LF-VD 與LF-RH 工藝生產(chǎn)管線鋼潔凈度的對比研究

詹美珠，李向奎，王勝東

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北 唐山 063200）

隨著管線鋼在長輸油氣管道中的正式應(yīng)用，對鋼材的止裂韌性、焊接性、抗腐蝕性提出更高要求，因此必須嚴(yán)格控制管線鋼中非金屬夾雜[1-5]。鋼中的非金屬夾雜物主要是指鋼中的硫化物、硅酸鹽、鋁酸鹽和氮化物等。這些化合物通常不具有金屬性質(zhì)，摻雜在鋼組織中，雖然數(shù)量較少，但對鋼的性能影響較大，其所產(chǎn)生的影響往往是負(fù)面的。Kushida 等人的[6-8]研究表明，鋼板中鋁酸鹽夾雜物易引發(fā)氫致裂紋。還有研究表明[9-11]，夾雜物對鋼強(qiáng)度影響很小，但對疲勞性能、沖擊韌性和塑性影響很大，其影響程度與夾雜物的類型、大小、數(shù)量、形態(tài)和分布有關(guān)，因此嚴(yán)格控制夾雜物的類型、大小、數(shù)量、形態(tài)和分布及提高鋼的純凈度是許多研究者重點關(guān)注的問題[12-16]。

非金屬夾雜物主要起源于鋼的脫氧過程，會對最終鋼材的性能（如鋼的塑形、韌性和疲勞性能）產(chǎn)生一定影響，研究夾雜物控制對于管線鋼生產(chǎn)具有重要意義[17-21]。京唐公司在生產(chǎn)管線鋼等對鋼水潔凈度要求較高的鋼種時，由于裝備及生產(chǎn)組織的不盡相同，產(chǎn)生了兩種LF+VD 以及LF+RH 兩種精煉工藝路線。本文通過ASPEX 自動掃描電鏡等對兩種工藝生產(chǎn)出的管線鋼夾雜物控制水平進(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 試驗方法

1.1 工藝路線

以LF+VD 及LF+RH 兩種精煉工藝路線生產(chǎn)的管線鋼為研究對象，管線鋼生產(chǎn)所采用的具體工藝路線如下：

工藝一：200 t 鐵水KR 預(yù)處理—200 t 轉(zhuǎn)爐常規(guī)冶煉—200 t LF 精煉—200 t VD 真空脫氣處理—純鈣線喂絲處理—200 mm/300 mm/400 mm×（1 600～2 400）mm 大板坯連鑄機(jī)—3 500 mm/4 300 mm 寬厚板軋機(jī)。轉(zhuǎn)爐出鋼w（C）＜0.05%，出鋼過程采用鋼砂鋁、硅鐵、錳鐵進(jìn)行脫氧合金化。通過LF 鋼包精煉進(jìn)行鋼水深脫硫，處理后保證鋼水w（S）＜0.003%，完成鋼水的主要成分調(diào)整，在VD 真空精煉工序進(jìn)行真空脫氣處理，深真空時間保證大于18 min，并微調(diào)成分至內(nèi)控范圍內(nèi)，利用純鈣線進(jìn)行鈣處理，喂線后鋼水軟吹時間大于12 min 后，上回轉(zhuǎn)臺澆鑄。

工藝二：300 t 鐵水KR 預(yù)處理—300 t 轉(zhuǎn)爐常規(guī)冶煉—300 tLF 精煉—300 t RH 真空脫氣處理—純鈣線喂絲處理—237 mm×（1 100～2 150）mm 大板坯連鑄機(jī)—2250 熱連軋機(jī)。轉(zhuǎn)爐出鋼w（C）＜0.05%，出鋼過程采用鋼砂鋁、硅鐵、錳鐵進(jìn)行脫氧合金化。由LF 鋼包精煉工序進(jìn)行鋼水深脫硫，處理后保證鋼水w（S）＜0.002%，完成鋼水的主要成分調(diào)整，在RH 真空精煉工序進(jìn)行真空脫氣處理，深真空時間保證大于18 min，并微調(diào)成分至內(nèi)控范圍內(nèi)，利用純鈣線進(jìn)行鈣處理，喂線后鋼水軟吹時間大于12 min 后，上回轉(zhuǎn)臺澆鑄。

