提高管線鋼潔凈度的工藝技術(shù)研究

趙成林，廖相巍，張寧，朱曉雷

（鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧鞍山114009）

提高管線鋼潔凈度的工藝技術(shù)研究

趙成林，廖相巍，張寧，朱曉雷

（鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧鞍山114009）

利用金相顯微鏡、掃描電鏡等對(duì)管線鋼夾雜物的成分、形態(tài)及成因進(jìn)行了分析，對(duì)管線鋼不同生產(chǎn)工藝路線對(duì)鋼質(zhì)潔凈度的影響進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，采用轉(zhuǎn)爐-RH-LF-鈣處理-連鑄工藝，將鈣處理后的鋼水弱吹氬時(shí)間從3～5 min提升至8～10 min，D類夾雜由1.0級(jí)提高至0.5級(jí)，Ds類夾雜由1.0級(jí)提高至0級(jí)和0.5級(jí)；采用轉(zhuǎn)爐-LF-RH-鈣處理-連鑄工藝，可以實(shí)現(xiàn)A、B、C類夾雜0級(jí)、D類夾雜1.0級(jí)、Ds類夾雜多數(shù)0級(jí)、少量0.5級(jí)的效果。

煉鋼；管線鋼；夾雜物

鋼中非金屬夾雜物主要起源于鋼的脫氧過(guò)程，會(huì)對(duì)最終鋼材的性能，如鋼的塑性、韌性和疲勞性能產(chǎn)生一定影響，系統(tǒng)研究夾雜物的產(chǎn)生及去除機(jī)理，對(duì)于潔凈鋼生產(chǎn)具有重要意義［1-3］。隨著客戶對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求的不斷提高，對(duì)鋼水潔凈度的要求也越來(lái)越高，這就對(duì)煉鋼過(guò)程的工藝控制提出較高要求。本文對(duì)不同工藝路線對(duì)管線鋼潔凈度的控制水平進(jìn)行研究，為高潔凈度管線鋼的生產(chǎn)提供技術(shù)依據(jù)。

1　管線鋼夾雜物形態(tài)及成因分析

根據(jù)夾雜物的形態(tài)及分布，“鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢測(cè)法”（GB/T 10561-2005）中將夾雜物分為A、B、C、D和Ds五大類，每類夾雜物又根據(jù)夾雜物寬度的不同分為粗系和細(xì)系兩個(gè)系列。管線鋼典型夾雜物掃描電鏡的檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖1所示。

從檢測(cè)結(jié)果可以看出，B、C、Ds類夾雜物主要是CaO-Al2O3系，D類夾雜主要成分為CaOAl2O3-CaS系。

文獻(xiàn)［4］中介紹了管線鋼夾雜物的形成機(jī)理，管線鋼要求在LF工藝?yán)酶邏A度爐渣對(duì)鋼水進(jìn)行深脫硫處理，鋼水中的溶解［Al］會(huì)與渣中（CaO）發(fā)生如下反應(yīng)：

反應(yīng)產(chǎn)生的［Ca］與鋼水中的Al2O3夾雜物反應(yīng)生成CaO-Al2O3復(fù)合夾雜物。喂線后，喂入的［Ca］可以與鋼水中的CaO-Al2O3復(fù)合夾雜物進(jìn)一步反應(yīng)，同時(shí)還會(huì)生成一部分CaS，具體如下：

不同CaO/Al2O3比例的夾雜物其熔點(diǎn)不同，見(jiàn)表1所示。低熔點(diǎn)CaO-Al2O3系夾雜物在軋制時(shí)沿軋制方向發(fā)生較大變形，軋后產(chǎn)生B類和C類夾雜物。高熔點(diǎn)CaO-Al2O3系夾雜物或夾雜物中含有高熔點(diǎn)CaS時(shí)，在軋制過(guò)程變形能力較差，是D類和Ds類夾雜的產(chǎn)生原因［5］。

2　提高管線鋼潔凈度的工藝技術(shù)分析

從以上分析可知，CaO-Al2O3系夾雜物主要與鋼液的脫氧及鈣處理過(guò)程密切相關(guān)，因此對(duì)于不同的生產(chǎn)工藝路線，主要分析鋼液脫氧及鈣處理過(guò)程對(duì)鋼液潔凈度的影響。

2.1轉(zhuǎn)爐-RH-LF-鈣處理-連鑄工藝

本工藝控制夾雜物的基本思路為：轉(zhuǎn)爐出鋼后鋼水溶解氧含量為0.03％～0.05％，在RH精煉過(guò)程完成鋼液的脫氧，利用RH自然脫碳過(guò)程將溶解氧控制在0.01％～0.02％后，再加入金屬鋁對(duì)鋼水進(jìn)行終脫氧，脫氧產(chǎn)物可以在RH循環(huán)過(guò)程得到去除。在LF深脫硫和鈣處理過(guò)程產(chǎn)生的CaO-Al2O3系夾雜物在后續(xù)的鋼水弱吹氬和鋼水靜置過(guò)程得到去除。

