趙成林，廖相巍，張寧，朱曉雷

（鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧鞍山114009）

提高管線鋼潔凈度的工藝技術研究

趙成林，廖相巍，張寧，朱曉雷

（鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧鞍山114009）

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

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程，會對最終鋼材的性能，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)生及去除機理，對于潔凈鋼生產(chǎn)具有重要意義［1-3］。隨著客戶對產(chǎn)品質(zhì)量要求的不斷提高，對鋼水潔凈度的要求也越來越高，這就對煉鋼過程的工藝控制提出較高要求。本文對不同工藝路線對管線鋼潔凈度的控制水平進行研究，為高潔凈度管線鋼的生產(chǎn)提供技術依據(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定標準評級圖顯微檢測法”（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系兩個系列。管線鋼典型夾雜物掃描電鏡的檢測結果見圖1所示。

從檢測結果可以看出，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［4］中介紹了管線鋼夾雜物的形成機理，管線鋼要求在LF工藝利用高堿度爐渣對鋼水進行深脫硫處理，鋼水中的溶解［Al］會與渣中（CaO）發(fā)生如下反應：

反應產(chǎn)生的［Ca］與鋼水中的Al2O3夾雜物反應生成CaO-Al2O3復合夾雜物。喂線后，喂入的［Ca］可以與鋼水中的CaO-Al2O3復合夾雜物進一步反應，同時還會生成一部分CaS，具體如下：

不同CaO/Al2O3比例的夾雜物其熔點不同，見表1所示。低熔點CaO-Al2O3系夾雜物在軋制時沿軋制方向發(fā)生較大變形，軋后產(chǎn)生B類和C類夾雜物。高熔點CaO-Al2O3系夾雜物或夾雜物中含有高熔點CaS時，在軋制過程變形能力較差，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程密切相關，因此對于不同的生產(chǎn)工藝路線，主要分析鋼液脫氧及鈣處理過程對鋼液潔凈度的影響。

2.1轉爐-RH-LF-鈣處理-連鑄工藝

本工藝控制夾雜物的基本思路為：轉爐出鋼后鋼水溶解氧含量為0.03％～0.05％，在RH精煉過程完成鋼液的脫氧，利用RH自然脫碳過程將溶解氧控制在0.01％～0.02％后，再加入金屬鋁對鋼水進行終脫氧，脫氧產(chǎn)物可以在RH循環(huán)過程得到去除。在LF深脫硫和鈣處理過程產(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程得到去除。

在鋼水靜置過程，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)過一段時間的弱吹氬攪拌，對不同吹氬時間對鋼水潔凈度的影響進行研究。選擇6罐鋼水進行試驗，前三罐吹氬時間為3～5 min，后三罐吹氬時間為8～10 min，其它工藝參數(shù)不變，對軋后鋼板進行夾雜物評級，評級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個評級試樣，評級結果見表2。

表2　夾雜物評級結果

從表2中可以看出，將鈣處理后的鋼水弱吹氬時間從3～5 min增加至8～10 min，D類夾雜由1.0級（占80％）提升至0.5級（占83％），Ds類夾雜由1.0級（占73％）提升至0級和0.5級（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，本工藝可以實現(xiàn)A、B、C類夾雜小于0.5級的目標。

2.2轉爐-LF-鈣處理-RH-連鑄工藝

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

煉鋼過程夾雜物的長大以碰撞聚合為主，一般包括三種方式：布朗運動碰撞、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圖3［6］。

一般認為，湍流碰撞對夾雜物的長大和去除最有利，而相比于鋼包吹氬等凈化鋼液的方式，RH過程攪拌強度更大，去除夾雜物的能力更強。

對本工藝生產(chǎn)的5罐X65管線鋼進行軋后鋼板夾雜物評級，每罐鋼水取10個評級試樣，結果發(fā)現(xiàn)，本工藝對夾雜物控制的穩(wěn)定性較差，主要體現(xiàn)在評級結果波動范圍較大，同時大尺寸夾雜比例增加。以Ds類夾雜為例，評級結果見表3。

表3　Ds類夾雜評級結果個

分析認為，RH真空處理過程中會有一部分鈣流失，導致夾雜物中CaO的質(zhì)量分數(shù)降低，Al2O3質(zhì)量分數(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，RH真空循環(huán)處理特別有利于夾雜物之間的碰撞長大，鋼液中會殘留大顆粒夾雜。在此基礎上，優(yōu)化生產(chǎn)工藝，即鋼液在RH真空循環(huán)后再進行鈣處理，此時夾雜物的控制策略為：利用RH凈化鋼水能力強的優(yōu)勢，將LF深脫硫過程中產(chǎn)生的夾雜物（尤其是大尺寸夾雜）大量去除，對未能去除的夾雜進行喂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，可以實現(xiàn)A、B、C類夾雜0級、D類夾雜1.0級、Ds類夾雜多數(shù)0級、少量0.5級的控制效果。

3　結論

（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深脫硫過程和鈣處理后產(chǎn)生。

（2）不同CaO/Al2O3比例的夾雜物熔點不同，導致軋制過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“轉爐-RH-LF-鈣處理-連鑄工藝”，將鈣處理后的鋼水弱吹氬時間從3～5 min增加至8～10 min，D類夾雜由1.0級提升至0.5級，Ds類夾雜由1.0級提升至0級和0.5級，鋼水潔凈度得到較大改善。

（4）“轉爐-LF-鈣處理-RH-連鑄工藝”對夾雜物控制的穩(wěn)定性較差，主要體現(xiàn)在夾雜物評級結果波動范圍較大，同時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，可以實現(xiàn)A、B、C類夾雜0級、D類夾雜1.0級、Ds類夾雜多數(shù)0級、少量0.5級的控制效果。

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

［2］李強，王新華，黃福祥，等.X80管線鋼LF-RH二次精煉過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，等.X80管線鋼板中條串狀CaO-Al2O3系非金屬夾雜物的控制［J］.金屬學報，2013，49（5）：553-561.

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

［6］張邦文.冶金熔體中夾雜物一般動力學的理論研究及其應用［D］.上海：上海大學，2003.

［7］郝鑫，王新華，王萬軍.中厚板鋼精煉過程夾雜物的轉變［J］.鋼鐵，2015，50（3）：54-58.

（編輯許營）

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