D0I:10.13374/1.issnl00103.2009.s1.041 第31卷增刊1 北京科技大学学报 Vol.31 Suppl.1 2009年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dee.2009 高级别管线钢冶炼关键技术分析 刘建华崔衡包燕平 北京科技大学冶金工程研究院北京，100083 摘要根据本课题组在国内多家钢厂高级别管线钢方面的系统取样研究和工艺调研，综合分析了管线钢中硫、磷、氨、氧、 氢、夹杂物、窄成分冶炼以及铸坯质量控制的关键技术.管线钢生产中铁水预处理、转炉冶炼、精炼、连铸等炼钢过程的系统优 化，以及结合高级别管线钢各元素控制的特点和要求的针对性技术系统集成是管线钢杂质元素和夹杂物控制的两个重要方 面：采用新的夹杂物改性标准对高级别管线钢钙处理进行控制和加强非稳态浇铸期连铸工艺技术的改进是控制夹杂对管线 钢性能危害的关键：连铸工序的工艺优化和完善的设备管理，以及精炼工艺的配合实现无缺陷铸坯生产是高级别管线钢质量 稳定的重要保障 关键词管线钢：夹杂物：杂质：铸坯质量：精炼：连铸 Key technologies for high grade pipeline refining LIU Jian-hua,CUI Heng,BAO Yan-ping Engineering Research Institute,University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083,China ABSTRACI Key technologies for the control of sulphur.phosphorus,nitrogen,oxygen,hydrogen.inclusions.slab quality,and narrow composition refining are assembled on studies by systematic sampling,process,and technologies analyzing about high grade pipeline production in various Chinese steel groups.Systematical process optimization of hot metal pretreatment.converter refining. secondary refining and continuous casting,and the assemble of special controlling technologies for various components against their characterizations and requirements are two important aspects of impurity and inclusion controlling for high grade pipeline steel.The application of the new inclusion modification standard on calcium treatment,and the improvement of process and technologies for un- steady casting are keys for the control of inclusions harm on pipeline properties.While,the coordination of the optimized continuous casting process,perfect equipment management.and the appropriate refining process are keys for no defect slab production. KEY WORDS pipeline:inclusion:impurity:slab quality:refining:continuous casting 高级别管线钢不仅要求具有较高的强度，还需 腐蚀能力有显著影响).X70以上级别的管线钢均 具有良好的强韧性、抗疲劳性能、低温韧性、焊接性 对钢中硫严格控制，一般要求小于30×10一6，部分 能、较强的抗氢致裂纹和抗HS腐蚀能力).