112不同工艺流程的X80管线钢连铸坯纯净度研究9-27

不同工艺流程的X80管线钢连铸坯纯净度研究岳峰包燕平崔衡李朋欢北京科技大学冶金与生态工程学院摘要：X80管线钢由于较高的强度和冲击韧性，要求冶炼的钢水有较高纯净度，同时控制夹杂物的形态。本文对采用LF-VD、LF-RH和RH-LF三种工艺流程生产的连铸坯纯净度和夹杂物的行为进行了试验研究，试验结果表明三种工艺流程铸坯的氧、氮均有较高的水平，显微夹杂主要是小于5μm的CaO-CaS-Al2O3和CaO-Al2O3的球形夹杂，铸坯里大颗粒夹杂物含量较低，主要是结晶器卷渣造成的。三种工艺流程均可生产出满足X80管线钢纯净度要求的铸坯。关键词：X80管线钢连铸坯纯净度随着国民经济的发展，油气输送管道在近40年的到了很大发展，世界油气管道以每年2×104～3×104Km的速度增加。近些年来，我国管线钢生产发展很快，特别是西气东输二线工程及跨国油气管道的建设需要大批量X80管线钢[1，2]，因而如何提高管线钢质量的稳定性和整体质量水平是我国管线钢生产亟待解决的问题。X80管线用钢由于高强、高韧的性能要求，特别韧性是管线钢的重要性能之一，而钢中夹杂物对管线钢的韧性具有严重的危害性[3]，因此，研究连铸坯的纯净度和控制是提高韧性的有效手段。，1、theprocessortheX80pipesteelproductionX80管线钢的主要生产流程见图1所示，其流程的选择根据各厂的具体设备和成分的控制水平，而采用不同的工艺流程。工艺流程1工艺流程2工艺流程3铁水预处理复吹转炉LF炉VD炉Ca处理CC铁水预处理复吹转炉LF炉RH炉Ca处理CC铁水预处理复吹转炉RH炉LF炉Ca处理CC图1X80管线钢三种主要的生产流程X80管线钢要求低碳、超低磷、超低硫、低氧同时控制钢中的氮、氢和夹杂物的形态，因而不同的工艺流程具有不同的工艺控制重点，必须根据流程的特点加以控制。工艺流程1和2由于真空设备处理前钢水中的氧含量较低，转炉是唯一的脱碳设备，因而要求转炉终点较低的碳含量，同时控制后续工序的增碳。但是转炉由于用低温出钢和转炉渣较高的氧化性，从而具有较高脱磷率，RH（VD）在后边工序具有较高的脱氢和脱氮去除夹杂物的能力，同时具有由于真空搅拌强度大，可以促使脱硫反应的进一步进行，其特点是碳的控制难度较大，铸坯纯净度和有害元素的控制能力强，并且稳定性较高。工艺流程3由于采用沸腾出钢，RH具有轻脱碳的能力，转炉终点碳含量的控制自由度相对较大，但是出钢温度较高；LF进行深脱硫、补偿RH轻处理所带来的温度损失，钙处理在LF后进行，其特点是硫、磷的控制难度较大，在其夹杂物控制的稳定性较差。2、研究方法2.1取样方案和加工针对LF-VD、LF-RH和RH-LF的每一个工艺流程，在正常生产时，在浇注中期截取长度为120mm的铸坯样。然后在铸坯宽度的1/4处分别切取50mm×板厚×50mm大样电解样和20mm×板厚×50mm试样，然后小样采用线切割分别加工成20mm×20mm×20mm金相试样和Ф5×25mm氧、氮分析样；2.2显微夹杂物分析金相试样用640倍JENAVERT显微镜观察显微夹杂物的数量及尺寸分布，每个试样观察100个视场，然后根据如下公式计算显微夹杂物数量：4/d2DBNnIii（1）式中：I－位面积上相当于当量直径B的夹杂的个数，个/mm2；B－当量直径，本计算中B=7.5m；di－同级别夹杂的平均直径；ni－不同级别夹杂物个数；D－显微镜的视场直径，倍数为640倍时，D=300m；N－试样观察视场数，本试验为100个。使用扫描电镜JSM－6480LV，对典型显微夹杂物的形貌、尺寸进行观察并拍照（分辨率：3.0nm，放大倍数×5－×3000000），然后用电子探针（EDAX）对夹杂物成分定量分析。2.3氧、氮含量分析采用红外吸收法分析试样中T[O]，热导法测T[N]。2.4大样电解分析对大样电解试样电解分离大颗粒夹杂物，对取得的大颗粒夹杂物进行淘洗、还原、粒度分级和、称重，然后采用SEM及EDS进行电子探针定量分析，确定夹杂物的类型及其成分。