劉曉明，張慈

（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，天津，300301）

37Mn氣瓶鋼連鑄圓管坯的開發(fā)

劉曉明，張慈

（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，天津，300301）

天鋼通過采用“鐵水→轉(zhuǎn)爐→LF→VD→圓坯連鑄”流程，開發(fā)出37Mn氣瓶鋼連鑄圓管坯，并較好地控制了P元素、S元素、氣體元素和夾雜物。生產(chǎn)實(shí)踐表明，37Mn氣瓶鋼連鑄圓管坯成分穩(wěn)定，有害元素含量低，鑄坯質(zhì)量良好，性能指標(biāo)穩(wěn)定，完全能夠滿足使用要求。

氣瓶；連鑄；圓坯；雙渣；低磷；低硫

1　引言

高壓氣瓶作為一種氣體儲(chǔ)存容器，廣泛用于工業(yè)、礦業(yè)、建筑、交通、海洋、航空、醫(yī)療、軍事等國民經(jīng)濟(jì)各部門［1-3］。目前國內(nèi)普遍使用的為鋼制無縫氣瓶，采用無縫鋼管做坯料，通過熱旋壓收口收底成型制成［4］。由于氣瓶所充裝的介質(zhì)種類很多，且具有易燃、易爆、劇毒或腐蝕特性，加之氣瓶重復(fù)充裝和流動(dòng)性大，一旦發(fā)生爆炸或泄漏，往往并發(fā)火災(zāi)或中毒，引起災(zāi)難性事故發(fā)生。因此，氣瓶的質(zhì)量對于生產(chǎn)安全極為重要。近些年來，隨著煉鋼連鑄工業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，引入了轉(zhuǎn)爐留渣雙渣工藝、LF爐外精煉、VD真空處理、連鑄電磁攪拌等技術(shù)，采用連鑄技術(shù)生產(chǎn)的圓管坯質(zhì)量得到了大幅度的提高，能夠生產(chǎn)出低有害元素、較少夾雜物的連鑄圓坯，而且解決了偏析、縮孔、疏松等嚴(yán)重影響連鑄圓坯質(zhì)量的問題。采用連鑄生產(chǎn)的圓管坯與傳統(tǒng)的軋制坯相比較，具有成材率高，生產(chǎn)成本低等特點(diǎn)。越來越多的廠家更傾向于采購連鑄圓管坯進(jìn)行加工制造。天津鋼鐵集團(tuán)有限公司（以下簡稱天鋼）近些年通過裝備升級，具備了鋼水爐外精煉、真空脫氣等精煉手段，工藝水平有了大幅度的提高，通過市場調(diào)研和技術(shù)儲(chǔ)備，開始了高壓氣瓶用鋼的研制開發(fā)工作。

2　質(zhì)量要求

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《GB18248-2008氣瓶用無縫鋼管》中規(guī)定的氣瓶鋼牌號，同時(shí)結(jié)合天鋼生產(chǎn)設(shè)備和技術(shù)的實(shí)際情況，確定開發(fā)牌號為37Mn的氣瓶鋼。其生產(chǎn)流程為鐵水→轉(zhuǎn)爐→LF→VD→圓坯連鑄。由于氣瓶鋼內(nèi)部加壓儲(chǔ)存氣體，其對鋼中的有害元素如P、S、氣體元素等控制要求較高，對夾雜物的要求較為嚴(yán)格，同時(shí)要求鑄坯的內(nèi)部和外部質(zhì)量良好。

磷（P）：對于氣瓶鋼來說，較高的磷含量會(huì)使其低溫沖擊功顯著降低，并且更容易產(chǎn)生細(xì)小裂紋，導(dǎo)致充裝時(shí)開裂、爆炸等嚴(yán)重后果。為了提高氣瓶鋼的質(zhì)量，需更采取手段嚴(yán)格的控制鋼中磷含量，要求［P］≤0.020%。

硫（S）：硫在鋼中形成帶狀分布的MnS和FeS夾雜物，使鋼在熱加工時(shí)容易脆裂，形成“熱脆”；硫還會(huì)降低鋼的延展性和韌性，更加不利于氣瓶鋼的熱成型加工。硫化物夾雜還會(huì)產(chǎn)生局部的顯微組織疏松，降低鋼材的耐腐蝕性，對氣瓶在后期使用和儲(chǔ)存過程中均有不利影響。為了減少S元素的危害，需控制［S］≤0.010%。

氧（O）：鋼中的氧含量是衡量鋼純凈度的一個(gè)重要的標(biāo)志，通常用鋼中總氧T［O］含量來衡量鋼中氧含量的高低，鋼中T［O］含量越低，則鋼就越“干凈”，鋼的綜合性能越好，要求控制T［O］≤0.003 0%。