因 钢厂小于20×10-6.对抗氢致裂纹和抗H2S腐蚀 此高级别管线钢对冶炼工艺技术具有较苛刻的要 能力等有特殊要求的管线钢甚至要求小于10× 求，技术难点主要集中于杂质元素含量控制、夹杂物 10一5.但应注意管线钢中硫的控制应该根据管线的 控制、窄成分控制、铸坯质量控制4个方面， 用途和客户的要求控制，生产中不应盲目追求超低 1杂质元素控制 硫控制.因为在钢中硫含量小于30×10一6后，进一 步降低硫含量会使生产成本和精炼时间显著上升， 高纯净度是高级别管线钢最基本的特征， 同时过分追求超低硫还会导致钢中氮含量、甚至氧 1.1硫控制 含量的上升 管线钢中的硫对其韧性、抗氢致裂纹和抗HS 管线钢硫的控制关键主要在铁水预处理、转炉 收稿日期：2009-08-01 基金项目：国家“十一五”科技支撑计划资助项目(2006BAE03A06-一1) 作者简介：刘建华(l966一)，男.教授，E-mail:liujianhua@metall.ustb.edu~cm
高级别管线钢冶炼关键技术分析 刘建华 崔 衡 包燕平 北京科技大学冶金工程研究院 北京100083 摘 要 根据本课题组在国内多家钢厂高级别管线钢方面的系统取样研究和工艺调研综合分析了管线钢中硫、磷、氮、氧、 氢、夹杂物、窄成分冶炼以及铸坯质量控制的关键技术．管线钢生产中铁水预处理、转炉冶炼、精炼、连铸等炼钢过程的系统优 化以及结合高级别管线钢各元素控制的特点和要求的针对性技术系统集成是管线钢杂质元素和夹杂物控制的两个重要方 面；采用新的夹杂物改性标准对高级别管线钢钙处理进行控制和加强非稳态浇铸期连铸工艺技术的改进是控制夹杂对管线 钢性能危害的关键；连铸工序的工艺优化和完善的设备管理以及精炼工艺的配合实现无缺陷铸坯生产是高级别管线钢质量 稳定的重要保障． 关键词 管线钢；夹杂物；杂质；铸坯质量；精炼；连铸 Key technologies for high grade pipeline refining LIU Jian-huaCUI HengBA O Y an-ping Engineering Research InstituteUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China ABSTRACT Key technologies for the control of sulphurphosphorusnitrogenoxygenhydrogeninclusionsslab qualityand narrow composition refining are assembled on studies by systematic samplingprocessand technologies analyzing about high grade pipeline production in various Chinese steel groups．Systematical process optimization of hot metal pretreatmentconverter refining secondary refining and continuous castingand the assemble of special controlling technologies for various components against their characterizations and requirements are two important aspects of impurity and inclusion controlling for high grade pipeline steel．T he application of the new inclusion modification standard on calcium treatmentand the improvement of process and technologies for unsteady casting are keys for the control of inclusions’harm on pipeline properties．