提高管线钢洁净度的工艺技术研究

赵成林，廖相巍，张宁，朱晓雷

（鞍钢集团钢铁研究院，辽宁鞍山114009）

提高管线钢洁净度的工艺技术研究

赵成林，廖相巍，张宁，朱晓雷

（鞍钢集团钢铁研究院，辽宁鞍山114009）

利用金相显微镜、扫描电镜等对管线钢夹杂物的成分、形态及成因进行了分析，对管线钢不同生产工艺路线对钢质洁净度的影响进行了研究。结果表明，采用转炉-RH-LF-钙处理-连铸工艺，将钙处理后的钢水弱吹氩时间从3～5 min提升至8～10 min，D类夹杂由1.0级提高至0.5级，Ds类夹杂由1.0级提高至0级和0.5级；采用转炉-LF-RH-钙处理-连铸工艺，可以实现A、B、C类夹杂0级、D类夹杂1.0级、Ds类夹杂多数0级、少量0.5级的效果。

炼钢；管线钢；夹杂物

钢中非金属夹杂物主要起源于钢的脱氧过程，会对最终钢材的性能，如钢的塑性、韧性和疲劳性能产生一定影响，系统研究夹杂物的产生及去除机理，对于洁净钢生产具有重要意义［1-3］。随着客户对产品质量要求的不断提高，对钢水洁净度的要求也越来越高，这就对炼钢过程的工艺控制提出较高要求。本文对不同工艺路线对管线钢洁净度的控制水平进行研究，为高洁净度管线钢的生产提供技术依据。

1　管线钢夹杂物形态及成因分析

根据夹杂物的形态及分布，“钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检测法”（GB/T 10561-2005）中将夹杂物分为A、B、C、D和Ds五大类，每类夹杂物又根据夹杂物宽度的不同分为粗系和细系两个系列。管线钢典型夹杂物扫描电镜的检测结果见图1所示。

从检测结果可以看出，B、C、Ds类夹杂物主要是CaO-Al2O3系，D类夹杂主要成分为CaOAl2O3-CaS系。

文献［4］中介绍了管线钢夹杂物的形成机理，管线钢要求在LF工艺利用高碱度炉渣对钢水进行深脱硫处理，钢水中的溶解［Al］会与渣中（CaO）发生如下反应：

反应产生的［Ca］与钢水中的Al2O3夹杂物反应生成CaO-Al2O3复合夹杂物。喂线后，喂入的［Ca］可以与钢水中的CaO-Al2O3复合夹杂物进一步反应，同时还会生成一部分CaS，具体如下：

不同CaO/Al2O3比例的夹杂物其熔点不同，见表1所示。低熔点CaO-Al2O3系夹杂物在轧制时沿轧制方向发生较大变形，轧后产生B类和C类夹杂物。高熔点CaO-Al2O3系夹杂物或夹杂物中含有高熔点CaS时，在轧制过程变形能力较差，是D类和Ds类夹杂的产生原因［5］。

2　提高管线钢洁净度的工艺技术分析

从以上分析可知，CaO-Al2O3系夹杂物主要与钢液的脱氧及钙处理过程密切相关，因此对于不同的生产工艺路线，主要分析钢液脱氧及钙处理过程对钢液洁净度的影响。

2.1转炉-RH-LF-钙处理-连铸工艺

本工艺控制夹杂物的基本思路为：转炉出钢后钢水溶解氧含量为0.03％～0.05％，在RH精炼过程完成钢液的脱氧，利用RH自然脱碳过程将溶解氧控制在0.01％～0.02％后，再加入金属铝对钢水进行终脱氧，脱氧产物可以在RH循环过程得到去除。在LF深脱硫和钙处理过程产生的CaO-Al2O3系夹杂物在后续的钢水弱吹氩和钢水静置过程得到去除。

在钢水静置过程，夹杂物的上浮速度满足Stokes公式：

式中，ρm、ρp分别为钢液和夹杂物的密度，kg/m3；d为夹杂物直径，m；μ为钢液粘度，（N·s）/m2。

钢液中不同尺寸夹杂物的Stokes上浮速度见图2所示。

从图2中可以看出，夹杂物上浮速度较慢，因此，单纯的依靠钢水静置很难获得良好的夹杂物去除效果。

钢水喂SiCa线钙处理后要经过一段时间的弱吹氩搅拌，对不同吹氩时间对钢水洁净度的影响进行研究。选择6罐钢水进行试验，前三罐吹氩时间为3～5 min，后三罐吹氩时间为8～10 min，其它工艺参数不变，对轧后钢板进行夹杂物评级，评级试样取自轧后钢板宽度二分之一的头部位置，每罐钢水取10个评级试样，评级结果见表2。