氮（N）：鋼中的氮含量增加，可使鋼材產(chǎn)生時(shí)效脆性，降低鋼的沖擊韌性，也可引起鋼的冷脆等不利影響。為了防止氮的危害，要求控制［N］≤0.008 0%。

氫（H）：鋼中的氫則是引起氫脆、白點(diǎn)、鼓泡等缺陷的直接原因，要防止氫致危害，需控制［H］≤0.002%。

夾雜物：氣瓶鋼對夾雜物要求較為嚴(yán)格，無論脆性夾雜物還是塑性夾雜物，對鋼材質(zhì)量都有較嚴(yán)重的影響，因此在該鋼種冶煉中要重點(diǎn)控制夾雜物的類型、尺寸、數(shù)量以及分布，尤其要重點(diǎn)控制硫化物夾雜和Al2O3類夾雜。

鑄坯質(zhì)量：氣瓶鋼對鑄坯原始缺陷較為敏感，鑄坯中的裂紋、白點(diǎn)、氣泡等缺陷在氣瓶加工過程中都會(huì)造成影響。需保證鑄坯表面不存在目視可見的裂紋、凹坑、機(jī)械劃痕、壓痕等，低倍組織達(dá)到中心裂紋≤0.5級；中間裂紋≤0.5級；縮孔≤1.0級；中心疏松≤1.0級；皮下裂紋和皮下氣泡分別≤1.0級。

3　質(zhì)量關(guān)鍵控制點(diǎn)

氣瓶鋼質(zhì)量控制主要集中在對P、S元素和氣體元素的控制、對夾雜物的去除和改性，以及對鑄坯質(zhì)量的提升與改進(jìn)上。

3.1P元素的控制

在轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中有兩個(gè)脫磷的有利時(shí)機(jī)：即快速脫碳開始前的硅、錳磷氧化期和脫碳基本結(jié)束時(shí)的冶煉后期。傳統(tǒng)轉(zhuǎn)爐煉鋼過程一般是選擇冶煉后期高溫脫磷的技術(shù)路線，采用單渣操作，加大渣量，加強(qiáng)供氧。其優(yōu)點(diǎn)是鋼水成分和溫度的命中率相對較高，缺點(diǎn)是鋼水氧化性強(qiáng)，渣量大，耐材消耗高，合金回收率較低，導(dǎo)致生產(chǎn)成本高。而當(dāng)鐵水［P］含量較高時(shí)，此方法的經(jīng)濟(jì)性相對較差。通過研究熔池溫度、爐渣堿度和氧化性等因素對轉(zhuǎn)爐脫磷的影響，開發(fā)了一種轉(zhuǎn)爐煉鋼留渣雙渣法脫磷工藝，見圖1。

圖1　留渣雙渣法流程示意圖

留渣雙渣法是指將轉(zhuǎn)爐上爐部分或全部的高堿度、高FeO的終渣留在轉(zhuǎn)爐中，然后添加渣料進(jìn)行冶煉，在轉(zhuǎn)爐冶煉前期結(jié)束后倒出大部分前期渣，再補(bǔ)充少部分渣料重新造渣。此方法利用了上一爐終渣的高堿度和高氧化性，提高了前期脫磷效率，前期結(jié)束后倒掉含磷量較高的爐渣，有效地防止了后期回磷，從而提高了整個(gè)轉(zhuǎn)爐流程的脫磷率，消除了鐵水［P］較高帶來的不利影響，有利于提升鋼水質(zhì)量。

冶煉過程中，針對轉(zhuǎn)爐前期，堿度控制在1.8～2.0，渣中TFe控制在10%～15%，倒渣溫度控制在1 350～1 400℃，倒渣量80%以上，可達(dá)到較高的前期脫磷效率。冶煉的中后期，需控制好脫碳速度，防止?fàn)t渣返干，同時(shí)減少鋼液回磷現(xiàn)象，控制轉(zhuǎn)爐終渣堿度3.0左右，終點(diǎn)溫度約為1 620℃。

3.2S元素的控制

LF爐精煉非常適合于低硫、超低硫鋼的生產(chǎn)，可以創(chuàng)造極為優(yōu)越的脫硫熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)，實(shí)現(xiàn)深脫硫工藝。

在LF精煉過程中，根據(jù)氣-渣平衡定義硫容量［5］：

式中，CS為硫容量；ω（S）為渣中硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；PO2、PS2為渣-氣平衡時(shí)氣相中的氧分壓和硫分壓。