Whilethe coordination of the optimized continuous casting processperfect equipment managementand the appropriate refining process are keys for no defect slab production． KEY WORDS pipeline；inclusion；impurity；slab quality；refining；continuous casting 收稿日期：2009-08-01 基金项目：国家“十一五”科技支撑计划资助项目（2006BAE03A06－1） 作者简介：刘建华（1966－）男教授E-mail：liujianhua＠metall．ustb．edu．cn 高级别管线钢不仅要求具有较高的强度还需 具有良好的强韧性、抗疲劳性能、低温韧性、焊接性 能、较强的抗氢致裂纹和抗 H2S 腐蚀能力［1－2］．因 此高级别管线钢对冶炼工艺技术具有较苛刻的要 求技术难点主要集中于杂质元素含量控制、夹杂物 控制、窄成分控制、铸坯质量控制4个方面． 1 杂质元素控制 高纯净度是高级别管线钢最基本的特征． 1∙1 硫控制 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［2］．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 第31卷 增刊1 2009年 12月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．31Suppl．1 Dec．2009 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2009．s1．041
,2 北京科技大学学报 2009年增刊1 治炼、LF精炼三个环节 以保证其活性 向铁水包喷吹颗粒镁或Ca一Mg复合粉剂的喷 鉴于对硫控制的严格要求，LF精炼是管线钢生 吹法、添加合成渣进行搅拌的KR法脱硫均可将铁 产的必备精炼工序.，有关LF精炼深脱硫研究较多， 水中的硫降至较低值，一般可降至5×10一6~10× 许多研究进行了精炼渣优化研究]，结论基本类 10-6,都能满足高级别管线钢的要求.管线钢铁水 似，即采用高碱度、低氧化性精炼渣，一般控制二元 预处理脱硫的关键是脱硫后必须彻底扒渣，否则铁 碱度R处于5~8，光学碱度处于0.82左右，Fe0含 水预处理脱硫的效果将受到较大影响，并给后续工 量小于1.5%.这些研究对LF精炼渣的优化具有 序钢中硫控制带来较大难度. 较强的指导意义，但LF深脱硫需对脱硫动力学进 转炉冶炼管线钢生产终点硫含量显著高于入炉 行深入研究，除了精炼渣的硫容量外，渣的流动性也 铁水的硫含量，因此，转炉冶炼高级别管线钢时转 应是精炼渣优化的重点研究内容，曼内斯曼指数 炉冶炼是增硫过程，关键是控制增硫量，该过程硫 MI(R/(%A1203),是目前用于评价渣的流动性和 的增量主要与转炉用原料有关，为了控制转炉冶炼 吸附A2O3夹杂物的能力及脱硫能力的一个可行参 中增硫量，管线钢治炼时需采用优质废钢和低硫造 数，在国内A厂高级别管线钢生产中，本课题组通 渣料，同时石灰质量对转炉冶炼控硫的效果影响也 过将曼内斯曼指数M1控制在0.25~0.35之间，取 非常大，有的钢厂规定采用24小时内生产的石灰， 得良好的脱硫效果（见表1） 表1A钢厂X80管线钢LF精炼渣组成及精炼效果 炉 精炼渣组成（质量分数）及性质 钢中硫含量 工序 号 s/%P205/%Fe0/%Mn0/%Si02/%Ca0/%Mg0/%Al203/%CaF2/% MI [s]/% 进站0.097 0.023 1.09 1.08 22.20 39.66 3.35 20.5719.29 1.79 0.087 0.005 出站0.12 0.00921.49 0.29 11.63 64.85 3.26 16.88 6.22 5.57 0.33 <0.001 进站0.34 0.011 1.20 0.24 14.43 63.87 2.96 16.65 4.98 4.43 0.29 0.005 出站0.23 0.018 1.86 0.22 9.85 65.45 1.97 19.92 6.85 6.64 0.33 0.001 LF精炼深脱硫的另一个关键是温度控制，根 改变不大，且由于LF较长时间精炼，渣钢间脱硫反 据热力学可知，高温有利于脱硫，因此，高级别管线 应接近平衡，脱硫能力有限.