3、试验结果及分析3.1铸坯中的氧含量钢中总氧是自由氧（溶解氧）和与非金属夹杂物的结合氧之和。自由氧采用Al为终脱氧剂，其自由氧变化不大（在1600℃铝镇静钢时3～5ppm），因而总氧就可以用来间接衡量钢中细小的氧化物夹杂含量水平。表3.3三种工艺铸坯中氧含量(10-6)LF-VDLF-RHRH-LF熔炼号O熔炼号O熔炼号O7600440102-293895D7611257600441132-2939106D689714750254082-294186D6898207502541101-1756126D689019平均10.2平均9.7平均19.5LF-VDLF-RHRH-LF05101520T[O]/10-6工艺流程图2三种成品钢中氧含量对比由表1和图2可以看出，在LF-VD、LF-RH和RH-LF工艺条件下，铸坯中的T[O]平均值分别为10.2×10-4%、9.7×10-4%和19.5×10-4%，各工艺流程的铸坯均具有较高的清洁度水平。在各工艺流程中为降低铝镇静钢钢中的全氧含量，其转炉均采用付枪控制提高终点控制水平，确定合理的终点碳含量，采取强化底吹搅拌，降低转炉终点的碳氧积。为促进脱氧夹杂物的上浮，在控制转炉下渣量的同时钢包顶渣采用CaO-Al2O3渣系，并适当提高二元碱度，降低FeO+MnO含量，控制钢包渣的CaO/Al2O3=1.6-1.8附近，促进钢包渣对夹杂物的吸附；在精炼结束后通过喂钙线对氧化物变性，形成液态的夹杂物，延长氩气软吹和镇静的时间，促进夹杂物的上浮；连铸工艺主要是防止污染和进一步的净化，为此采用大容量中间包、全程吹氩保护浇注、高碱度中包覆盖剂，促进夹杂物的进一步降低，提高钢水纯净度。RH-LF较LF-VD（RH）工艺流程的铸坯全氧含量，主要由于在LF-VD（RH）由于钢包渣改质早，同时由于真空处理时的大强度的搅拌，促进夹杂物的长大和上浮，在后续的软吹和镇静过程中促使夹杂物的进一步上浮，而RH-LF工艺由于在RH处理后进行钢水的脱氧，其夹杂物的上浮时间较LF-VD（RH）工艺短，因而造成其铸坯的全氧含量偏高，为进一步降低RH-LF工序的全氧含量，必须延长其软吹时间控制，同时增加镇静时间。3.2铸坯中的氮含量表3.3三种工艺铸坯中氮含量(10-4%)LF-VDLF-RHRH-LF熔炼号N熔炼号N熔炼号N7600440432-2938365D7611347600441342-2939376D6897327502540492-2941426D6898307502541361-1756446D689036平均40.5平均39.7平均33.0LF-VDLF-RHRH-LF0510152025303540N/10-6工艺流程图3三种工艺成品钢氮含量对比从表2和图3中可以看出，三种工艺流程铸坯的氮控制30-40×10-4%之间，满足X80管线钢要求氮小于50×10-4%的要求。LF-VD（RH）工艺中为控制出钢过程中增氮，均采用了二次脱氧的工艺，在出钢过程中进行微脱氧并进行钢包渣改质，在吹Ar站喂铝线脱氧，减轻了由于脱氧良好的钢液，钢中的氧含量较低，利于氮的扩散的问题，从而减轻空气中氮原子进入钢液的量。在LF炉均采用大渣量操作，在提高脱硫效果的同时，避免了LF炉大幅度的增氮，同时提高连铸的保护浇注。RH-LF工艺，由于采用沸腾出钢，氧含量较高，所以在出钢过程钢液从空气吸入氮原子的机会很小，其平均增氮量在6×10-4%使该工艺流程生产的铸坯较LF-VD（RH）工艺的氮含量降低。3.4.2铸坯中夹杂物的成分和形貌由于均采用钙处理，三种工艺流程铸坯的夹杂物的成分和形貌基本一样。