由于此式計(jì)算不便，又根據(jù)渣與鋼液的平衡定義另一種硫容量［5］：

式中，aO、aS為渣-鋼平衡時(shí)鋼液中的氧和硫的活度。

一般鋼中的硫活度系數(shù)接近1，則可以用鋼中硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)來代替其活度，則公式（2）可改寫為：

式中，LS為硫在渣和鋼中的分配比，即渣和鋼中的硫分配系數(shù)。

由公式（3）可知，硫容量增加到n倍與氧活度降低到1/n對硫分配比的影響是等效的。實(shí)際生產(chǎn)中，往往更傾向于提高堿度R，使Cs增大，進(jìn)而使?fàn)t渣的LS增大，但是通過深脫氧、降低爐渣的氧化性從而降低ao以增大LS同等的重要。這也是LF精煉過程實(shí)現(xiàn)深脫硫的關(guān)鍵所在［6］。

在生產(chǎn)過程中，需提高爐渣堿度以促進(jìn)脫硫反應(yīng)發(fā)生，控制終渣堿度到4.0左右，同時(shí)要注重脫氧效果，降低渣的氧化性，保證爐渣中FeO+MnO≤1.0%。

3.3氣體元素的控制

3.3.1O的控制

鋼中氧的來源很大一部分是轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)吹入的過量氧。因此在轉(zhuǎn)爐冶煉過程中，主要是控制鋼水中溶解氧［O］溶，轉(zhuǎn)爐的實(shí)際操作及控制水平與終點(diǎn)鋼水［O］溶含量的高低有直接關(guān)系，而轉(zhuǎn)爐鋼水［O］溶含量的高低，則直接影響到后續(xù)工序和成品鋼中氧含量高低。隨著轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳含量的增加，鋼水中溶解氧含量下降。

圖2為碳氧平衡曲線。由圖可知，當(dāng)轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)C≤0.05%時(shí)，鋼中溶解氧含量高于560×10-6，且隨著鋼中碳含量的降低，鋼中的溶解氧含量急劇增加，鋼水處于過氧化狀態(tài)。此時(shí)出鋼，爐后合金的回收率和鋼水的潔凈度都大受影響；而當(dāng)轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)C≥0.10%以后，則鋼中溶解氧含量低于300×10-6，且溶解氧隨碳含量的增加而減少的幅度也比較小。在轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)控制中，需要嚴(yán)格執(zhí)行“高拉碳”操作，降低鋼水中的氧含量。

圖2　碳氧平衡曲線圖

3.3.2N的控制

鋼中的氮含量增加，可使鋼材產(chǎn)生時(shí)效脆性，降低鋼的沖擊韌性，也可引起鋼的冷脆等不利影響。為了控制鋼中氮含量，可采取以下措施：

（1）維護(hù)好出鋼口形狀，防止出鋼時(shí)散流，減小接觸空氣面積；

（2）出鋼后期加入覆蓋劑，防止鋼水接觸空氣吸氮；

（3）LF精煉過程及時(shí)的形成泡沫渣，注意埋弧操作；

（4）選用含氮量低的覆蓋劑材料，保證中間包覆蓋劑良好覆蓋。

3.3.3H的控制

鋼中的氫是引起氫脆白點(diǎn)鼓泡等缺陷的直接原因。而對鋼中氫的控制，主要方法有：

（1）加強(qiáng)鋼包的周轉(zhuǎn)管理和烘烤，做到紅包出鋼；

（2）保證爐后合金和入爐粉料的干燥；

（3）鑄坯下線之后堆冷48 h以上，保證其中氫的充分釋放。

3.4夾雜物的控制

對氣瓶鋼來講，夾雜物對鋼的強(qiáng)度、韌性、抗疲勞性能、抗腐蝕性均有不利影響。因此在氣瓶鋼生產(chǎn)中，采用鈣處理工藝來實(shí)現(xiàn)減輕以致消除夾雜物危害的目的。

3.4.1Al2O3夾雜

氣瓶鋼中由于含鋁，脫氧過程中會(huì)形成簇狀的Al2O3，連鑄時(shí)易粘附在水口壁上、積累長大結(jié)瘤，會(huì)引起水口堵塞；在鋼材加工時(shí)，它在鋼中呈鏈狀或串狀分布，惡化鋼材內(nèi)部和表面的質(zhì)量［7］。精煉過程結(jié)束后，向鋼液中喂入鈣線，可使Al2O3夾雜變?yōu)榈腿埸c(diǎn)的鈣鋁酸鹽7Al2O3.12CaO，使其更容易上浮，從鋼液中去除。

