超低溫LNG儲罐用鋼的煉鋼生產(chǎn)實(shí)踐

劉文飛，李超，趙雷，徐國義，馬寧，尹宏軍（鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司，遼寧營口115007）

超低溫LNG儲罐用鋼的煉鋼生產(chǎn)實(shí)踐

劉文飛，李超，趙雷，徐國義，馬寧，尹宏軍
（鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司，遼寧營口115007）

介紹了超低溫LNG儲罐用鋼的煉鋼生產(chǎn)實(shí)踐。采用轉(zhuǎn)爐雙渣、雙聯(lián)低溫冶煉脫磷技術(shù)實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)磷含量≤0.002 0%；鋼水扒渣與LF脫硫?qū)崿F(xiàn)了硫含量≤0.001 0%；RH真空度≤200 Pa，循環(huán)時(shí)間30 min，使鋼中氮、氫含量分別控制在0.003 0%和0.000 1%以下；采用連鑄全程保護(hù)澆鑄工藝、鑄坯高溫矯直工藝以及鑄坯緩冷工藝，抑制了鑄坯表面和皮下裂紋的產(chǎn)生。

煉鋼；儲罐用鋼；鑄坯；缺陷

超低溫LNG（Liquefied Natural Gas）儲罐用鋼是一種可以在-196℃服役的鐵素體型結(jié)構(gòu)材料［1］，是目前低溫韌性最好的實(shí)用材料之一。日本1999年之前就能生產(chǎn)厚度達(dá)50 mm的低Si/Nb比的超低溫儲罐用鋼寬厚板［2］。目前國內(nèi)太鋼、武鋼、鞍鋼等都開始研發(fā)并試生產(chǎn)超低溫儲罐用鋼，盡管此類鋼種在國外已經(jīng)普遍生產(chǎn)，但國內(nèi)鋼廠在此類鋼種的生產(chǎn)中經(jīng)常遇到轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)深脫磷程度不夠、轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)溫度控制過低、精煉工序回磷嚴(yán)重、LF爐處理增氮量過大以及鑄坯容易出現(xiàn)裂紋等問題，因此尚處在工業(yè)化生產(chǎn)的摸索階段。鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司經(jīng)過一年多超低溫儲罐用鋼的生產(chǎn)，該鋼的各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)已經(jīng)接近國際先進(jìn)水平，本文對該鋼種的冶煉情況進(jìn)行介紹，從而給我國生產(chǎn)此類鋼種提供參考。

1　生產(chǎn)工藝流程及化學(xué)成分

超低溫儲罐用鋼生產(chǎn)工藝流程：鐵水預(yù)處理脫硫→260 t復(fù)吹轉(zhuǎn)爐脫磷→260 t復(fù)吹轉(zhuǎn)爐脫碳→LF升溫→鋼水扒渣→LF脫硫→RH脫氣→連鑄→緩冷及修磨。該鋼化學(xué)成分見表1。

表1　超低溫儲罐用鋼

2　超低溫儲罐用鋼冶煉難題

2.1P、S、A1、N含量

P是導(dǎo)致鋼冷脆性元素，S對焊接不利，要防止P和其它元素在鐵素體晶界上偏聚造成晶粒間的強(qiáng)度提高，從而產(chǎn)生脆性；同時(shí)還要防止硫化物等有害夾雜降低鋼板韌性。由于鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司的鐵水為中磷鐵水，平均鐵水P含量為0.12%，S含量0.050%，為保證出鋼P(yáng) 在0.003%左右，須進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)脫磷工藝的脫磷效率，采用LF爐鋼水深脫硫控磷技術(shù)控制鋼水回磷率。

由于該鋼種在轉(zhuǎn)爐需半鎮(zhèn)靜出鋼 （即控制爐后酸熔鋁不大于0.020%），且Si、Mn含量較高，使得合金化后的鋼水氧含量相對于其它半鎮(zhèn)靜鋼較低，另外，出鋼后進(jìn)行鋼水扒渣，扒渣后鋼水渣層較薄，甚至有部分鋼水裸露，上述原因造成了轉(zhuǎn)爐出鋼過程中以及在LF爐處理過程中鋼液極易吸收N2。氮在鋼液中的溶解度遠(yuǎn)高于其在室溫下的溶解度，如果鋼水吸氮過多，在低溫下呈現(xiàn)過飽和狀態(tài)。在鋼液凝固時(shí)，一部分以氣泡形式留在鑄坯內(nèi)部，一部分呈彌散的固態(tài)氮化物析出，結(jié)果引起金屬晶格的扭曲并產(chǎn)生巨大的內(nèi)應(yīng)力，引起鋼的硬度、脆性增加，塑性韌性降低，在鑄坯矯直時(shí)容易產(chǎn)生裂紋等缺陷。因此，在冶煉、精煉和連鑄過程中必須采取有效的控氮措施。

