高级别管线钢生产中的技术系统集成

高级别管线钢生产中的技术系统集成

高质量的管道钢不仅需要很高的强度，而且还需要良好的耐腐蚀性、抗疲劳性、低温适应性、焊接性能、抗氢断裂和耐b2s的抗污染性。因此，级管道钢对工艺的要求比较严格。技术难点主要集中在四个方面：杂质元素的含量控制、混合材料的控制、窄带的控制和铸造材料的质量控制。1单元素盐控制高纯净度是高级别管线钢最基本的特征.1.1转炉冶炼是提高收放硫控制水平的重要工序管线钢中的硫对其韧性、抗氢致裂纹和抗H2S腐蚀能力有显著影响.X70以上级别的管线钢均对钢中硫严格控制,一般要求小于30×10-6,部分钢厂小于20×10-6.对抗氢致裂纹和抗H2S腐蚀能力等有特殊要求的管线钢甚至要求小于10×10-6.但应注意管线钢中硫的控制应该根据管线的用途和客户的要求控制,生产中不应盲目追求超低硫控制.因为在钢中硫含量小于30×10-6后,进一步降低硫含量会使生产成本和精炼时间显著上升,同时过分追求超低硫还会导致钢中氮含量、甚至氧含量的上升.管线钢硫的控制关键主要在铁水预处理、转炉冶炼、LF精炼三个环节.向铁水包喷吹颗粒镁或Ca-Mg复合粉剂的喷吹法、添加合成渣进行搅拌的KR法脱硫均可将铁水中的硫降至较低值,一般可降至5×10-6～10×10-6,都能满足高级别管线钢的要求.管线钢铁水预处理脱硫的关键是脱硫后必须彻底扒渣,否则铁水预处理脱硫的效果将受到较大影响,并给后续工序钢中硫控制带来较大难度.转炉冶炼管线钢生产终点硫含量显著高于入炉铁水的硫含量.因此,转炉冶炼高级别管线钢时转炉冶炼是增硫过程,关键是控制增硫量.该过程硫的增量主要与转炉用原料有关.为了控制转炉冶炼中增硫量,管线钢冶炼时需采用优质废钢和低硫造渣料,同时石灰质量对转炉冶炼控硫的效果影响也非常大,有的钢厂规定采用24小时内生产的石灰,以保证其活性.鉴于对硫控制的严格要求,LF精炼是管线钢生产的必备精炼工序.有关LF精炼深脱硫研究较多,许多研究进行了精炼渣优化研究,结论基本类似,即采用高碱度、低氧化性精炼渣,一般控制二元碱度R处于5～8,光学碱度处于0.82左右,FeO含量小于1.5%.这些研究对LF精炼渣的优化具有较强的指导意义.但LF深脱硫需对脱硫动力学进行深入研究,除了精炼渣的硫容量外,渣的流动性也应是精炼渣优化的重点研究内容.曼内斯曼指数MI(R/(%Al2O3)),是目前用于评价渣的流动性和吸附Al2O3夹杂物的能力及脱硫能力的一个可行参数.在国内A厂高级别管线钢生产中,本课题组通过将曼内斯曼指数MI控制在0.25～0.35之间,取得良好的脱硫效果(见表1).LF精炼深脱硫的另一个关键是温度控制.根据热力学可知,高温有利于脱硫.因此,高级别管线钢脱硫应充分利用LF精炼后期高温进行脱硫,此时应采用大气量搅拌钢液,促进钢渣的混合,促进脱硫动力学.LF脱硫能力比较强,冶炼高级别管线钢时脱硫率可达到70%～90%.钢厂可结合各自LF精炼的特点合理分配转炉控硫和LF脱硫的负担.如LF精炼脱硫率能达到80%,则转炉出钢时只需控制钢水中硫含量小于100×10-6即可;如LF脱硫能力较低,则须较强转炉冶炼终点硫含量控制;反之可适当调宽转炉冶炼过程的硫控制要求.图1是国内B厂采用LF-VD和LF-RH流程生产X70管线钢时各工序钢中硫含量的变化.近来少数钢厂在高级别管线钢LF精炼前采用扒渣重新造渣的工艺技术.