管線鋼K60C2精煉過程鋼水潔凈度的研究

杜秀川（本鋼技術(shù)中心，遼寧本溪117000）

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管線鋼K60C2精煉過程鋼水潔凈度的研究

杜秀川
（本鋼技術(shù)中心，遼寧本溪117000）

摘要：研究了管線鋼K60C2 LF精煉及鈣處理后，鋼水中雜質(zhì)元素、夾雜物成分和形貌尺寸的變化情況。結(jié)果表明，精煉結(jié)束后，鋼水中的硫能滿足要求，T.［O］較精煉前大幅度降低，精煉和鈣處理過程增氮明顯，非金屬夾雜物從Al2O3向MgO-Al2O3-CaO或MgO-Al2O3-CaO-SiO2復(fù)合夾雜物轉(zhuǎn)變，鈣處理后變性為鈣鋁酸鹽類夾雜物和鈣鎂硅鋁酸鹽復(fù)合夾雜物；精煉結(jié)束后夾雜物尺寸明顯變小。

關(guān)鍵詞：管線鋼；精煉；鈣處理；夾雜物

杜秀川，工程師，1997年畢業(yè)于東北大學(xué)工業(yè)工程專業(yè)。E-mail:ddxxcc@126.com

管線鋼對鋼的強度、韌性、壽命和加工性能等要求非常嚴(yán)格，對鋼的化學(xué)成分和組織均勻性的要求也日趨嚴(yán)格。鋼中非金屬夾雜物是影響管線鋼制品性能的重要因素之一。大多數(shù)情況下，HIC都起源于夾雜物［1］，鋼中的塑性夾雜物和脆性夾雜物是產(chǎn)生HIC的主要原因。分析表明，HIC斷口表面有延伸的MnS和Al2O3點鏈狀夾雜，而SSC的形成與HIC的形成密切相關(guān)［2］。因此，為了提高抗HIC和抗SSC能力，必須盡量減少管線鋼中的夾雜物，精確控制夾雜物的形態(tài)，同時降低硫含量。

本試驗研究的管線鋼品種K60C2是針對X70級別管線鋼設(shè)計試驗的俄制鋼種，與傳統(tǒng)的X70級別管線鋼相比，對在高寒地區(qū)的使用性能有更加嚴(yán)格的要求。

1　試驗過程

1.1試驗工藝

K60C2生產(chǎn)工藝路線為：鐵水脫硫→100 t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐煉鋼→100 t LF精煉處理→板坯澆鑄。管線鋼K60C2的設(shè)計要求如表1所示。

表1　管線鋼K60C2的設(shè)計要求　%

脫硫站噴吹鎂粉對煉鋼鐵水進行脫硫處理，脫硫后目標(biāo)硫含量按≤0.005%控制，以保證扒渣效果。轉(zhuǎn)爐煉鋼終點控制ω［C］≤0.02%，ω［P］≤0.006%，拉碳提槍時保證底吹氬氣攪拌，出鋼采用機械擋渣塞擋渣。爐后采用鋁鐵脫氧，LF造高堿度精煉渣，分批加入擴散脫氧劑（鋁粒）控制爐渣氧化性，鋼水一次加熱后加SiCaBa進行夾雜物變質(zhì)處理。精煉結(jié)束喂鋁線進行終脫氧控制鋼水中的酸溶鋁含量，再喂CaSi線進行鈣處理操作，保證軟吹時間≥10min，軟吹時渣面輕微涌動，保證不露亮面。

1.2取樣及分析方法

LF進站、出站和喂硅鈣線處理后在鋼包內(nèi)取鋼樣和爐渣試樣。在一個澆次的三爐試驗過程取樣，記為爐次A、B和C。鋼樣經(jīng)線切割、制樣，一部分進行氣體（N、O）和S的成分分析，另一部分拋光后在金相顯微鏡下對夾雜物進行分析。在圖像分析儀放大100倍的情況下，選擇連續(xù)50個視場，利用金相顯微鏡的圖像分析軟件統(tǒng)計夾雜物數(shù)量分布、夾雜物面積、大小、周長等數(shù)據(jù)。在掃描電子顯微鏡下對夾雜物進行定性研究，確定夾雜物的形貌和成分。爐渣渣樣經(jīng)研磨后，進行化學(xué)成分分析。

2　結(jié)果與討論

2.1 LF精煉鋼水中硫、氧和氮的變化

圖1為LF精煉過程鋼水中硫含量和精煉渣堿度的變化情況。從圖1中可知，LF處理前，鋼水中的ω［S］為0.008 7%～0.011 9%，平均值為0.009 93%，比兌入轉(zhuǎn)爐中的鐵水硫含量有所提高，說明經(jīng)過轉(zhuǎn)爐吹煉，發(fā)生了一定的回硫。LF精煉過程造高堿度精煉渣，如圖1所示，爐渣堿度控制在4.0以上，對精煉脫硫過程十分有利。精煉處理后鋼水中的ω［S］分布在0.001 7%～0.003 8%之間，平均值為0.002 9%，平均脫硫率為70.8%。隨著精煉的進行，鋼水中的ω［S］逐漸降低，精煉結(jié)束鋼水中的ω［S］都達到了較低的水平，能夠滿足鋼種的標(biāo)準(zhǔn)要求，但是離內(nèi)控要求尚有不小的差距。同時，Ca處理后出現(xiàn)了不同程度的回硫現(xiàn)象，最高回硫量達到0.000 84%，平均為0.000 34%。