當(dāng)鋼中鋁的殘存含量超過0.026%時(shí)，脫氧產(chǎn)物可認(rèn)為全部是熔點(diǎn)非常高的Al2O3，而Al2O3夾雜顆粒通常都在10～100 μm之間，其析出物容易造成局部應(yīng)力集中而成為裂紋源，這對低溫韌性要求非常高的超低溫儲罐用鋼影響非常顯著，因此，精煉過程中必須精確控制鋁的加入量。

2.2鑄坯中心疏松、矯直裂紋與相變應(yīng)力

超低溫儲罐用鋼在凝固過程中不易補(bǔ)縮，易形成孔洞和裂紋。超低溫儲罐用鋼脆化溫度區(qū)間為700～900℃，采用正常冷卻制度進(jìn)行冷卻矯直時(shí)，鑄坯表面易產(chǎn)生裂紋。該鋼種對裂紋的敏感性非常高，如果不采用緩冷而直接空冷，鑄坯容易形成馬氏體和貝氏體，產(chǎn)生較大的相變應(yīng)力，此種情況下板坯內(nèi)部應(yīng)力釋放不及時(shí)，鑄坯容易產(chǎn)生表面和皮下裂紋而報(bào)廢。

3　超低溫儲罐用鋼冶煉工藝

3.1P、S、Al、N的控制

3.1.1煉鋼工序

為了控制鋼水罐的回磷，要求生產(chǎn)此鋼種的鋼水罐無鋼底、渣底、側(cè)壁無粘渣鋼、吹氬管路無漏氣、使用次數(shù)5～20次、透氣磚不大于3次且在前5次內(nèi)未生產(chǎn)加磷鐵鋼種。鐵水脫硫目標(biāo)按0.001%設(shè)定，要求脫硫后S含量≤0.002%，脫硫后渣要徹底扒凈，以減輕LF工序脫硫的壓力。

轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝采用雙渣、雙聯(lián)低溫冶煉脫磷技術(shù)，以最大限度脫磷。前半鋼的保碳深脫磷操作技術(shù)要求生產(chǎn)該鋼種的前兩爐不進(jìn)行濺渣護(hù)爐，冶煉過程槍位 200～260 cm，吹氧流量47 000 m3/h，放渣前的白灰單耗按23 kg/t鋼加入，礦石等依照溫度富余情況加入。吹煉到5～6 min爐渣活躍時(shí)抬槍，抬槍后加入0.5 t礦石，然后放渣。放渣后的白灰單耗按10 kg/t鋼加入，并加入適量的礦石以及化渣劑，繼續(xù)吹煉至半鋼終點(diǎn)（約9 min）抬槍。吹煉的關(guān)鍵為冶煉過程爐渣不返干，半鋼終點(diǎn)溫度控制在1 350～1 400℃，終點(diǎn)碳控制在2.2%～2.4%。采用此技術(shù)后前半鋼的脫磷情況如圖1所示。由圖1可以看出，半鋼平均脫磷率達(dá)86.81%。

為了不影響后半鋼的脫磷，要求后半鋼兌鐵前兩爐不允許濺渣護(hù)爐且不能生產(chǎn)磷含量大于0.025%的鋼種。鎳板在后半鋼兌鐵后加入，依照成分中上限配加鎳板，避免后道工序補(bǔ)加鎳板。由于半鋼基本沒有硅、錳元素，且入爐的鐵水溫度為1 340～1 380℃，在加入100 kg/t鋼的鎳板情況下，如果依照正常冶煉工藝冶煉，當(dāng)終點(diǎn)碳含量拉到0.02%～0.03%時(shí)，終點(diǎn)溫度基本都在1 530℃左右，達(dá)不到目標(biāo)要求的出鋼溫度（1 600℃）。如果進(jìn)行長時(shí)間的補(bǔ)吹，鋼水過氧化嚴(yán)重，后道工序脫氧后氧化物夾雜超標(biāo)，鋼種的質(zhì)量不合格，如果不進(jìn)行長時(shí)間補(bǔ)吹，這勢必要求LF爐工序進(jìn)行大幅度的升溫操作，從而極大的延長了總工序的處理時(shí)間，不僅限制了該鋼種的連澆罐數(shù)，而且鋼水氮含量以及夾雜物含量增加，鋼質(zhì)的純凈度下降，質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)增加。因此對該鋼種后半鋼的轉(zhuǎn)爐冶煉溫度制度進(jìn)行優(yōu)化，即在轉(zhuǎn)爐冶煉前期，根據(jù)入爐半鋼條件在冶煉前期，即吹煉的5 min內(nèi)加入增碳劑 （依照0.30 kg/t鋼增碳劑增加終點(diǎn)溫度1℃計(jì)算）。采用半鋼碳化升溫技術(shù)后，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)出鋼溫度控制在1 580～1 620℃，出鋼碳控制在0.020%～0.030%。為了抑制回磷及增氮，出鋼前保證大罐吹氬1 min以上，出鋼過程全程吹氬，半鎮(zhèn)靜出鋼，所需合金在出鋼2 min以后加入，并且禁止出鋼前期及后期下渣。后半鋼的脫磷情況如圖2所示。由圖2可以看出，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)平均磷含量0.001 4%，平均脫磷率達(dá)90.22%。