虽然扒渣损失了一部分时间和温度,但将转炉出钢下渣导致的硫、磷和氧化铁含量高的渣排除,重新造渣具有快速造渣、快速脱硫、抑制钢液回磷等冶金效果.采取VD进行真空脱气生产管线钢的钢厂,在VD精炼阶段还可以进一步深脱硫.但由于VD精炼渣是以LF精炼渣为主进行了适当调整,渣组成改变不大,且由于LF较长时间精炼,渣钢间脱硫反应接近平衡,脱硫能力有限.对低硫管线钢,VD精炼阶段可降低钢中硫含量至10×10-6左右.因此,管线钢冶炼时可结合VD精炼的脱硫能力,合理安排转炉、LF精炼、VD精炼各工序控硫或脱硫负担.部分钢厂也在进行RH深脱硫研究并取得一定进展,这不仅可为超低硫高级别管线钢提供新的冶炼工艺方案,也可为减轻高级别管线钢生产中LF脱硫负担提供新的解决方案.1.2配合转炉双渣冶炼工艺,提高管线钢下渣控制水平磷是易偏析元素,显著增加钢的淬硬性,降低钢的低温冲击韧性,提高钢的脆性转变温度,恶化管线钢的焊接性能.X70及以上级别管线钢均希望将磷含量控制在100×10-6以内.与日本钢厂管线钢生产不同,国内管线钢生产中铁水预处理阶段主要是脱硫,没有脱磷功能,脱磷基本在转炉生产工序完成.热力学分析表明,高碱度、高氧化性渣及低冶炼温度有利于脱磷,因此转炉脱磷的关键技术之一是在转炉前期脱磷.通过前期转炉冶炼采用顶吹低氧流量、高枪位、底吹高流量搅拌的复合吹炼技术、后期控制转炉终点出钢温度的技术可以将转炉终点钢中磷含量控制在70×10-6～80×10-6.目前宝钢、鞍钢等钢厂已达到该控制水平,图2是B厂X70管线钢生产过程中磷含量的变化情况.对于铁水原料含磷量较高的钢厂,可通过转炉双渣冶炼工艺加强转炉脱磷.管线钢磷含量控制的另一个关键技术是出钢下渣控制技术.一般下渣控制水平较高的钢厂可使转炉下渣量控制在50mm左右,可显著降低出钢和其后精炼工序的钢水回磷,钢水回磷控制在20×10-6～30×10-6,从而保障管线钢成品中磷含量小于100×10-6.最近部分钢厂正在推广使用的远红外下渣检测技术,有利于转炉下渣控制水平的提高.下渣控制水平较低的钢厂也可采用留钢操作.另外,少数钢厂采用LF精炼前扒渣处理也可显著降低精炼过程钢水回磷量.1.3转炉—氢控制真空脱气是高级别管线钢必备工序.采用VD精炼一般可将钢中氢含量降至2×10-6以下,采用RH精炼可将钢中氢降至1.5×10-6以下.因此采用转炉—LF精炼—真空脱气(VD或RH)—连铸流程生产高级别管线钢时氢控制不是难点.然而,高级别管线钢在成分设计中逐渐采用低碳路线,碳含量控制较低,有少数钢厂采用转炉—RH—LF精炼—连铸流程生产高级别管线钢,该流程需在RH真空处理后LF精炼过程添加大量合金和造渣料,铸坯中氢含量可能会超标,此时应加强合金料及造渣料的烘烤,控制LF精炼过程增氢.1.4出钢和输运过程增氮氮会降低管线钢的塑性和韧性,还会产生时效作用;但氮与管线钢中Nb、V、Ti等元素形成氮化物或碳氮化物析出,可细化晶粒,起到析出强化作用,因此高级别管线钢中希望氮含量控制在40×10-6左右.管线钢为低硫铝镇静钢,在转炉出钢和LF精炼过程中很容易增氮,高级别管线钢生产中氮含量控制存在一定难度.氮的控制关键技术主要集中在5个方面:1)脱氧制度;2)出钢过程氮含量的控制;3)LF精炼过程增氮的控制;4)真空脱氮;5)保护浇铸.转炉出钢时脱氧剂种类和用量对出钢及其后镇静和输运过程中钢水增氮存在明显影响.采用强脱氧工艺后,表面活性元素氧对钢水增氮的抑制作用减弱,出钢及后续镇静和输运过程钢水增氮量较高.