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1、,刘建华冶金与生态工程学院,国外清洁管线钢生产,1总述,1.1成分控制(1)较低的C和Mn含量减少产品的偏析程度,有利于防止氢致裂纹(HIC);(2)较低的P含量同样可以减少产品的偏析和防止HIC,通常的操作水平控制在0.015以下,0.01以下更有利;19家的平均P含量为120ppm，变化范围为70250ppm。(3)添加Nb元素,目的是细化晶粒和沉淀硬化;(4)S必须控制得很低,尤其是对于耐酸侵蚀钢种,要减少MnS的形成;19家的平均S含量为30ppm，变化范围为4150ppm。,1总述,(5)Ca将不规则的氧化铝夹杂变为液态球形夹杂,生成CaS来固定钢水中的S,可以增加抵抗HIC的能力;
2、2/3厂家采用喂Ca工艺，一些厂家控制Ca/S，尤其在生产高级别管线钢时，九家厂家的Ca含量平均值为30ppm，变化范围为1050ppm。(6)MnS是硬度很小的夹杂物,轧制后变形率很高,延伸的夹杂物末端形成尖角状,是金属基体中产生应力集中的地方,溶解的氢扩散至这些应力集中处,会引起冷裂;(7)较大的氢含量的波动会造成抗HIC性能的波动;(8)6家的总氧平均为15.3ppm，变化范围为7.522.5ppm。(9)降低N含量可以增强产品的低温韧性,电炉生产的最终平均N含量为60ppm,高于转炉冶炼的46ppm。,2 有害夹杂的界定,管线钢的缺陷,主要问题是HIC,与其相似的内部裂纹以及断裂都有可
3、能是HIC,只是名称不同。图2-1有害夹杂物造成的产品问题,2 有害夹杂的界定,夹杂物对管线钢产品的性能有害。要避免生成的夹杂物主要有MnS、Al2O3、以及CaO-Al2O3-X。其他如SiO2、CaS和CaOSiO2X也被提及，但不太重要。图2-2有害夹杂物的成分,2 有害夹杂的界定,大多数情况下,造成危害的夹杂物临界尺寸,被认为是大于30m,但有4家认为小于30m的夹杂同样有害，1家认为夹杂物小于10m时亦有危害。图2-3有害夹杂物的尺寸范围,2 有害夹杂的界定,对于板坯,有害夹杂物通常位于表层。图2-4有害夹杂物在铸坯中的位置,2 有害夹杂的界定,延伸性的夹杂物被认为危害特别严重,但是
4、点状、圆形以及簇状夹杂物同样有害。图2-5有害夹杂物在产品中的形状,2 有害夹杂的界定,有害夹杂物主要是在炼钢阶段形成的,可以通过控制硫、总氧含量来控制夹杂物,以及通过喂钙来固定硫和改变夹杂物形貌,二次氧化也是有害夹杂物形成的原因,有时结晶器保护渣的卷入也能带来这个问题。图2-6有害夹杂物的来源,3需要控制的元素和工艺参数,3.1初炼 所有转炉冶炼工艺都采用铁水预处理,主要是铁水脱硫,也有少数的钢厂(约33)采用的是脱Si、脱P和脱S的三脱预处理工艺,较低的硫含量是生产管线钢的必要条件。图3-1铁水预处理,3需要控制的元素和工艺参数,转炉是初级冶炼设备,通常采用顶底复合吹炼。炉容量分为两个容量
5、相近的组:相对较小的在125-190t之间,相对较大的在250-325t之间。图3-2转炉吹炼方式,3需要控制的元素和工艺参数,只有少数钢厂(约33)采用的是各种类型的动态控制方式。图3-3转炉控制,3需要控制的元素和工艺参数,一般情况下,各钢厂均采用2座或3座转炉,有个别钢厂一个车间内有5座转炉。图3-4转炉数量(每个钢厂),3需要控制的元素和工艺参数,大多数钢厂在转炉出钢时采取下渣控制措施,主要方法是投掷挡渣锥(或者挡渣球),有少数厂家使用气动挡渣。没有采用留钢操作的。图3-5下渣控制设备,3需要控制的元素和工艺参数,约33钢厂在转炉出钢时有出钢下渣检测系统如红外线(IR)、或电磁等。图3
