準(zhǔn),本研究發(fā)現(xiàn)鋼水喂鈣后鋼中鈣含量和夾雜物隨生產(chǎn)過程進(jìn)行而不斷變化,加上鋼水[%Ca]Tot、T[O]取樣分析困難、精度較低等原因,采用這些參量作為高級別管線鋼夾雜物變性評判和工藝優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)存在缺陷.本研究推薦高級別管線鋼鈣處理夾雜物變性按下列標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行:(a)鑄坯中心部位或軋后板帶中心部位不存在單純的MnS夾雜;(b)中間包和結(jié)晶器中夾雜的CaO和Al2O3組成的分子比nCaO/nAl2O3與12CaO·7Al2O3相近;(c)鈣處理后夾雜的nCaO/nAl2O3稍高于12CaO·7Al2O3;(d)鈣處理應(yīng)在最后精煉工序的后期進(jìn)行,應(yīng)盡力防止鋼水二次氧化.鞍鋼根據(jù)該控制標(biāo)準(zhǔn)對X70管線鋼鈣處理工藝進(jìn)行了優(yōu)化,取得了良好效果.管線鋼鈣處理的另一個關(guān)鍵是鈣處理前盡量將鋼中氧和硫降至最低值,同時加強(qiáng)鈣處理后鋼水二次氧化的控制.大型夾雜物來源主要為卷渣和鋼水二次氧化.非穩(wěn)態(tài)澆鑄期鋼質(zhì)量控制技術(shù)及生產(chǎn)管理水平是大型夾雜物控制的關(guān)鍵.高級別管線鋼的頭坯切除長度必須仔細(xì)取樣分析研究.本課題組在B廠生產(chǎn)的X70管線鋼頭坯不同位置取樣,分析表明該廠頭坯前1.8m大型夾雜含量較高,切除長度應(yīng)由原來的1.5m改為1.8m(見表3).連澆爐次換鋼包期間中間包鋼水液面的波動控制、長水口對鋼液的保護(hù)、引流砂的質(zhì)量以及合理填充等均會對鋼液中大型夾雜物數(shù)量產(chǎn)生顯著影響.尤其是國內(nèi)鋼廠生產(chǎn)中過渡坯一般不降級或淘汰,過渡坯質(zhì)量其實(shí)就是各鋼廠管線鋼質(zhì)量高低的標(biāo)志,非穩(wěn)態(tài)澆鑄期鑄坯質(zhì)量的控制顯得非常重要.為了控制卷渣,高級別管線鋼的拉速需嚴(yán)格控制:一方面要結(jié)合生產(chǎn)節(jié)奏盡量將拉速控制在稍低的水平,以抑制結(jié)晶器內(nèi)鋼水的表面流速和液面波動;另一方面需控制拉速波動,以抑制結(jié)晶器卷渣.3碳含量波動范圍小,碳含量波動范圍小高級別管線鋼強(qiáng)韌性等性能指標(biāo)要求非常嚴(yán)格.各級別管線鋼的成分均是在嚴(yán)格的組織設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上、通過反復(fù)的冶煉、軋制試驗(yàn)優(yōu)化制定的,綜合平衡了管線鋼各種性能之間的匹配、成分和組織之間的相互關(guān)系、冶金和軋制工藝的優(yōu)化、以及成本控制的要求,各組元濃度的波動范圍都限制得很窄,要求實(shí)現(xiàn)窄成分控制.管線鋼成分控制的一個難點(diǎn)是碳的控制.高級別管線鋼一般采取低碳路線,碳含量波動范圍要求很窄,如X80管線鋼常要求碳控制在0.03%～0.05%.但高級別管線鋼合金添加量較多,加上LF精煉增碳,因此碳含量控制難度較大.如采用LF-真空脫氣流程生產(chǎn),則需綜合優(yōu)化轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳控制、合金碳控制、LF增碳控制、鋼包增碳控制、以及連鑄過程增碳控制;如采用RH-LF流程生產(chǎn),可利用RH精煉脫碳,適當(dāng)調(diào)高轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳,但RH精煉結(jié)束碳控制需與后續(xù)精煉工序碳含量控制相配合,以保證管線鋼成品碳含量的穩(wěn)定控制.4連鑄工藝缺陷的解決管線鋼鑄坯的表面質(zhì)量包括表面及皮下夾雜、表面氣孔及皮下氣泡、表面裂紋控制等方面.由于結(jié)晶器卷渣,以及結(jié)晶器中凝固坯殼生長較快對鋼中大型夾雜捕捉機(jī)會較高,鑄坯表面和皮下大型夾雜數(shù)量較多,這些夾雜對管線的危害較大,需要嚴(yán)格控制.盡管部分鋼廠對管線鋼的頭坯采用火焰清理,以及軋鋼加熱過程中鑄坯表面的氧化脫落在一定程度上可減緩表面夾雜對管線鋼的危害,但鑄坯皮下大型夾雜的危害仍然無法消除,解決該問題的關(guān)鍵仍然是加強(qiáng)連鑄過程中大型夾雜的控制.部分鑄坯的表面氣孔會在鑄坯修磨處理過程及軋鋼加熱過程中消除,部分皮下氣泡會在軋制中被壓合,但未被消除的氣泡、加熱過程中暴露的氣泡,以及沒有完全壓合的氣泡會對管線鋼產(chǎn)生較大危害.管線鋼鑄坯的表面氣泡及皮下氣泡主要與連鑄吹氬及結(jié)晶器卷渣有關(guān).管線鋼中Nb、V、Ti、Al等元素含量較高,凝固過程中常在奧氏體晶界析出碳化物、氮化物及碳氮化合物,使晶界脆化,容易產(chǎn)生邊部橫裂紋和邊裂.該類缺陷的控制解決需綜合應(yīng)用