兩個工藝路線情況如表1 所示。

表1 工藝路線

1.2 取樣、檢測方法

在軋制后鋼板進(jìn)行取樣，采用ASPEX 自動掃描電鏡對試樣中5 μm 以上的夾雜物進(jìn)行檢測，對鋼板夾雜物進(jìn)行評級，利用掃描電鏡對連鑄坯和鋼板中典型夾雜物進(jìn)行定性分析。兩個工藝的試樣情況如表2、表3 所示。

表2 工藝一試樣情況

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 檢測結(jié)果

夾雜物檢測結(jié)果具體情況如表4、表5 所示。由表4、表5 可以看出，工藝一夾雜物數(shù)量密度與工藝二相比波動較小。為了衡量工藝一純凈度水平，采用了工藝二生產(chǎn)的X80 純凈度水平作為標(biāo)準(zhǔn)來對比評價夾雜物控制情況，具體對比情況如表6 所示。從檢測試樣的夾雜物數(shù)量密度來看，工藝一夾雜物數(shù)量密度平均值為2.12 個/mm2，工藝二夾雜物數(shù)量密度平均值為2.43 個/mm2，二者水平相當(dāng)，工藝一略好。

表4 工藝一試樣純凈度Aspex 檢測結(jié)果

表5 工藝二試樣純凈度Aspex 檢測結(jié)果

表6 純凈度水平對比情況

圖1 為采用兩種工藝生產(chǎn)的管線鋼軋制鋼板夾雜物數(shù)量密度情況。從圖1 夾雜物數(shù)量密度看，工藝一夾雜物數(shù)量密度波動較小，爐次B 夾雜物數(shù)量密度較高（該爐金相初驗不合，復(fù)驗合格），最大值為2.53 個/mm2，存在大于100 μm 的大型夾雜物。

圖1 檢測試樣夾雜物數(shù)量密度

圖2 為采用工藝一所生產(chǎn)的5 爐管線鋼夾雜物尺寸分布情況，從圖中可以看出，采用工藝一所生產(chǎn)的管線鋼夾雜物尺寸主要集中在10μm 以下，大于25 μm 的夾雜物極少。工藝一中爐次B、爐次E 出現(xiàn)了大于50 μm 以上的較大夾雜物，形貌如下頁圖3所示，根據(jù)形貌以及能譜結(jié)果顯示，該大尺寸夾雜物為鈣鋁酸鹽類夾雜物。

圖2 檢測試樣夾雜物尺寸分布

圖3 大于25 μm 的夾雜物（鈣鋁酸鹽）

為了確定兩種工藝生產(chǎn)管線鋼夾雜物類別，利用ASPEX 自動掃描電鏡對樣品進(jìn)行分析，并繪制成三元相圖。工藝一各個試樣的夾雜物成分的三元投影圖如下頁圖4—圖8 所示，從圖中可以看出，夾雜物主要為CaO-Al2O3-CaS 等鈣鋁酸鹽夾雜物。