对低硫管线钢，VD精 钢脱硫应充分利用LF精炼后期高温进行脱硫，此 炼阶段可降低钢中硫含量至10×10一6左右，因此， 时应采用大气量搅拌钢液，促进钢渣的混合，促进脱 管线钢治炼时可结合VD精炼的脱硫能力，合理安 硫动力学. 排转炉、LF精炼、VD精炼各工序控硫或脱硫负担. LF脱硫能力比较强，治炼高级别管线钢时脱硫 0.009 ·平均含量变化 率可达到70%~90%.钢厂可结合各自LF精炼的 ·LF-VD工艺 特点合理分配转炉控硫和LF脱硫的负担，如LF 是0.006 ·LFVD工艺 LF.VD工艺 精炼脱硫率能达到80%，则转炉出钢时只需控制钢 LF-VDT艺 LFVD工艺 水中硫含量小于100×10-6即可；如LF脱硫能力较 0.003 ,LFVD工艺 -LFRH工艺 低，则须较强转炉冶炼终点硫含量控制；反之可适当 ·LF-RH工艺 -LFRH工艺 调宽转炉冶炼过程的硫控制要求.图1是国内B厂 铁水值转护LF精练VD/RH 铸环 采用LFVD和LFRH流程生产X70管线钢时各 处理 终点 终点 终点 冶炼工序 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 图1B厂X70管线钢治炼中硫含量的变化 扒渣重新造渣的工艺技术，虽然扒渣损失了一部分 部分钢厂也在进行RH深脱硫研究并取得一定 时间和温度，但将转炉出钢下渣导致的硫、磷和氧化 进展[)，这不仅可为超低硫高级别管线钢提供新的 铁含量高的渣排除，重新造渣具有快速造渣、快速脱 冶炼工艺方案，也可为减轻高级别管线钢生产中LF 硫、抑制钢液回磷等冶金效果， 脱硫负担提供新的解决方案 采取VD进行真空脱气生产管线钢的钢厂，在 1.2磷控制 VD精炼阶段还可以进一步深脱硫，但由于VD精 磷是易偏析元素，显著增加钢的淬硬性，降低钢 炼渣是以LF精炼渣为主进行了适当调整，渣组成 的低温冲击韧性，提高钢的脆性转变温度，恶化管线
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［2－3］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）． 表1 A 钢厂 X80管线钢 LF 精炼渣组成及精炼效果 炉 号 工序 精炼渣组成（质量分数）及性质 S／％ P2O5／％ FeO／％ MnO／％ SiO2／％ CaO／％ MgO／％ Al2O3／％ CaF2／％ R MI 钢中硫含量 ［S ］／％ 1 进站 0∙097 0∙023 1∙09 1∙08 22∙20 39∙66 3∙35 20∙57 19∙29 1∙79 0∙087 0∙005 出站 0∙12 0∙0092 1∙49 0∙29 11∙63 64∙85 3∙26 16∙88 6∙22 5∙57 0∙33 ＜0∙001 2 进站 0∙34 0∙011 1∙20 0∙24 14∙43 63∙87 2∙96 16∙65 4∙98 4∙43 0∙29 0∙005 出站 0∙23 0∙018 1∙86 0∙22 9∙85 65∙45 1∙97 19∙92 6∙85 6∙64 0∙33 ＜0∙001 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． 图1 B 厂 X70管线钢冶炼中硫含量的变化 部分钢厂也在进行 RH 深脱硫研究并取得一定 进展［4］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 磷控制 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 ·2· 北 京 科 技 大 学 学 报 2009年 增刊1