在鋼水靜置過(guò)程，夾雜物的上浮速度滿足Stokes公式：

式中，ρm、ρp分別為鋼液和夾雜物的密度，kg/m3；d為夾雜物直徑，m；μ為鋼液粘度，（N·s）/m2。

鋼液中不同尺寸夾雜物的Stokes上浮速度見(jiàn)圖2所示。

從圖2中可以看出，夾雜物上浮速度較慢，因此，單純的依靠鋼水靜置很難獲得良好的夾雜物去除效果。

鋼水喂SiCa線鈣處理后要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的弱吹氬攪拌，對(duì)不同吹氬時(shí)間對(duì)鋼水潔凈度的影響進(jìn)行研究。選擇6罐鋼水進(jìn)行試驗(yàn)，前三罐吹氬時(shí)間為3～5 min，后三罐吹氬時(shí)間為8～10 min，其它工藝參數(shù)不變，對(duì)軋后鋼板進(jìn)行夾雜物評(píng)級(jí)，評(píng)級(jí)試樣取自軋后鋼板寬度二分之一的頭部位置，每罐鋼水取10個(gè)評(píng)級(jí)試樣，評(píng)級(jí)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　夾雜物評(píng)級(jí)結(jié)果

從表2中可以看出，將鈣處理后的鋼水弱吹氬時(shí)間從3～5 min增加至8～10 min，D類夾雜由1.0級(jí)（占80％）提升至0.5級(jí)（占83％），Ds類夾雜由1.0級(jí)（占73％）提升至0級(jí)和0.5級(jí)（占93％），鋼水潔凈度得到較大改善。

從其它類型夾雜的控制效果看，本工藝可以實(shí)現(xiàn)A、B、C類夾雜小于0.5級(jí)的目標(biāo)。

2.2轉(zhuǎn)爐-LF-鈣處理-RH-連鑄工藝

本工藝控制夾雜物的基本思路為：轉(zhuǎn)爐出鋼過(guò)程對(duì)鋼水進(jìn)行脫氧，此后在LF深脫硫和鈣處理過(guò)程產(chǎn)生的CaO-Al2O3系夾雜物在后續(xù)的RH真空循環(huán)過(guò)程得到去除。

煉鋼過(guò)程夾雜物的長(zhǎng)大以碰撞聚合為主，一般包括三種方式：布朗運(yùn)動(dòng)碰撞、液體速度梯度碰撞（層流、湍流）以及Stokes碰撞，夾雜物碰撞示意圖見(jiàn)圖3［6］。

一般認(rèn)為，湍流碰撞對(duì)夾雜物的長(zhǎng)大和去除最有利，而相比于鋼包吹氬等凈化鋼液的方式，RH過(guò)程攪拌強(qiáng)度更大，去除夾雜物的能力更強(qiáng)。

對(duì)本工藝生產(chǎn)的5罐X65管線鋼進(jìn)行軋后鋼板夾雜物評(píng)級(jí)，每罐鋼水取10個(gè)評(píng)級(jí)試樣，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，本工藝對(duì)夾雜物控制的穩(wěn)定性較差，主要體現(xiàn)在評(píng)級(jí)結(jié)果波動(dòng)范圍較大，同時(shí)大尺寸夾雜比例增加。以Ds類夾雜為例，評(píng)級(jí)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3　Ds類夾雜評(píng)級(jí)結(jié)果個(gè)

分析認(rèn)為，RH真空處理過(guò)程中會(huì)有一部分鈣流失，導(dǎo)致夾雜物中CaO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高，降低了夾雜物變性處理的效果，使得夾雜物控制效果不穩(wěn)定［7］。同時(shí)，RH真空循環(huán)處理特別有利于夾雜物之間的碰撞長(zhǎng)大，鋼液中會(huì)殘留大顆粒夾雜。在此基礎(chǔ)上，優(yōu)化生產(chǎn)工藝，即鋼液在RH真空循環(huán)后再進(jìn)行鈣處理，此時(shí)夾雜物的控制策略為：利用RH凈化鋼水能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，將LF深脫硫過(guò)程中產(chǎn)生的夾雜物（尤其是大尺寸夾雜）大量去除，對(duì)未能去除的夾雜進(jìn)行喂SiCa線變性處理。優(yōu)化工藝后，夾雜物控制效果穩(wěn)定，鋼液中大尺寸夾雜物數(shù)量明顯降低，可以實(shí)現(xiàn)A、B、C類夾雜0級(jí)、D類夾雜1.0級(jí)、Ds類夾雜多數(shù)0級(jí)、少量0.5級(jí)的控制效果。