圖4 爐次A 夾雜組成三元圖

圖5 爐次B 夾雜組成三元圖

圖6 爐次C 夾雜組成三元圖

圖7 爐次D 夾雜組成三元圖

圖8 爐次E 夾雜組成三元圖

工藝二中X80 試樣的夾雜物成分三元投影圖見圖9—圖14，從圖中可以看出夾雜物以Al2O3夾雜物為主，含有少量的CaO、CaS。

圖9 爐次F 夾雜組成三元圖

圖10 爐次G 夾雜組成三元圖

圖11 爐次H 夾雜組成三元圖

圖12 爐次I 夾雜組成三元圖

圖13 爐次J 中間坯夾雜組成三元圖

圖14 爐次K 正常坯夾雜組成三元圖

2.2 關(guān)鍵過程參數(shù)控制情況

選取純凈度要求高的管線鋼，根據(jù)影響純凈度的關(guān)鍵過程參數(shù)控制合格率來對工藝一和工藝二進(jìn)行純凈度控制水平間接對比評價，工藝一選取某月生產(chǎn)的X65/X70/X80 管線鋼，工藝二選取某月中俄東線X80 管線鋼作為對比標(biāo)準(zhǔn)（該管線鋼經(jīng)過中俄東線工程應(yīng)用，質(zhì)量良好，夾雜檢驗以及鋼管探傷都合格）。各關(guān)鍵過程參數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)及合格率分別如表7—表12 所示。

表7 煉鋼工序參數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)

表8 精煉工序參數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)

表9 連鑄工序參數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)

表10 煉鋼工序參數(shù)控制合格率

表11 精煉工序參數(shù)控制合格率

表12 連鑄過程參數(shù)控制合格率

通過過程參數(shù)合格率對比情況來看，結(jié)果如下：

1）煉鋼—精煉—連鑄工序28 個影響純凈度關(guān)鍵過程參數(shù)中，工藝一比工藝二差的有8 個，持平的為9 個，比工藝二好的有8 個，其他3 個對比評價性不強(qiáng)（精煉軟吹流量因兩個工藝控制模式不同；連澆噸位及換包噸位受中包容量影響）。

2）工藝一比工藝二好的8 個指標(biāo)為到轉(zhuǎn)爐終點溫度、進(jìn)站w（Al）、進(jìn)站溫度、最小真空度、澆注過程增w（N）、中包鋁損、精煉Ca 線喂入量及結(jié)束w（Ca）。

3）工藝一比工藝二差的8 個指標(biāo)為終點w（O）、終渣w（TFe）、轉(zhuǎn)爐終點w（S）、LF 升溫次數(shù)、LF 爐終渣w（MnO+FeO）、精煉結(jié)束鋁比m（Als）/m（Alt）、中包鋁比m（Als）/m（Alt）、中包w（Ca），因此還需增加過程控制穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

1）從檢測試樣的夾雜物數(shù)量密度來看，工藝一夾雜物數(shù)量密度平均值為2.12 個/mm2，工藝二夾雜物數(shù)量密度平均值為2.43 個/mm2，二者水平相當(dāng)，工藝一略好。工藝一夾雜物數(shù)量密度波動較小，爐次B 夾雜物數(shù)量密度較高（該爐金相初驗不合，復(fù)驗合格），最大值為2.53 個/mm2，存在大于100 μ 的大型夾雜物。工藝二澆次頭爐爐次F 的頭坯夾雜物數(shù)量密度最高，達(dá)到3.99 個/mm2；其次為澆次第二爐爐次G，達(dá)到3.26 個/mm2。尾爐爐次J 的換包混澆中間坯夾雜物數(shù)量密度為2.69 個/mm2，明顯高于該爐次正常坯（0.83 個/mm2）。

2）從夾雜物尺寸分布看，主要為集中于10 μm以下的非常小的夾雜物，大于20 μm 的夾雜物極少，工藝一爐次B、爐次E 出現(xiàn)了大于25 μm 以上的較大夾雜物；從各個試樣的夾雜物成分三元投影圖可以看出，工藝一試樣中的夾雜物主要為CaO-Al2O3-CaS 等鈣鋁酸鹽夾雜物。

3）煉鋼—精煉—連鑄工序28 個影響純凈度關(guān)鍵過程參數(shù)中，工藝一比工藝二差的有8 個，持平的有9 個，好于工藝二的有8 個，其他3 個對比評價性不強(qiáng)（精煉軟吹流量因兩個工藝控制模式不同；連澆噸位及換包噸位受中包容量影響）。