在国内某厂X70出钢过程取样研究发现该过程增氮量和镇静时间密切相关:镇静时间越长,增氮量越高(图3).控氮存在困难的钢厂,可适当调整转炉出钢时铝的加入量,以控制出钢过程增氮.出钢过程中钢流的形状、出钢时间也是影响钢液增氮的重要因素.生产中应加强转炉出钢口的维护,保证出钢时钢流完整,出钢时间不太长,出钢后期及时加入渣量覆盖钢液.LF精炼过程中氮控制的关键主要在造渣和精炼时间两方面.如能尽快造好发泡性能良好的保护渣,覆盖电弧,则可显著控制LF精炼过程增氮.同时,通过优化LF精炼工艺,达到快速升温和快速脱硫,则可显著缩短LF精炼时间,使LF精炼过程增氮得到较好控制.VD具有较强的脱氮能力;LF精炼后的RH精炼也可适当脱氮,但脱氮能力相对较弱;LF精炼前采用RH精炼时由于钢中氮含量相对较低,RH很难实现脱氮功能,但此生产流程可采用沸腾出钢工艺,出钢时钢中氧保持在较高水平(400×10-6),可显著抑制出钢过程增氮,有助于管线钢生产中的氮控制.通过采用开浇中间包充氩、加强中间包密封、增强长水口与钢包连接处的氩封、浸入式水口与中间包连接处的密封等保护浇铸技术可显著控制管线钢连铸过程的增氮,过程增氮量可控制在3×10-6以内.1.5高级别管线钢氧控制高级别管线钢为铝脱氧钢,钢中溶解氧很低,钢中T[O]可作为氧化物夹杂数量高低的一个评判指标.另一方面,管线钢洁净度较高,大型夹杂的数量相对较低,大型夹杂的氧在钢中T[O]的比例非常低.洁净度较高的管线钢板材中T[O]含量一般为10×10-6～20×10-6左右.大型夹杂物的含量小于2mg/10kg钢,大型夹杂物的氧含量在总氧的比例中不到2%,因此总氧的控制主要为显微夹杂的控制.氧的控制是一个系统工程,但高级别管线钢氧控制有自己的特点.首先高级别管线钢为低碳钢,转炉终点碳含量控制较低,钢水过氧化较为严重.因此,对于高级别管线钢转炉冶炼终点碳氧控制、温度控制、终点命中率的控制、精炼流程的选择(如是否采用RH脱碳精炼)、以及出钢时脱氧剂及其用量的选择对高级别管线钢最终氧含量控制具有显著影响.高级别管线钢冶炼的另一个特点是精炼环节较多,一般采用LF精炼和真空脱气精炼配套使用,精炼结束时钢水洁净度较高,钢中总氧较低.因此连铸时的主要任务不是进一步去除夹杂,而是如何防止钢水二次氧化及卷渣,钢水二次氧化控制不当可导致连铸过程显著增氧,如中间包采用高碱度覆盖剂,中间包开浇充氩,加强长水口和浸入式水口与上游冶金容器连接处的密封等.近年来,炉外精炼技术及连铸技术发展迅速,各管线钢生产钢厂氧控制水平显著提高(见表2),已能将管线钢中氧控制在10×10-6左右.2高级别管线钢残余物变性标准管线钢夹杂物控制主要集中在显微夹杂含量控制、夹杂物变性控制、大型夹杂物控制三个方面.显微夹杂物含量控制和氧及硫控制密切相关,关键控制技术与氧、硫控制相同.管线钢一般采用钢水喂钙的方式进行夹杂物变性处理,合理的喂钙量、喂钙速度及喂钙地点是夹杂物变性处理的关键.一些钢厂和文献采用钢中Ca含量、钢中钙含量与酸溶铝含量的比值([%Ca]Tot/[%Al]s)、钢中钙含量与总氧含量的比值([%Ca]Tot/T[O])、原子浓度比ACR和钢中钙含量与硫含量的比值[%Ca]Tot/[%S]作为钙处理效果的评判标准,本研究发现钢水喂钙后钢中钙含量和夹杂物随生产过程进行而不断变化,加上钢水[%Ca]Tot、T[O]取样分析困难、精度较低等原因,采用这些参量作为高级别管线钢夹杂物变性评判和工艺优化标准存在缺陷.