3.1.2精煉工序

該鋼種進(jìn)站鋼水的氧化性低，鋼水容易吸氮，特別是鋼中Als過高時(shí)會生成大量氮化鋁，從而導(dǎo)致鑄坯晶界脆化產(chǎn)生裂紋。另外，頂渣改質(zhì)充分且Als含量過高時(shí)，也容易回磷。因此LF爐進(jìn)行脫硫改質(zhì)操作時(shí)，分批加料，精準(zhǔn)控鋁，中流量底吹氬是LF爐處理過程中防鋼水增氮、回磷的關(guān)鍵。

鋼水在轉(zhuǎn)爐爐后出站后，如轉(zhuǎn)爐出鋼有下渣現(xiàn)象，在鋼渣粘度及鋼水溫度符合鋼水直接扒渣條件時(shí)，將鋼水罐直接吊至鋼水扒渣位進(jìn)行鋼水扒渣。如果不符合則先入LF爐進(jìn)行稠渣、加白灰操作，并適當(dāng)升溫，但不允許進(jìn)行頂渣改質(zhì)。鋼水扒渣后，入LF工序進(jìn)行鋼水脫硫處理。如轉(zhuǎn)爐出鋼無下渣現(xiàn)象，則不需要鋼水扒渣處理，鋼水進(jìn)站后直接進(jìn)行鋼水脫硫處理。在脫硫處理過程中，鋼包底吹氬流量以鋼水面不劇烈翻騰為標(biāo)準(zhǔn)，造渣材料不允許加電石、助熔渣等助熔材料，防止影響鋼種性能的其它元素例如硼等進(jìn)入鋼水中。控制頂渣改質(zhì)過程中Als的生成量確保在0.015%～0.020%，使鋼水既能實(shí)現(xiàn)深脫硫目標(biāo)又能抑制Al2O3夾雜物的生成。

通過采用以上措施，LF爐將鋼中S脫到不大于0.001%，Als控制在0.015%～0.020%，N控制不大于0.003 5%，回磷量低于0.001 5%。

鋼中氫含量過高，鑄坯會產(chǎn)生氫致裂紋，導(dǎo)致軋后鋼板探傷不合，并且LF爐處理時(shí)間過長，鋼水有時(shí)增氮比較明顯，需要有后續(xù)的鋼水脫氮操作。利用RH既有脫氫功能，對于氮含量超過0.002 5%的鋼水又有脫氮功能的特點(diǎn)，通過RH深真空操作脫除鋼水中的氫和氮。由于該鋼種對磷成分要求非常嚴(yán)格，RH工序防止鋼水回磷也是RH工序處理的關(guān)鍵點(diǎn)，因此需要提前對真空室涮管（保證真空室內(nèi)無殘?jiān)Ｍ瑫r(shí)，真空室首次使用，它的烘烤時(shí)間長，室內(nèi)儲氧嚴(yán)重，處理過程中鋼水二次氧化嚴(yán)重，因此也不允許使用真空室首罐生產(chǎn)此類鋼種。該鋼種在RH真空精煉脫氣處理過程中，需真空度≤200 Pa，循環(huán)時(shí)間30 min，破空后，鋼水小流量底吹氬（保證鋼液面微動的流量）15～20 min。通過RH真空脫氣處理，鋼中N和H含量分別控制在0.003%和0.000 1%以下，鋼水回磷量控制在0.000 3%以內(nèi)。

3.1.3連鑄工序

澆鑄全程控N、H，中包烘烤要求小火3 h以上，長水口與鋼包下水口連接處以及中間包頂部全部實(shí)施Ar封保護(hù)。通過這些措施，連鑄工序基本抑制了鋼水增氮、增氫。

通過上述各工序的控制，該鋼種的有害元素得到了有效的控制，其中P含量可穩(wěn)定控制在0.003%以下，P、S、Al、N含量均符合鋼種的內(nèi)控要求，滿足了該鋼種的純凈化要求。