表2　夹杂物评级结果

从表2中可以看出，将钙处理后的钢水弱吹氩时间从3～5 min增加至8～10 min，D类夹杂由1.0级（占80％）提升至0.5级（占83％），Ds类夹杂由1.0级（占73％）提升至0级和0.5级（占93％），钢水洁净度得到较大改善。

从其它类型夹杂的控制效果看，本工艺可以实现A、B、C类夹杂小于0.5级的目标。

2.2转炉-LF-钙处理-RH-连铸工艺

本工艺控制夹杂物的基本思路为：转炉出钢过程对钢水进行脱氧，此后在LF深脱硫和钙处理过程产生的CaO-Al2O3系夹杂物在后续的RH真空循环过程得到去除。

炼钢过程夹杂物的长大以碰撞聚合为主，一般包括三种方式：布朗运动碰撞、液体速度梯度碰撞（层流、湍流）以及Stokes碰撞，夹杂物碰撞示意图见图3［6］。

一般认为，湍流碰撞对夹杂物的长大和去除最有利，而相比于钢包吹氩等净化钢液的方式，RH过程搅拌强度更大，去除夹杂物的能力更强。

对本工艺生产的5罐X65管线钢进行轧后钢板夹杂物评级，每罐钢水取10个评级试样，结果发现，本工艺对夹杂物控制的稳定性较差，主要体现在评级结果波动范围较大，同时大尺寸夹杂比例增加。以Ds类夹杂为例，评级结果见表3。

表3　Ds类夹杂评级结果个

分析认为，RH真空处理过程中会有一部分钙流失，导致夹杂物中CaO的质量分数降低，Al2O3质量分数升高，降低了夹杂物变性处理的效果，使得夹杂物控制效果不稳定［7］。同时，RH真空循环处理特别有利于夹杂物之间的碰撞长大，钢液中会残留大颗粒夹杂。在此基础上，优化生产工艺，即钢液在RH真空循环后再进行钙处理，此时夹杂物的控制策略为：利用RH净化钢水能力强的优势，将LF深脱硫过程中产生的夹杂物（尤其是大尺寸夹杂）大量去除，对未能去除的夹杂进行喂SiCa线变性处理。优化工艺后，夹杂物控制效果稳定，钢液中大尺寸夹杂物数量明显降低，可以实现A、B、C类夹杂0级、D类夹杂1.0级、Ds类夹杂多数0级、少量0.5级的控制效果。

3　结论

（1）管线钢中B、C、Ds类夹杂物主要是CaOAl2O3系，D类夹杂主要成分为CaO-Al2O3-CaS系，主要在LF深脱硫过程和钙处理后产生。

（2）不同CaO/Al2O3比例的夹杂物熔点不同，导致轧制过程夹杂物变形能力不同，是钢板中不同形态夹杂物产生的原因。

（3）采用“转炉-RH-LF-钙处理-连铸工艺”，将钙处理后的钢水弱吹氩时间从3～5 min增加至8～10 min，D类夹杂由1.0级提升至0.5级，Ds类夹杂由1.0级提升至0级和0.5级，钢水洁净度得到较大改善。

（4）“转炉-LF-钙处理-RH-连铸工艺”对夹杂物控制的稳定性较差，主要体现在夹杂物评级结果波动范围较大，同时大尺寸夹杂比例增加。将RH工序提升至钙处理之前，夹杂物控制效果稳定，钢液中大尺寸夹杂物数量明显降低，可以实现A、B、C类夹杂0级、D类夹杂1.0级、Ds类夹杂多数0级、少量0.5级的控制效果。

［1］杨光维，初仁生，王新华，等.X70管线钢RH真空脱气过程夹杂物的去除行为［J］.钢铁，2014，49（1）：34-38.

［2］李强，王新华，黄福祥，等.X80管线钢LF-RH二次精炼过程夹杂物行为及控制［J］.特殊钢，2011，32（4）：26-30.

［3］蒋育翔，焦兴利.X80管线钢夹杂物控制工艺的研究［J］.特殊钢，2011，32（1）：36-39.

［4］王新华，李秀刚，李强，等.X80管线钢板中条串状CaO-Al2O3系非金属夹杂物的控制［J］.金属学报，2013，49（5）：553-561.

［5］龚坚，王庆祥.钢液钙处理的热力学分析［J］.炼钢，2003，19（3）：56-59.

［6］张邦文.冶金熔体中夹杂物一般动力学的理论研究及其应用［D］.上海：上海大学，2003.

［7］郝鑫，王新华，王万军.中厚板钢精炼过程夹杂物的转变［J］.钢铁，2015，50（3）：54-58.

（编辑许营）

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

赵成林，博士，高级工程师，2007年毕业于东北大学钢铁冶金专业。E-mail:zhao_chenglin@pom.com