6、-6采用的下渣监测系统,3需要控制的元素和工艺参数,转炉出钢时的溶解氧含量变化范围较大,从0.0210到0.11,平均为0.0660左右。较大范围的变化可能是由于总体上缺乏吹炼控制造成的,对于电炉和转炉两种工艺来说,溶解氧的变化范围相似。图3-7出钢时钢水中溶解氧,3需要控制的元素和工艺参数,钢包渣层厚度总体来说变化比较大,范围从1到70mm,平均62mm左右(约5.5/t)。图3-8下渣量,3需要控制的元素和工艺参数,约70的厂出钢时加入了合成渣。图3-9出钢添加剂:造渣和合成渣,3需要控制的元素和工艺参数,只有少数几个钢厂采用钢包扒渣操作,工艺路线如图3-10。图3-10工艺路线,3需要控
7、制的元素和工艺参数,出钢温度的变化范围也较大,从1600至1725,是根据加热时是否采用加热升温而定,平均出钢温度为1667。图3-11转炉出钢温度,3需要控制的元素和工艺参数,对出钢钢渣的成分分析如图3-12。平均含FeO23。图3-12出钢渣成分分析,3需要控制的元素和工艺参数,出钢渣中R比例(CaO/SiO2)近似为3.5。图3-13出钢渣平均成分分析,3需要控制的元素和工艺参数,3.2精炼精炼设备 生产管线钢的精炼设备种类很多。对于转炉厂,多数使用钢包炉进行加热升温,3家与RH脱气(还可以使用VD脱气)装置联合配置。3家电炉厂,均使用钢包炉,2家用VAD来加热升温,其中一个VAD与RH
8、装置连用。有13个反馈厂家（62）进行脱气，其中8家使用RH脱气，5家使用VD脱气。氢的控制是炼钢生产的关键问题,钢水洁净度(总氧)也可以通过延长处理时间来改善,生产中总是先加热升温，然后再脱气。,耐材对于钢包耐火材料,渣线只使用镁碳质(MgO-C),包身主要使用氧化铝质,有些厂使用镁碳质和白云石内衬;包底主要也是氧化铝质,但有些厂家使用白云石、尖晶石和镁碳砖衬包底。,3需要控制的元素和工艺参数,图3-14钢包耐火材料,3需要控制的元素和工艺参数,合金化 主要的合金在出钢的时候加入,有各种不同组合:SiMnFeMn(高碳)FeMn(中碳)FeMn(低碳)电解锰FeSi碳FeNbFeVCuNi氧
9、化钼和Al。调整成分的合金在随后的精炼步骤中加入。,3需要控制的元素和工艺参数,造渣一般来说,出钢时的造渣剂在合金和脱氧剂加入之后再添加。造渣剂的种类和加入量各有不同,大多数厂添加石灰/萤石/或石灰/氧化铝混合剂,或者预熔石灰/氧化铝/白云石(轻烧)/萤石。3家反馈厂在出钢时没有加造渣剂,而是先扒渣,然后加入合成渣。少数的厂在精炼过程中加入炉渣改性物质,主要是经过改质的含铝废渣。,3需要控制的元素和工艺参数,精炼末期渣成分,如表3-1。表3-1精炼末期渣成分,3需要控制的元素和工艺参数,(接上),3需要控制的元素和工艺参数,精炼渣成分(FeO+MnO)通常小于3.0,MgO为7-8接近饱和,S
10、iO2小于10,CaO/Al2O3接近最佳值(1.8-2.0),具有最大的S容量和最小的氧化铝活度。图3-14精炼结束CaO/Al2O3比例,3需要控制的元素和工艺参数,多数钢包加盖,采用滑动水口控制钢水流量。铬砂是主要的钢包水口填充材料,其次是石英砂和锆质砂。图3-15钢包详细资料,3需要控制的元素和工艺参数,钢包自由开启性能如表3-2。表3-2钢包自由开启次数,3需要控制的元素和工艺参数,从精炼结束到连铸机的钢包运输时间。表3-3运输时间图3-16钢包运输时间,3需要控制的元素和工艺参数,3.3连铸连铸设备和生产能力 大多数生产管线钢的厂都配置立弯式连铸机,垂直段长度范围2300-3000
11、mm,冶金长度范围12-49m,平均29.6m。图3-17连铸机机型,3需要控制的元素和工艺参数,图3-18冶金长度,3需要控制的元素和工艺参数,连铸机的拉速平均为1.02m/min,范围0.5m/min-1.5m/min;每流产量平均2.9t/min,范围。图3-19拉速,3需要控制的元素和工艺参数,图3-20浇铸产量,3需要控制的元素和工艺参数,连浇炉数变化范围较大,平均8.7,范围从1到42。图3-21连浇炉数,3需要控制的元素和工艺参数,中间包连浇炉数为5.3,范围从1到12,连浇炉数少的厂会出现较多的稳定浇铸。图3-22中间包连浇炉数,3需要控制的元素和工艺参数,钢包至中间包 大多数