Vol.31 Suppl.I 刘建华等：高级别管线钢冶炼关键技术分析 .3. 钢的焊接性能[山，X70及以上级别管线钢均希望将 量控制较低，有少数钢采用转炉一RH一 磷含量控制在100×10一6以内. LF精炼一连铸流程生产高级别管线钢，该流程需在 与日本钢厂管线钢生产不同，国内管线钢生产 RH真空处理后LF精炼过程添加大量合金和造渣 中铁水预处理阶段主要是脱硫，没有脱磷功能，脱磷 料，铸坯中氢含量可能会超标，此时应加强合金料及 基本在转炉生产工序完成，热力学分析表明，高碱 造渣料的烘烤，控制LF精炼过程增氢， 度、高氧化性渣及低冶炼温度有利于脱磷，因此转炉 1.4氮控制 脱磷的关键技术之一是在转炉前期脱磷，通过前期 氨会降低管线钢的塑性和韧性，还会产生时效 转炉冶炼采用顶吹低氧流量、高枪位、底吹高流量搅 作用；但氨与管线钢中Nb、V、Ti等元素形成氨化物 拌的复合吹炼技术、后期控制转炉终点出钢温度的 或碳氮化物析出，可细化晶粒，起到析出强化作用， 技术可以将转炉终点钢中磷含量控制在70× 因此高级别管线钢中希望氦含量控制在40×10一6 10-6~80×10-5.目前宝钢句、鞍钢等钢厂已达到 左右，管线钢为低硫铝镇静钢，在转炉出钢和LF精 该控制水平，图2是B厂X70管线钢生产过程中磷 炼过程中很容易增氨，高级别管线钢生产中氮含量 含量的变化情况，对于铁水原料含磷量较高的钢 控制存在一定难度， 厂，可通过转炉双渣冶炼工艺加强转炉脱磷 氮的控制关键技术主要集中在5个方面：1)脱 0.07 氧制度；2)出钢过程氮含量的控制；3)LF精炼过程 0.06 一平均变化 增氮的控制；4)真空脱氨；5)保护浇铸. ·LF-RH工艺 转炉出钢时脱氧剂种类和用量对出钢及其后镇 0.05 ·LFRH工艺 ·LF-RH工艺 静和输运过程中钢水增氮存在明显影响，采用强脱 ·LFVD工艺 0.04 ·LFVD工艺 氧工艺后，表面活性元素氧对钢水增氨的抑制作用 ·LFVD工艺 0.03 ·LFVD工艺 减弱，出钢及后续镇静和输运过程钢水增氨量较高， 在国内某厂X70出钢过程取样研究发现该过程增 0.02 氮量和镇静时间密切相关：镇静时间越长，增氨量越 0.01 高（图3） 0 40- 30 铁水预 转炉 LF VD/RH 铸坯 处理 终点 终点 终点 35 +出钢过程增氨量 ·出钢后镇静时间 25 治炼工序 30- 20 图2B厂X70管线钢生产过程中磷含量的变化 是 管线钢磷含量控制的另一个关键技术是出钢下 15H 10 渣控制技术.一般下渣控制水平较高的钢厂可使转 10 5 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× 0 5D85304D78895D85314D78906D84206D8421 10-630×10-5,从而保障管线钢成品中磷含量小 炉号 于100×10-6.最近部分钢厂正在推广使用的远红 图3LF精炼前X70增氮量与镇静时间的关系 外下渣检测技术，有利于转炉下渣控制水平的提高， 控氨存在困难的钢厂，可适当调整转炉出钢时 下渣控制水平较低的钢厂也可采用留钢操作.另 铝的加入量，以控制出钢过程增氨 外，少数钢厂采用LF精炼前扒渣处理也可显著降 出钢过程中钢流的形状、出钢时间也是影响钢 低精炼过程钢水回磷量， 液增氮的重要因素，生产中应加强转炉出钢口的维 1.3氢控制 护，保证出钢时钢流完整，出钢时间不太长，出钢后 真空脱气是高级别管线钢必备工序.采用VD 期及时加入渣量覆盖钢液 精炼一般可将钢中氢含量降至2×10一以下，采用 LF精炼过程中氮控制的关键主要在造渣和精 RH精炼可将钢中氢降至1.5×10-6以下，因此采 炼时间两方面.如能尽快造好发泡性能良好的保护 用转炉一LF精炼一真空脱气(VD或RH)一连铸流 渣，覆盖电弧，则可显著控制LF精炼过程增氮，同 程生产高级别管线钢时氢控制不是难点，然而，高 时，通过优化LF精炼工艺，达到快速升温和快速脱 级别管线钢在成分设计中逐渐采用低碳路线，碳含 硫，则可显著缩短LF精炼时间，使LF精炼过程增