3.2動態(tài)輕壓下及高溫矯直

由于該鋼在凝固過程中不易補(bǔ)縮，必須采用動態(tài)輕壓下以防止出現(xiàn)中心疏松和縮孔。為了避開此鋼種的脆化溫度區(qū)間，應(yīng)在950℃以上進(jìn)行高溫矯直。因此生產(chǎn)該鋼種時(shí)二冷水采用最弱的包晶鋼冷卻制度，并關(guān)閉5～8區(qū)的邊部冷卻水，避開脆化溫度區(qū)，實(shí)現(xiàn)高溫矯直。

高且恒定的拉速可促進(jìn)中間包和結(jié)晶器內(nèi)鋼液快速穩(wěn)定循環(huán)，解決結(jié)晶器內(nèi)鋼液面結(jié)殼問題。拉速控制在1.0～1.1 m/min，整澆次恒速澆鑄。

3.3鑄坯緩冷

為控制鑄坯表面和皮下裂紋，鑄坯拉出后應(yīng)及時(shí)入緩冷坑緩冷。具體操作：鑄坯生產(chǎn)前將緩冷坑內(nèi)溫度升到約350℃，鑄坯熱送軋線的緩冷坑，扣蓋對板坯緩冷，在250℃左右緩冷8 h，然后升溫到510℃左右緩冷50 h，再降至400℃保溫不小于16 h,抑制了鑄坯表面和皮下裂紋的產(chǎn)生。

4　超低溫儲罐用鋼鑄坯質(zhì)量

4.1鑄坯表面質(zhì)量

經(jīng)表面噴丸處理的鑄坯見圖3所示。由圖3可以看出，鑄坯表面質(zhì)量良好，沒有氧化鐵皮。

4.2軋材非金屬夾雜

截取兩批次鑄坯軋制鋼板的試樣共計(jì)6個(gè)，進(jìn)行非金屬夾雜物的微觀檢查，結(jié)果見表2。

表2　軋材非金屬夾雜物檢驗(yàn)結(jié)果　級

由表2可以看出，鋼板無粗系夾雜物，細(xì)系夾雜物中均為氧化物（B類）夾雜，最大級別1.0級，單顆粒氧化物（Ds類）夾雜最大級別1.0級，符合國際超低溫儲罐用鋼的要求。

5　結(jié)論

（1）采用轉(zhuǎn)爐雙渣、雙聯(lián)低溫冶煉脫磷技術(shù)、LF爐精準(zhǔn)控［Als］、深脫硫技術(shù)、RH真空脫氣以及連鑄全保護(hù)澆注，實(shí)現(xiàn)了該鋼種成品平均磷含量0.002 8%，平均硫含量0.001%，平均氮含量0.002 9%，氫含量0.000 12%。

（2）采用動態(tài)輕壓下、高溫矯直以及鑄坯緩冷技術(shù)，有效控制了超低溫儲罐用鋼連鑄坯的表面和皮下裂紋缺陷，鑄坯質(zhì)量合格率達(dá)到了100%，并且實(shí)現(xiàn)了連鑄批量生產(chǎn)。

［1］張弗天，樓志飛.Ni9鋼的顯微組織在變形一斷裂過程中的行為［J］.金屬學(xué)報(bào)，1994，30（6）:239～246.

［2］Takahiro Kubo，Akio Ohmori，Osamu Tanigawa.Proerties of High Toughness 9%Ni Heavy Section Steel Plate and It's Applicablity to 200000Kl LNG Storage Tanks［J］.Kawasaki Steel Technical Report，1999（40）：72～79.

（編輯 許營）

Production Practice of Smelting Ultra-low Temperature Steel for Liquefied Natural Gas Tank

Liu Wenfei，Li Chao，Zhao Lei，Xu Guoyi，Ma Ning，Yin Hongjun
（Bayuquan Iron&Steel Subsidiary Co.of Angang Steel Co.,Ltd.,Yingkou 115007,Liaoning,China）

The production practice of smelting ultra-low temperature steel for liquefied natural gas tank is described.The content of phosphorus in molten steel at the end point of steelmaking in converter is controlled under 0.002 0%based on the converter duplex slag technique and duplex steelmaking technique for dephosphorization at low temperature.The content of sulphur is controlled under 0.001 0%by removing the slag from molten steel and desulfurization in LF.And the content of nitrogen and hydrogen in molten steel is controlled under 0.003 0%and 0.000 1% respectively by adjusting vacuum degree up to 200 Pa and recycling time 30 minutes.For the whole procedures of casting molten steel,technologies including the protective casting process,the straightening process for strands at high temperature and slow cooling process for strands are used so that both surface cracks and subsurface cracks of a strand are controlled.

steelmaking;tank steel;slab;defect

TF703

A

1006-4613（2015）01-0041-04

劉文飛，工程師，2000年畢業(yè)于昆明理工大學(xué)鋼鐵冶金專業(yè)。E-mail: chunxiaoning@163.com

2014-09-25