12、钢厂采用电磁探测装置来控制钢包至中间包的下渣。少数钢厂采用留钢操作。有1家采用振动控制方法。约有33的厂使用目测或没有采取任何措施。图3-23钢包下渣控制,3需要控制的元素和工艺参数,中间包容量平均42.4t,范围从28t至80t。图3-24炉容和中间包容量,3需要控制的元素和工艺参数,钢水最小操作深度827mm,范围200-1900mm。图3-25中间包设计:钢水深度,3需要控制的元素和工艺参数,包内液位控制大多数采用荷重传感器来测量及控制。图3-26中间包钢水液位控制和中间包搅拌,3需要控制的元素和工艺参数,中间包形状多是箱形设计,将近一半的厂家配有密封包盖,并且其中一半的厂家采用了充氩气
13、保护,约33的厂家没有采用中间包气氛控制。图3-27中间包形状,3需要控制的元素和工艺参数,图3-28中间包气氛控制,3需要控制的元素和工艺参数,中间包覆盖剂的种类：有50的厂家使用的是CaO-Al2O3-SiO2复合剂,3家使用炭化稻壳，4家使用含MgO的碱性覆盖剂。3家使用充氩气保护的厂家没有使用中间包覆盖剂。图3-29中间包覆盖剂,3需要控制的元素和工艺参数,约50的厂家的中间包安装有特殊的铝硅镁质冲击板。图3-30中间包冲击垫板材质,3需要控制的元素和工艺参数,大多数中间包安装了辅助的流场控制装置,包括坝、堰、和拆流挡板。没有安装过虑器的。只有一个中间包使用了吹气装置。图3-31中间包
14、内设置,3需要控制的元素和工艺参数,绝大多数中间包耐火材料内衬使用Al2O3-SiO2-MgO质,但也有使用Al2O3-SiO2、Al2O3、喷涂橄榄石和喷涂碱性内衬。图3-32中间包耐火材料(工作层),中间包内温度监测可以使用传感器监测,4家进行了连续温度测量，1家用数学模型来预测温度变化。没有中间包采用加热装置的报道。,3需要控制的元素和工艺参数,中间包至结晶器 所有钢厂均采用浸入式水口(SEN,使用塞棒或滑动水口控制中间包到结晶器的钢流,极少数厂采用振动塞棒。图3-33中间包流出控制,3需要控制的元素和工艺参数,SEN耐火材料主要是Al2O3-C,但也有少数厂家使用ZrO2-Al2O3质
15、的水口,其渣线材料使用ZrO2-C。图3-34浸入式水口耐火材料,3需要控制的元素和工艺参数,中间包水口出口角度向下,平均为15.6范围5-30。图3-35水口双侧出口设计,3需要控制的元素和工艺参数,图3-36水口出口设计,3需要控制的元素和工艺参数,SEN寿命平均为4.8,范围1-16。图3-37水口寿命(炉数/个),3需要控制的元素和工艺参数,1/3反馈资料报告了水口堵塞问题,约1/4的厂家采用快换水口装置来解决这个问题。所以厂均提出在不同位置吹氩气来减少水口堵塞、使二次氧化程度降至最小以及促进结晶器内夹杂物上浮。图3-38吹氩情况,3需要控制的元素和工艺参数,绝大多数钢厂通过中间包内留
16、钢来控制中间包下渣,有极少数厂采用电磁监测装置。图3-39中间包下渣控制,3需要控制的元素和工艺参数,结晶器 结晶器液位波动的监测主要是采用电磁监测,有的厂也使用射线装置。图3-40结晶器液位检测:钢水液面检测,3需要控制的元素和工艺参数,结晶器液面波动平均9.6mm,范围3-25mm,波动数值大时,说明液位控制很差。图3-41结晶器液位波动幅度,3需要控制的元素和工艺参数,结晶器使用保护渣润滑结晶器,大多数采用颗粒状保护渣。图3-42结晶器润滑剂和保护渣类型,3需要控制的元素和工艺参数,保护渣中C含量变化较大,平均5.1,变化范围0.7-9.4。黏度变化也较大,1300时平均1.7泊,范围泊