其铸坯上显微夹杂物的主要成分是CaO-CaS-Al2O3和CaO-Al2O3，形貌是小于5μm的球形夹杂，由于均采用深度钙处理，钢水中的Al2O3夹杂物变化较为完全，生成钙铝酸盐，同时钢水中的硫的质量分数控制在0.003%以下，因而出现一定量的CaO-CaS-Al2O3夹杂物，由于在钢水中氧含量和硫含量均比较低时，采用钙处理技术，获得较高的Ca/Al和Ca/S，可以对夹杂物进行较为完全的变性，钢中残余硫就会以硫化钙质点的形式相对弥散地分布在钢中，减弱甚至消除了钢水凝固过程中硫的偏析现象，从而提高产品的质量。同时发现含有少量的Mg等元素钙铝酸盐，其尺寸在10-20μm左右，可能是耐材脱落的产生的。ABCCaO-CaS-Al2O3CaO-Al2O3含Mg等元素的钙铝酸盐图4铸坯中典型的非金属夹杂物的形貌3.4.3钢中显微夹杂物的数量由公式（1）计算出来的三两种不同工艺下X70铸坯中显微夹杂物数量I（个/mm2）如图5所示。LF-VDLF-RHRH-LF0.00.51.01.52.02.5夹杂物数量/个.mm-2工艺流程图5三种不同工艺下铸坯中显微夹杂物数量由图5可见，三种不同工艺下铸坯中显微夹杂物数量I（个/mm2）相差不大：LF-VD工艺条件下，铸坯中显微夹杂物数量I的平均值为2.40个/mm2；LF-RH工艺条件下，铸坯中显微夹杂物数量I的平均值为2.48个/mm2；RH-LF工艺条件下，铸坯中显微夹杂物数量I的平均值为2.62个/mm2。3.4.4大样电解夹杂物的数量大颗粒夹杂物的含量见表3，其典型形貌如图6。表3铸坯上大颗粒夹杂物的含量mg/10kgLF-VDLF-RHRH-LF熔炼号熔炼号N熔炼号N76004401.112-29380.585D76111.9476004411.052-293906D68972.575025400.762-29418.486D68983.8875025419.811-17560.436D68900平均3.18平均2.37平均2.08在LF-VD、LF-RH和RH-LF工艺条件下，X80铸坯中大颗粒夹杂物的含量平均值分别为3.18mg/10kg、2.37mg/10kg和2.08mg/10kg，铸坯大颗粒夹杂物的含量的平均水平较低，但是铸坯中大颗粒夹杂物的含量较为不稳定。三种工艺流程下铸坯大型夹杂物成分主要是含Na、K的SiO2-CaO-Al2O3-MgO球形夹杂，典型形貌如图如图6a、b所示，其大小在100-400μm左右，因而三种工艺下的大颗粒夹杂物主要是连铸结晶器卷渣造成的，因而优化结晶器流场，特别是稳定拉坯速度和结晶器液面是进一步降低和稳定大颗粒夹杂物含量的重要措施。少量的含有Mg、Al等元素的夹杂物，典型形貌如图6c，此类夹杂物形状不规则，尺寸以140μm－300μm之间为主，可能是钢包或中间包内衬脱落物。abc含Na、K的SiO2-CaO-Al2O3-MgO夹杂物有Mg、Al等元素的夹杂物图6铸坯中大颗粒夹杂物的典型形貌4、结论1）采用LF-VD、LF-RH和RH-LF三种工艺流程均可生产出满足X80管线钢纯净度要求的铸坯。2)LF-VD、LF-RH和RH-LF三种工艺流程铸坯中的T[O]平均值分别为10.2×10-4%、9.7×10-4%和19.5×10-4%，显微夹杂物数量平均值为2.40个/mm2、2.48个/mm2和2.62个/mm2，均有高的纯净度；LF-VD（RH）由于前期真空处理时的大强度的搅拌，促进夹杂物的长大，具有较高的纯净度。3）由于均采用钙处理，三种工艺流程铸坯的夹杂物的成分和形貌基本一样。其铸坯上显微夹杂物的主要成分是CaO-CaS-Al2O3、CaO-Al2O3和含有少量的Mg等元素钙铝酸盐。4）铸坯中大颗粒夹杂物的平均含量较低，但是不稳定，除少量耐材脱落含有Mg、Al等元素产生的夹杂物外，主要是含Na、K元素大小100-400μm左右的SiO2-CaO-Al2O3-MgO球形夹杂物，是由于连铸结晶器的卷渣造成的，因而优化结晶器的流场，稳定拉坯速度和结晶器液面是解决铸坯中大颗粒夹杂物的有效方法。参考文献[1]庄传品，冯耀荣，霍春勇等．国内X80级管线钢的发展及今后的研究方向．焊管[J]，2005，28(2),10-14．[2]薛小怀