钢的焊接性能［1］．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［5］、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． 图2 B 厂 X70管线钢生产过程中磷含量的变化 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 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 氮控制 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）． 图3 LF 精炼前 X70增氮量与镇静时间的关系 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 Vol．31Suppl．1 刘建华等： 高级别管线钢冶炼关键技术分析 ·3·
北京科技大学学报 2009年增刊1 氮得到较好控制， 微夹杂物含量控制和氧及硫控制密切相关，关键控 VD具有较强的脱氮能力；LF精炼后的RH精 制技术与氧、硫控制相同 炼也可适当脱氮，但脱氨能力相对较弱：LF精炼前 表2国内部分钢厂高级别管线钢氧控制水平 采用RH精炼时由于钢中氨含量相对较低，RH很 钢厂 管线钢牌号 氧含量/10-6 难实现脱氮功能，但此生产流程可采用沸腾出钢工 鞍钢 X70 13 艺，出钢时钢中氧保持在较高水平(400×10-6)，可 首钢 X70 11 显著抑制出钢过程增氨，有助于管线钢生产中的氨 湘钢 X80 10-13 控制， 邯钢 X80 12 通过采用开浇中间包充氩、加强中间包密封、增 管线钢一般采用钢水喂钙的方式进行夹杂物变 强长水口与钢包连接处的氩封、浸入式水口与中间 性处理，合理的喂钙量、喂钙速度及喂钙地点是夹杂 包连接处的密封等保护浇铸技术可显著控制管线钢 物变性处理的关键.一些钢厂和文献采用钢中Ca 连铸过程的增氮，过程增氮量可控制在3×10一6 含量、钢中钙含量与酸溶铝含量的比值([%Ca]rt/ 以内 [%Al]s)、钢中钙含量与总氧含量的比值 1.5氧控制 ([oCa]r/T[0])、原子浓度比ACR和钢中钙含量 高级别管线钢为铝脱氧钢，钢中溶解氧很低，钢 与硫含量的比值[%Ca]rt/[%s]作为钙处理效果 中T[0]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 的评判标准一)]，本研究发现钢水喂钙后钢中钙含 相对较低，大型夹杂的氧在钢中T[0]的比例非常 量和夹杂物随生产过程进行而不断变化，加上钢水 低.洁净度较高的管线钢板材中T[0]含量一般为 [%Ca]rot、T[0]取样分析困难、精度较低等原因，采 10×10-6~20×10-6左右.大型夹杂物的含量小于 用这些参量作为高级别管线钢夹杂物变性评判和工 2mg/10kg钢，大型夹杂物的氧含量在总氧的比例 艺优化标准存在缺陷，本研究推荐高级别管线钢钙 中不到2%，因此总氧的控制主要为显微夹杂的 处理夹杂物变性按下列标准进行：(a)铸坯中心部 控制， 位或轧后板带中心部位不存在单纯的MnS夹杂； 氧的控制是一个系统工程，但高级别管线钢氧 (b)中间包和结晶器中夹杂的Ca0和Al2O3组成的 控制有自己的特点.首先高级别管线钢为低碳钢， 分子比nCon,o,与12Ca0.7Al203相近(c)钙处 转炉终点碳含量控制较低，钢水过氧化较为严重， 理后夹杂的nco/n,o,稍高于12Ca0.7Al203(d) 因此，对于高级别管线钢转炉治炼终点碳氧控制、温 钙处理应在最后精炼工序的后期进行，应尽力防止 度控制、终点命中率的控制、精炼流程的选择（如是 钢水二次氧化，鞍钢根据该控制标准对X70管线钢 否采用RH脱碳精炼)、以及出钢时脱氧剂及其用量 钙处理工艺进行了优化，取得了良好效果 的选择对高级别管线钢最终氧含量控制具有显著影 管线钢钙处理的另一个关键是钙处理前尽量将 响，高级别管线钢冶炼的另一个特点是精炼环节较 钢中氧和硫降至最低值，同时加强钙处理后钢水二 多，一般采用LF精炼和真空脱气精炼配套使用，精 次氧化的控制， 炼结束时钢水洁净度较高，钢中总氧较低，因此连 大型夹杂物来源主要为卷渣和钢水二次氧化· 铸时的主要任务不是进一步去除夹杂，而是如何防 非稳态浇铸期钢质量控制技术及生产管理水平是大 止钢水二次氧化及卷渣，钢水二次氧化控制不当可 型夹杂物控制的关键.