17、。熔点平均1110,范围895-1220。耗量平均0.47/t,范围0.3-0.7/t。图3-43保护渣性能(浇铸),3需要控制的元素和工艺参数,图3-44保护渣性能(熔点),3需要控制的元素和工艺参数,1/4厂家配置结晶器电磁搅拌,其中2厂家在整个铸坯宽度上有电磁制动,该2厂中有1家还安装了电磁加速装置。各厂电磁装置的位置在结晶器的正中部位。12个厂家没有电磁装置。图3-45电磁搅拌,3需要控制的元素和工艺参数,板坯精整和运输 大多数厂都有不同形式的板坯精整,但其方式、火焰清理(热坯、冷坯、自动、人工)和修磨(热坯、冷坯)的程度各个厂之间差别很大。平均修理深度为2.4mm(标准差0.8mm)
18、,范围1.5-4mm。约有一半的厂板坯全部冷精整,还有一部分厂家板坯热送或者板坯直轧。图3-46热装和冷装比例,3需要控制的元素和工艺参数,图3-47铸坯修整,3需要控制的元素和工艺参数,板坯入炉温度平均为203(标准差197),范围20-500。图3-48平均热装温度,4质量评估,表面缺陷的检测主要是靠眼睛观察,一些厂采用自动图像处理设备,个别厂使用超声波探测仪。图3-49铸坯的表面缺陷检测,约一半的反馈厂认为液位控制和结晶器热流监测是作为连铸过程在线质量评估最重要的应用方法。其余的，有1/3的反馈厂将液位控制作为最重要的特征。浇铸过程保持自动化作业也是在线控制的重要手段。,4质量评估,4质
19、量评估,工艺过程的控制,至今使用最普遍的常规取样方法是棒糖状饼样(常规的或者厚的和薄的)。钢中总氧样(TOS)和吸入式取样器有时候会在中间包上使用。为了对整个工艺改进试验效果进行评估,虽然饼样仍是主要得取样方法,但是TOS、LUS和吸入式取样方法使用更多了。对钢水来说,主要的常规分析方法是总氧分析,也采用火花光谱仪。,对半成品和最终成品有着广泛的分析方法,包括:光学显微镜、火焰清理和修磨、磁场检测仪/磁通机、机械测试、超声波测试、图像分析和光谱分析；还有额外的总氧分析、火花光谱分析微区探针分析、光学金相分析、图像分析、扫描电子显微镜-X射线能谱分析、Midas和机械测试对整个工艺改进效果试验钢
20、水的测试,广泛应用总氧分析、微区探针分析、光学金相分析和扫描电子显微镜-X射线能谱分析。,4质量评估,4质量评估,开发新的工艺路线时,通过采用各种分析方法,对整个工艺过程的质量进行监测评估。对已在使用的工艺路线,建立常规的在线监测制度。总氧是考察洁净钢生产能力的主要方法,出厂合格测试一般采用金相分析和机械性能测试。,管线钢特点是产品多样性,有不同的强度级别,适用于各种侵蚀环境下;根据生产设备,生产能力以及所选择的炼钢方法,有很多种工艺路线。绝大多数都是采用转炉生产工艺,但转炉生产工艺与电炉生产工艺相比除了氮含量外,其他的分析结果或洁净度水平并没有多大区别。,5结论,5结论,管线钢主要的产品缺陷
21、是氢致裂纹(HIC),减轻HIC的炼钢方法是利用能够抗HIC的冶金手段,主要有:(1)使偏析程度最小;(2)通过降低S含量以及加入Ca来稳定S,减少MnS的生成;(3)通过延长脱气时间,降低氢含量;(4)钙处理将不规则夹杂物变为硬的、圆形的夹杂物;,(5)通过延长处理时间和控制搅拌操作,改善钢的总体洁净度;(6)最佳化钢包渣的成分,使之具有最大的硫容量和吸收夹杂物的能力;(7)使用稳定的钢包和中间包耐火材料;(8)减少转炉出钢,钢包至中间包和中间包至结晶器的下渣量;(9)采用大容量中间包控制钢水流动使流场最佳;(10)稳定连续的操作;(11)采用密封系统和惰性气体保护以减少二次氧化;(12)减少结晶器内液面波动;(13)采用合适的结晶器保护渣润滑;(14)最优化结晶器流场,减少夹杂物卷入凝固坯壳。,5结论,谢谢！,