圖1　LF精煉過程鋼水中硫含量和爐渣堿度的變化情況

圖2為LF精煉過程中鋼水T.［O］以及精煉渣氧化性的變化情況。

圖2　LF精煉過程鋼水T.[O]和爐渣氧化性的變化情況

在LF精煉過程中，通過鋼水沉淀脫氧和爐渣的擴散脫氧相結(jié)合，鋼水中的T.［O］和爐渣氧化性都大幅度的降低。文獻研究認為［3］，精煉渣中ω（FeO+MnO）<1%，渣有良好的冶金效果，特別當(dāng)ω（FeO+MnO）<0.5%，脫硫率高達86%。另有文獻認為［4］，渣中ω（FeO）<0.5%可充分降低鋼中的T.［O］和非金屬夾雜物的含量。本試驗精煉結(jié)束后的終渣中ω（FeO+MnO）在1%～2%波動，一定程度上影響到脫硫和夾雜物處理效果。為更有效控制鋼水中的氧和硫含量，LF精煉過程中應(yīng)進一步加強爐渣的擴散脫氧，保持白渣時間，控制ω（FeO+ MnO）<1%。

從圖2可看出，喂線鈣處理造成了不同程度的增氧現(xiàn)象，結(jié)合圖1中顯示的回硫，表明鋼水有二次氧化。這一點被圖3所示的鋼水中氮含量的變化情況驗證。

如圖3所示，精煉結(jié)束和喂線鈣處理后，鋼水中的氮含量有明顯的上升，增氮嚴(yán)重。分析認為，在LF精煉過程中，由于空氣中的氮氣被電弧電離，產(chǎn)生的氮離子更容易被鋼水吸收。另外，由于鋼包底吹氬強烈，鋼包渣覆蓋保護作用有限，從而使鋼水液面直接與空氣接觸而產(chǎn)生增氮；而在喂線鈣處理過程中，由于喂入鋼中的鈣氣化后產(chǎn)生強烈的攪拌作用，從而使鋼水與空氣直接接觸，導(dǎo)致增氮。

圖3　精煉過程鋼水中氮含量的變化

為了節(jié)約成本，工藝流程中沒有真空脫氣過程，因此，控制鋼水增氮十分必要。為此，需要加強LF精煉過程電弧的埋弧效果，避免電弧裸露在空氣中，并降低鋼包底吹氬氣的攪拌強度，減少鋼水液面與空氣接觸，另外，將喂線速度控制在一個合適范圍內(nèi)，減少鋼水翻騰現(xiàn)象，從而達到減少鋼水二次氧化的目的。

2.2夾雜物顯微分析

圖4和表2顯示了各個取樣位置部分典型夾雜物的形貌和組成。

圖4　各取樣位置部分典型夾雜物的形貌

表2　夾雜物的主要成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）　%

從圖4和表2可以看出，經(jīng)過LF精煉和喂線處理后，鋼中夾雜物從精煉前簇群狀A(yù)l2O3夾雜物變成了球狀的三元和四元復(fù)合夾雜物。分析認為，LF精煉處理后，由于加入了大量的造還原渣材料，并不斷進行氬氣攪拌，從而使夾雜物的形貌和成分都發(fā)生了很大的變化，單一的簇群狀A(yù)l2O3夾雜物消失，生成了球狀的MgO-Al2O3-CaO三元復(fù)合夾雜物及MgO-Al2O3-CaO-SiO2四元復(fù)合夾雜物。這種夾雜物的核心是鈣鋁酸鹽類，外面包裹著鎂和鈣的氧化物。這類夾雜物不可能是由于渣中的MgO卷入鋼液與鋼中的夾雜物反應(yīng)生成，因為卷渣產(chǎn)生的夾雜物尺寸較大，而且Mg的含量更高，組成更均勻。Nishi等［5］發(fā)現(xiàn)夾雜物中的MgO含量逐漸增加，這是由于渣中的MgO或耐火材料中的MgO被還原生成鎂進入鋼液，在鋼液中又與溶解的氧反應(yīng)生成MgO夾雜，反應(yīng)方程式如下：

同樣，由于渣中的SiO2和CaO會被加入的鋁還原而產(chǎn)生硅和鈣進入鋼液，在與溶解的O反應(yīng)后生成SiO2和CaO夾雜，在吹氬攪拌下這些新生成夾雜就會碰撞融合，向MgO-Al2O3-CaO三元復(fù)合夾雜物或MgO-Al2O3-CaO-SiO2四元復(fù)合夾雜物轉(zhuǎn)變。但是這兩類復(fù)合夾雜物中的鎂含量都較少，而且都分布在夾雜物的表面。