3　結(jié)論

（1）管線鋼中B、C、Ds類夾雜物主要是CaOAl2O3系，D類夾雜主要成分為CaO-Al2O3-CaS系，主要在LF深脫硫過(guò)程和鈣處理后產(chǎn)生。

（2）不同CaO/Al2O3比例的夾雜物熔點(diǎn)不同，導(dǎo)致軋制過(guò)程夾雜物變形能力不同，是鋼板中不同形態(tài)夾雜物產(chǎn)生的原因。

（3）采用“轉(zhuǎn)爐-RH-LF-鈣處理-連鑄工藝”，將鈣處理后的鋼水弱吹氬時(shí)間從3～5 min增加至8～10 min，D類夾雜由1.0級(jí)提升至0.5級(jí)，Ds類夾雜由1.0級(jí)提升至0級(jí)和0.5級(jí)，鋼水潔凈度得到較大改善。

（4）“轉(zhuǎn)爐-LF-鈣處理-RH-連鑄工藝”對(duì)夾雜物控制的穩(wěn)定性較差，主要體現(xiàn)在夾雜物評(píng)級(jí)結(jié)果波動(dòng)范圍較大，同時(shí)大尺寸夾雜比例增加。將RH工序提升至鈣處理之前，夾雜物控制效果穩(wěn)定，鋼液中大尺寸夾雜物數(shù)量明顯降低，可以實(shí)現(xiàn)A、B、C類夾雜0級(jí)、D類夾雜1.0級(jí)、Ds類夾雜多數(shù)0級(jí)、少量0.5級(jí)的控制效果。

［1］楊光維，初仁生，王新華，等.X70管線鋼RH真空脫氣過(guò)程夾雜物的去除行為［J］.鋼鐵，2014，49（1）：34-38.

［2］李強(qiáng)，王新華，黃福祥，等.X80管線鋼LF-RH二次精煉過(guò)程夾雜物行為及控制［J］.特殊鋼，2011，32（4）：26-30.

［3］蔣育翔，焦興利.X80管線鋼夾雜物控制工藝的研究［J］.特殊鋼，2011，32（1）：36-39.

［4］王新華，李秀剛，李強(qiáng)，等.X80管線鋼板中條串狀CaO-Al2O3系非金屬夾雜物的控制［J］.金屬學(xué)報(bào)，2013，49（5）：553-561.

［5］龔堅(jiān)，王慶祥.鋼液鈣處理的熱力學(xué)分析［J］.煉鋼，2003，19（3）：56-59.

［6］張邦文.冶金熔體中夾雜物一般動(dòng)力學(xué)的理論研究及其應(yīng)用［D］.上海：上海大學(xué)，2003.

［7］郝鑫，王新華，王萬(wàn)軍.中厚板鋼精煉過(guò)程夾雜物的轉(zhuǎn)變［J］.鋼鐵，2015，50（3）：54-58.

（編輯許營(yíng)）

Study on Technology for Improving Cleanliness of Pipeline Steel

Zhao Chenglin，Liao Xiangwei，Zhang Ning，Zhu Xiaolei
（Iron＆amp;Steel Research Institutes of Ansteel Group Corporation，Anshan 114009，Liaoning，China）

By means of metallurgical microscope and scanning electron microscope，the compositions of inclusions in pipeline steel，forms of these inclusions and causes of their formations were analyzed and then the effect of different productive technologies for manufacturing pipeline steel on its cleanliness was also investigated.The study results show that the weak argon-blowing time for the molten pipeline steel after carrying out the calcium treatment by using the converter-RH-LF-calcium treatment-continuous casting raises from the interval between 3 and 5 minutes to the interval between 8 and 10 minutes，the Type D inclusions improve to Level 0.5 from Level 1.0 while the Type Ds inclusions improve to Level 0 or Level 0.5 from Level 1.0.However if the converter-LF-RH-calcium treatment-continuous casting technology is used，these types of inclusions such as Type A，Type B and Type C can reach to Level 0，Type D inclusions can reach to Level 1.0 while most of Type Ds inclusions can reach to Level 0 with less Level 0.5 inclusions.

steelmaking；pipeline steel；inclusions

TF769.2

A

1006-4613（2015）06-0020-04

2015-07-06

趙成林，博士，高級(jí)工程師，2007年畢業(yè)于東北大學(xué)鋼鐵冶金專業(yè)。E-mail:zhao_chenglin@pom.com