高级别管线钢的头坯切除长 导致连铸过程显著增氧，如中间包采用高碱度覆盖 度必须仔细取样分析研究，本课题组在B厂生产的 剂，中间包开浇充氩，加强长水口和浸入式水口与上 X70管线钢头坯不同位置取样，分析表明该厂头坯 游冶金容器连接处的密封等， 前1.8m大型夹杂含量较高，切除长度应由原来的 近年来，炉外精炼技术及连铸技术发展迅速，各 1.5m改为1.8m(见表3).连浇炉次换钢包期间中 管线钢生产钢厂氧控制水平显著提高（见表2），已 间包钢水液面的波动控制、长水口对钢液的保护、引 能将管线钢中氧控制在10×10-6左右. 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 2夹杂物控制 坯一般不降级或淘汰，过渡坯质量其实就是各钢厂 管线钢夹杂物控制主要集中在显微夹杂含量控 管线钢质量高低的标志，非稳态浇铸期铸坯质量的 制、夹杂物变性控制、大型夹杂物控制三个方面，显 控制显得非常重要
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 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 夹杂物控制 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． 表2 国内部分钢厂高级别管线钢氧控制水平 钢厂 管线钢牌号 氧含量／10－6 鞍钢 X70 13 首钢 X70 11 湘钢 X80 10～13 邯钢 X80 12 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［6－7］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／nAl2 O3与12CaO·7Al2O3 相近；（c） 钙处 理后夹杂的 nCaO／nAl2 O3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． ·4· 北 京 科 技 大 学 学 报 2009年 增刊1
Vol.31 Suppl.I 刘建华等：高级别管线钢冶炼关键技术分析 ,5 表3X70管线钢头坯中大型氧化物夹杂含量变化 试样距坯头距离/mm 28-43 71-86 114129 157~172 200-215 243-258 大型夹杂物含量/(mg/10kg) 0.60 4.16 5.42 0.6 1.19 为了控制卷渣，高级别管线钢的拉速需严格控 以及没有完全压合的气泡会对管线钢产生较大危 制：一方面要结合生产节奏尽量将拉速控制在稍低 害.管线钢铸坯的表面气泡及皮下气泡主要与连铸 的水平，以抑制结晶器内钢水的表面流速和液面波 吹氩及结晶器卷渣有关 动：另一方面需控制拉速波动，以抑制结晶器卷渣， 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、氨化物及碳氨 3窄成分控制 化合物，使晶界脆化，容易产生边部横裂纹和边裂 高级别管线钢强韧性等性能指标要求非常严 该类缺陷的控制解决需综合应用钢水氮含量控制、 格.各级别管线钢的成分均是在严格的组织设计基 结晶器振动方式及参数优化、保护渣优化、结晶器钢 础上、通过反复的冶炼、轧制试验优化制定的，综合 水液面控制、二冷优化控制、拉速优化控制以及铸机 平衡了管线钢各种性能之间的匹配、成分和组织之 对弧、对中控制等技术，需将炼钢、连铸工艺和设备 间的相互关系、冶金和轧制工艺的优化、以及成本控 三者进行系统优化， 制的要求，各组元浓度的波动范围都限制得很窄，要 管线钢中心偏析及疏松对管线抗氢致裂纹能 求实现窄成分控制 力、韧性等存在较大影响[8)，轻压下、电磁搅拌等技 管线钢成分控制的一个难点是碳的控制.高级 术的应用可显著改善铸坯偏析及疏松程度；同时 别管线钢一般采取低碳路线，碳含量波动范围要求 过热度控制，过热度、拉速和二冷配水三个关键连铸 很窄，如X80管线钢常要求碳控制在0.03%~ 工艺参数的合理匹配也是铸坯中心偏析和疏松控制 0.05%.但高级别管线钢合金添加量较多，加上LF 的关键10]；而定期维护连铸机、保护辊子精度和开 精炼增碳，因此碳含量控制难度较大，如采用LF一 口度精度控制则是管线钢中心偏析和疏松控制的必 真空脱气流程生产，则需综合优化转炉终点碳控制、 要保障。