3.4.2硫化物夾雜

鋼中Mn和S易于結(jié)合產(chǎn)生長條形的MnS夾雜，對氣瓶鋼的后續(xù)熱加工性能、耐腐蝕性能均有不利影響。Ca與Mn相比，具有更強(qiáng)的親和S能力，在喂入鈣線之后，使得MnS變成CaS。由于CaS熔 ANJINMETALLURGY點(diǎn)更低，易于在軟吹過程中上浮去除，并且殘余在鋼中的CaS呈球狀均勻分布，消除了長條狀的MnS夾雜物的不利影響。

3.5鑄坯質(zhì)量的控制

氣瓶鋼圓坯的中心疏松、偏析等缺陷容易造成較大的質(zhì)量危害。為此采用以下措施改善鑄坯的質(zhì)量：

合理控制鑄機(jī)二冷水比水量，保證二次冷卻的均勻，以減少甚至杜絕鑄坯表面裂紋的發(fā)生。

鋼水的過熱度控制在20～30℃范圍內(nèi)，穩(wěn)定拉速，結(jié)晶器液位波動(dòng)穩(wěn)定在±3 mm以內(nèi)。按照不同的斷面規(guī)格設(shè)定合理的拉速范圍。

使用結(jié)晶器電磁攪拌，保證鑄坯結(jié)晶組織致密、均勻，減少鑄坯柱狀晶率，避免鑄坯裂紋、縮孔等缺陷，改善連鑄坯的表面質(zhì)量

4　實(shí)物質(zhì)量情況

天鋼2015年全年生產(chǎn)37Mn圓坯約200爐，隨機(jī)抽取了其中20爐的數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1　成品成分統(tǒng)計(jì)wt/%

由表1可知，鋼的化學(xué)成分完全符合設(shè)計(jì)要求，并且波動(dòng)范圍較小，P、S含量較低，達(dá)到了較高水平，氣體元素N、H、O含量低，鋼的潔凈度較高。

表2為低倍組織檢驗(yàn)情況。可見除有0.5級的中心疏松和中心偏析缺陷外，其它缺陷均未出現(xiàn)，鑄坯實(shí)物質(zhì)量良好。

表2　連鑄圓坯低倍組織檢驗(yàn)情況

鑄坯低倍組織形貌見圖3。

天鋼生產(chǎn)的37Mn圓坯發(fā)往某無縫鋼管生產(chǎn)廠家，經(jīng)檢測，實(shí)物力學(xué)性能常規(guī)檢驗(yàn)結(jié)果見表3。

從表3結(jié)果可看出，實(shí)物力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果完全符合標(biāo)準(zhǔn)的要求，且指標(biāo)穩(wěn)定。

5　結(jié)論

圖3　圓坯低倍組織形貌

表3　鋼管實(shí)物力學(xué)性能要求及檢驗(yàn)結(jié)果

天鋼開發(fā)了“鐵水→轉(zhuǎn)爐→LF→VD→圓坯連鑄”流程生產(chǎn)37Mn氣瓶鋼圓管坯，其工藝合理可行。

通過轉(zhuǎn)爐留渣雙渣工藝，降低了成品的磷含量；LF精煉通過深脫硫工藝，降低了成品的硫含量；通過N、H、O氣體控制手段降低了鋼中氣體含量，通過鈣處理工藝消除了Al2O3和硫化物夾雜的危害；連鑄采用低過熱度控制、結(jié)晶器電磁攪拌，提高了鑄坯質(zhì)量。

天鋼生產(chǎn)的37Mn圓管坯化學(xué)成分穩(wěn)定，波動(dòng)范圍小，有害元素含量低，鑄坯質(zhì)量良好。

使用天鋼37Mn圓管坯生產(chǎn)的氣瓶鋼實(shí)物經(jīng)檢測性能良好，各性能指標(biāo)滿足用戶要求，且指標(biāo)穩(wěn)定。

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Development of 37M n Round Billet for Gas Cylinder

LIU Xiao-ming and ZHANG Ci
（Technology Center of Tianjin Iron and Steel Group Co.，Ltd.，Tianjin 300301，China）

Continuous cast 37Mn round billet for gas cylinder was developed by Tiangang by a process of"molten iron→converter→LF→VD→round billet casting".Phosphorous，sulfur，gas elements and inclusions were well controlled.Production practice showed the above round billet possessed stable compositions and low content of detrimental elements and could completelymeet the demand by the application with its good quality and stable performance indices.

gas cylinder；continuous casting；round billet；double slag；low phosphorous；low sulfur

10.3969/j.issn.1006-110X.2016.04.001

2016-03-07

2016-04-07

劉曉明（1984—），男，吉林輝南人，碩士，工程師，主要從事產(chǎn)品開發(fā)和煉鋼工藝優(yōu)化工作。