在鋼包中喂入CaSi線后，鋼水中鈣含量增加，會生成含鈣量較高的低熔點鈣鋁酸鹽類和鈣鎂硅鋁酸鹽復(fù)合夾雜物，隨著鋼水的凝固，這些復(fù)合夾雜物由于表面張力原因逐漸變成球狀。這與Hino［6］等人研究結(jié)果一致，Hino通過熱力學(xué)計算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鋼液中有一定含量的Ca時，鈣鎂硅鋁酸鹽復(fù)合夾雜物比MgAl2O4更穩(wěn)定，所以MgAl2O4夾雜物勢必向鈣鎂硅鋁酸鹽復(fù)合夾雜轉(zhuǎn)變。各取樣位置夾雜物的二維粒徑分布的統(tǒng)計分析見圖5。

圖5　各個取樣位置夾雜物二維粒徑分布的統(tǒng)計分析

由圖5可以看出，所有爐次夾雜物的直徑集中分布在1～5μm范圍內(nèi)，小于10μm的夾雜物占絕大多數(shù)。LF精煉結(jié)束后，夾雜物的尺寸進一步減小。雖然幾乎未發(fā)現(xiàn)大于40μm的大顆粒夾雜物，但無論是精煉結(jié)束還是在喂CaSi線處理之后，都有部分10～40μm的較大粒徑夾雜物存在。尤其是喂CaSi線后，鋼水中的夾雜物尺寸明顯增大，總體看夾雜物的尺寸偏大。而較大的夾雜物容易隨著氣泡的上浮而被去除，研究認為，管線鋼鈣處理后軟吹時間控制在20～25 min較合理。建議將Ca處理后的鋼水弱吹氬攪拌時間延長到20 min以上，提高夾雜物上浮去除效果。

3　結(jié)論

（1）隨著LF精煉的進行，鋼水中的ω［S］逐漸降低，精煉處理后鋼水中ω［S］分布在0.001 7% ～0.003 8%，平均值為0.002 9%，平均脫硫率為70.8%，能夠滿足鋼種的標(biāo)準(zhǔn)要求。但是未滿足內(nèi)控要求，LF精煉Ca處理后均出現(xiàn)了不同程度的回硫現(xiàn)象，最高回硫量達到0.000 84%，平均為0.000 34%。

（2）在精煉結(jié)束后的終渣中，ω（FeO+MnO）在1%～2%波動，精煉初渣和終渣中，ω（FeO+MnO）偏高，尤其是渣中FeO的含量。應(yīng)進一步加強爐渣的擴散脫氧，保持白渣時間，控制渣中ω（FeO+MnO）<1%，提高鋼水中氧和硫的控制效果。

（3）由于鋼包底吹氬氣攪拌過于強烈、喂線速度過快，使得鋼水劇烈翻騰，大量鋼水直接裸露在空氣中，發(fā)生嚴(yán)重二次氧化，最終導(dǎo)致喂CaSi線操作過程出現(xiàn)明顯的鋼水增氮現(xiàn)象。

（4）LF精煉過程的非金屬夾雜物從純Al2O3夾雜物，向MgO-Al2O3-CaO三元復(fù)合夾雜物或MgO-Al2O3-CaO-SiO2四元復(fù)合夾雜物轉(zhuǎn)變，喂線鈣處理后夾雜物變性為低熔點鈣鋁酸鹽類夾雜物和鈣鎂硅鋁酸鹽復(fù)合夾雜物，并最終凝固成球狀。夾雜物的尺寸在精煉結(jié)束后明顯變小，但是，仍有10～40μm的較大粒徑夾雜物存在，需要將Ca處理后的鋼水弱吹氬攪拌時間延長到20min以上，提高夾雜物上浮去除效果。

參考文獻

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（編輯許營）

修回日期：2015-07-15

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Study on Cleanliness of K 60C2 M olten Pipeline Steel in Refining

Du Xiuchuan
（Technology Center of Benxi Iron and Steel Co.,Benxi117000,Liaoning,China）

Abstract：After refining in ladle furnace and the calcium treatmentwere done for the K60C2 molten pipeline steel,the impurity elements in steel,compositions of inclusions in steel and their changes of shapes and sizes were studied.The study results show that the content of sulphur in molten steel could satisfy the requirements and content of total oxygen in molten steel is reduced greatly comparing with the value prior to refining,the content of nitrogen increased obviously in refining and carrying out the calcium treatment while the nonmetallic inclusion such as Al2O3in steel were transformed into some complex inclusions such as MgO-Al2O3-CaO or MgO-Al2O3-CaO-SiO2.However these inclusions would be turned into such kinds of complex inclusions such as calcium aluminates and calcium magnesium silicon aluminates after finishing the calcium treatment.And what’more the size of inclusionswere reduced obviously after refining.

Key words：pipeline steel;refining;calcium treatment;inclusion

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中圖分類號：TF769

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1006-4613（2016）02-0030-05