但高级别管线钢中碳、硫、磷等元素含量很 合金碳控制、LF增碳控制、钢包增碳控制、以及连铸 低，采用常规钻样和刨屑化学分析这些组元偏析的 过程增碳控制；如采用RH一LF流程生产，可利用 方法难度较大，本课题的研究表明采用国家钢铁研 RH精炼脱碳，适当调高转炉终点碳，但RH精炼结 究总院最近开发的原位分析方法在高级别管线钢偏 束碳控制需与后续精炼工序碳含量控制相配合，以 析分析方面具有较强的优势山. 保证管线钢成品碳含量的稳定控制， 5结束语 4铸坯质量控制 高级别管线钢生产技术是高洁净度、高纯净度 管线钢铸坯的表面质量包括表面及皮下夹杂、 钢生产技术及无缺陷铸坯生产技术的集成， 表面气孔及皮下气泡、表面裂纹控制等方面 (1)高级别管线钢对硫、磷、氮、氧、氢等杂质元 由于结晶器卷渣，以及结晶器中凝固坯壳生长 素的控制严格，需在管线钢铁水预处理、转炉治炼、 较快对钢中大型夹杂捕捉机会较高，铸坯表面和皮 精炼、连铸各工序进行系统优化，并针对高级别管线 下大型夹杂数量较多，这些夹杂对管线的危害较大， 钢各元素控制的特点和要求，分别采取针对性技术， 需要严格控制，尽管部分钢厂对管线钢的头坯采用 依靠系统集成技术才能生产符合要求的高洁净度管 火焰清理，以及轧钢加热过程中铸坯表面的氧化脱 线钢 落在一定程度上可减缓表面夹杂对管线钢的危害， (2)需采用新的夹杂物改性标准对高级别管线 但铸坯皮下大型夹杂的危害仍然无法消除，解决该 钢钙处理进行控制：同时加强非稳态浇铸期连铸工 问题的关键仍然是加强连铸过程中大型夹杂的 艺技术的改进控制结晶器卷渣及二次氧化，降低钢 控制， 中大型夹杂数量，以控制夹杂对管线钢性能的危害， 部分铸坯的表面气孔会在铸坯修磨处理过程及 (3)通过连铸工艺优化和完善设备管理，以及 轧钢加热过程中消除，部分皮下气泡会在轧制中被 精炼工艺的配合实现无缺陷铸坯生产是高级别管线 压合，但未被消除的气泡、加热过程中暴露的气泡， 钢质量稳定的重要保障
表3 X70管线钢头坯中大型氧化物夹杂含量变化 试样距坯头距离／mm 28～43 71～86 114～129 157～172 200～215 243～258 大型夹杂物含量／（mg／10kg） － 0∙60 4∙16 5∙42 0∙6 1∙19 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 窄成分控制 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 铸坯质量控制 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钢水氮含量控制、 结晶器振动方式及参数优化、保护渣优化、结晶器钢 水液面控制、二冷优化控制、拉速优化控制以及铸机 对弧、对中控制等技术需将炼钢、连铸工艺和设备 三者进行系统优化． 管线钢中心偏析及疏松对管线抗氢致裂纹能 力、韧性等存在较大影响［8］．轻压下、电磁搅拌等技 术的应用可显著改善铸坯偏析及疏松程度［9］；同时 过热度控制过热度、拉速和二冷配水三个关键连铸 工艺参数的合理匹配也是铸坯中心偏析和疏松控制 的关键［10］；而定期维护连铸机、保护辊子精度和开 口度精度控制则是管线钢中心偏析和疏松控制的必 要保障．但高级别管线钢中碳、硫、磷等元素含量很 低采用常规钻样和刨屑化学分析这些组元偏析的 方法难度较大本课题的研究表明采用国家钢铁研 究总院最近开发的原位分析方法在高级别管线钢偏 析分析方面具有较强的优势［11］． 5 结束语 高级别管线钢生产技术是高洁净度、高纯净度 钢生产技术及无缺陷铸坯生产技术的集成． （1） 高级别管线钢对硫、磷、氮、氧、氢等杂质元 素的控制严格需在管线钢铁水预处理、转炉冶炼、 精炼、连铸各工序进行系统优化并针对高级别管线 钢各元素控制的特点和要求分别采取针对性技术 依靠系统集成技术才能生产符合要求的高洁净度管 线钢． （2） 需采用新的夹杂物改性标准对高级别管线 钢钙处理进行控制；同时加强非稳态浇铸期连铸工 艺技术的改进控制结晶器卷渣及二次氧化降低钢 中大型夹杂数量以控制夹杂对管线钢性能的危害． （3） 通过连铸工艺优化和完善设备管理以及 精炼工艺的配合实现无缺陷铸坯生产是高级别管线 钢质量稳定的重要保障． Vol．31Suppl．1 刘建华等： 高级别管线钢冶炼关键技术分析 ·5·