本研究推荐高级别管线钢钙处理夹杂物变性按下列标准进行:(a)铸坯中心部位或轧后板带中心部位不存在单纯的MnS夹杂;(b)中间包和结晶器中夹杂的CaO和Al2O3组成的分子比nCaO/nAl2O3与12CaO·7Al2O3相近;(c)钙处理后夹杂的nCaO/nAl2O3稍高于12CaO·7Al2O3;(d)钙处理应在最后精炼工序的后期进行,应尽力防止钢水二次氧化.鞍钢根据该控制标准对X70管线钢钙处理工艺进行了优化,取得了良好效果.管线钢钙处理的另一个关键是钙处理前尽量将钢中氧和硫降至最低值,同时加强钙处理后钢水二次氧化的控制.大型夹杂物来源主要为卷渣和钢水二次氧化.非稳态浇铸期钢质量控制技术及生产管理水平是大型夹杂物控制的关键.高级别管线钢的头坯切除长度必须仔细取样分析研究.本课题组在B厂生产的X70管线钢头坯不同位置取样,分析表明该厂头坯前1.8m大型夹杂含量较高,切除长度应由原来的1.5m改为1.8m(见表3).连浇炉次换钢包期间中间包钢水液面的波动控制、长水口对钢液的保护、引流砂的质量以及合理填充等均会对钢液中大型夹杂物数量产生显著影响.尤其是国内钢厂生产中过渡坯一般不降级或淘汰,过渡坯质量其实就是各钢厂管线钢质量高低的标志,非稳态浇铸期铸坯质量的控制显得非常重要.为了控制卷渣,高级别管线钢的拉速需严格控制:一方面要结合生产节奏尽量将拉速控制在稍低的水平,以抑制结晶器内钢水的表面流速和液面波动;另一方面需控制拉速波动,以抑制结晶器卷渣.3碳含量波动范围小,碳含量波动范围小高级别管线钢强韧性等性能指标要求非常严格.各级别管线钢的成分均是在严格的组织设计基础上、通过反复的冶炼、轧制试验优化制定的,综合平衡了管线钢各种性能之间的匹配、成分和组织之间的相互关系、冶金和轧制工艺的优化、以及成本控制的要求,各组元浓度的波动范围都限制得很窄,要求实现窄成分控制.管线钢成分控制的一个难点是碳的控制.高级别管线钢一般采取低碳路线,碳含量波动范围要求很窄,如X80管线钢常要求碳控制在0.03%～0.05%.但高级别管线钢合金添加量较多,加上LF精炼增碳,因此碳含量控制难度较大.如采用LF-真空脱气流程生产,则需综合优化转炉终点碳控制、合金碳控制、LF增碳控制、钢包增碳控制、以及连铸过程增碳控制;如采用RH-LF流程生产,可利用RH精炼脱碳,适当调高转炉终点碳,但RH精炼结束碳控制需与后续精炼工序碳含量控制相配合,以保证管线钢成品碳含量的稳定控制.4连铸工艺缺陷的解决管线钢铸坯的表面质量包括表面及皮下夹杂、表面气孔及皮下气泡、表面裂纹控制等方面.由于结晶器卷渣,以及结晶器中凝固坯壳生长较快对钢中大型夹杂捕捉机会较高,铸坯表面和皮下大型夹杂数量较多,这些夹杂对管线的危害较大,需要严格控制.尽管部分钢厂对管线钢的头坯采用火焰清理,以及轧钢加热过程中铸坯表面的氧化脱落在一定程度上可减缓表面夹杂对管线钢的危害,但铸坯皮下大型夹杂的危害仍然无法消除,解决该问题的关键仍然是加强连铸过程中大型夹杂的控制.部分铸坯的表面气孔会在铸坯修磨处理过程及轧钢加热过程中消除,部分皮下气泡会在轧制中被压合,但未被消除的气泡、加热过程中暴露的气泡,以及没有完全压合的气泡会对管线钢产生较大危害.管线钢铸坯的表面气泡及皮下气泡主要与连铸吹氩及结晶器卷渣有关.管线钢中Nb、V、Ti、Al等元素含量较高,凝固过程中常在奥氏体晶界析出碳化物、氮化物及碳氮化合物,使晶界脆化,容易产生边部横裂纹和边裂.该类缺陷的控制解决需综合应用