張奇毅 陳海燕 宋延成 徐國慶 潘貴明

（江陰興澄特種鋼鐵有限公司）

高級別管線鋼夾雜物分析與防御措施

張奇毅 陳海燕 宋延成 徐國慶 潘貴明

（江陰興澄特種鋼鐵有限公司）

通過運用化學(xué)成分分析儀、掃描電鏡、能譜儀及ASPEX－1020夾雜物自動分析儀對興澄特鋼X80管線鋼冶煉過程中鋼水成分的變化和夾雜物數(shù)量、密度、成分的變化規(guī)律進行了分析，表明S含量、Al2O3夾雜的變性、去除、連鑄保護澆注是影響夾雜物的關(guān)鍵因素，采取LF精煉和保護澆注等措施有效控制S含量在10×10－6以下；使Al2O3夾雜物變性為鈣鋁酸鹽，促進夾雜上浮與吸收。取得了將鑄坯中的夾雜物尺寸控制在7 μm以下，從而穩(wěn)定管線鋼的各項性能的顯著效果。

管線鋼 夾雜物 精煉

0 引言

近年來，服役環(huán)境的變化對管線鋼的強度、韌性、焊接性及抗腐蝕介質(zhì)氫致裂紋等性能提出的要求越來越高［1］，而鑄坯中大量塑性夾雜（MnS）及脆性夾雜（Al2O3）的存在對軋后管線鋼的各項性能損害很大。故要獲得良好性能的管線鋼，必須加強控制管線鋼中夾雜物數(shù)量、精確控制夾雜物的形態(tài)［2］。

通過研究興澄特鋼X80管線鋼從LF精煉→RH真空處理→中間包過程夾雜物的成分、數(shù)量及大小的變化，討論了煉鋼生產(chǎn)過程中夾雜物的形成機理及演變規(guī)律，為精確控制煉鋼過程的夾雜物、進一步提高鑄坯潔凈度、獲得高質(zhì)量的鑄坯提供依據(jù)。

1 研究方法

1.1 生產(chǎn)工藝

興澄特鋼生產(chǎn)X80管線鋼的工藝為KR鐵水預(yù)處理→150 t轉(zhuǎn)爐→LF精煉→RH真空精煉→150 mm×2 500 mm板坯連鑄，X80鋼種的主要成分和非金屬夾雜物合格級別分別見表1、表2。

表1 X80管線鋼成分要求

表2 非金屬夾雜物合格級別

1.2 研究方法

本研究對LF精煉→RH真空精煉→中間包各工序進行系統(tǒng)取樣，并將LF精煉前期所取試樣編號為1＃，LF精煉結(jié)束后所取試樣編號為2＃；RH精煉前期所取試樣編號為3＃，RH精煉結(jié)束所取試樣編號為4＃；中間包澆注過程中所取試樣編號為5＃。通過化學(xué)成分分析儀對所取試樣進行化學(xué)成分分析；利用掃描電鏡（SEM）與能譜分析（EDS）分析所取試樣的夾雜物成分；掃描電鏡觀察后，利用AS?PEX－1020夾雜物自動分析儀對試樣中5 mm2視場內(nèi)的夾雜物的尺寸，面積，成分等參數(shù)進行系統(tǒng)統(tǒng)計。

2 結(jié)果與分析

2.1 鋼液成分分析

X80管線鋼冶煉過程中主要元素含量變化見表3。

表3 煉鋼過程中鋼水成分變化 ／%

由表3可知，LF精煉前，加入脫氧劑進行預(yù)脫氧，并進行合金成分的微調(diào)；LF精煉過程中進行成分終確定，加入合金，鋼水中的Si、Mn含量又明顯上升；在RH精煉過程中，鋼液中的Al、Si、Ca含量有所增加；在整個精煉過程中，鋼液中C含量控制有效，S基本都在10×10－6以下，成分控制效果較好；在連鑄過程中，二次氧化得到控制，保護澆鑄效果明顯。

2.2 各工序夾雜物的演變

2.2.1 LF精煉前期夾雜物成分分析

LF精煉前期典型的夾雜物成分見表4。

表4 LF前期典型夾雜物的成分／%

由表4可知，由于X80出鋼后采用脫氧劑預(yù)脫氧工藝，鋼液中生成的夾雜物成分以Al2O3為主，并含有少量的SiO2與MnO，可能與加入的Si、Mn合金發(fā)生氧化有關(guān)。

2.2.2 LF精煉后期夾雜物成分分析

LF冶煉后期典型的夾雜物成分見表5。

表5 LF精煉后期典型夾雜物的成分／%

由表5可知，LF冶煉后期夾雜物主要特點是高Al2O3含量，以 Al2O3－ MgO－CaO－（CaS／MnS）、Al2O3－SiO2－MnO、Al2O3－MgO 等復(fù)合夾雜物為主。

LF精煉過程，鋼水中的［Al］容易與爐襯及爐渣中的MgO發(fā)生反應(yīng)如式（1）。當鋼中的Mg含量增加到一定時，Mg與鋼水中的Al2O3夾雜物反應(yīng)如式（2），導(dǎo)致夾雜物中含有 MgO 組分［3－4］。

鋼水中的Al的在鋼渣界面同樣容易與渣中活度較高的CaO發(fā)生反應(yīng)如式（3），反應(yīng)生成的Ca可以與夾雜中的Al2O3反應(yīng)或與MgO反應(yīng)置換出Mg，導(dǎo)致CaO－Al2O3－MgO類夾雜的產(chǎn)生，夾雜物中少量CaS、MnS成分是在鋼液冷卻過程再次析出的［5］。

2.2.3 RH前期夾雜物成分分析

RH前期典型夾雜物的成分見表6。

表6 RH前期典型夾雜物的成分／%

由表6可知，RH前期由于夾雜物變性處理，夾雜物中的CaO含量增加，MgO的含量開始減少，夾雜物開始發(fā)生變性。成分向富含CaO的MgOAl2O3－CaO－（CaS），Al2O3－SiO2－CaO－（MnO）轉(zhuǎn)變，變性效果較好的夾雜物成分靠近12CaO－7Al2O3的低熔點區(qū)域。由于RH前期夾雜物變性不完全，夾雜物中仍然存在少量以Al2O3為主成分的夾雜物。

2.2.4 RH后期夾雜物成分分析

對RH后期典型夾雜的成分進行了分析，分析結(jié)果見表7。

表7 RH后期典型夾雜物的成分／%

由表7可知，RH前期低熔點的夾雜物在鋼液循環(huán)的過程中基本上浮去除，殘留鋼中的夾雜物以高CaO含量的鋁酸鹽為主，少量CaS、MnS仍然是鋼水降溫過程析出。

2.2.5 中間包夾雜物成分分析

連鑄中間包時期典型的夾雜物的成分見表8。

表8 連鑄中間包時期典型夾雜物的成分 ／%

由表8可知，鋼中殘留夾雜物的主要類型為高CaO 含量的 Al2O3－CaO－MgO－（MnO／CaS／MnS），殘留夾雜物的nCaO／nAl2O3位于2.5～5.0之間，這類鈣鋁酸鹽在中間包中不是純液態(tài)，碰撞長大的趨勢減弱，不易去除，最終遺留到鑄坯中。

2.2.6 冶煉過程夾雜數(shù)量及大小變化

X80管線鋼生產(chǎn)過程中單位面積夾雜物數(shù)量和夾雜物平均尺寸的變化趨勢如圖1所示。

圖1 冶煉過程夾雜物尺寸和單位面積夾雜物數(shù)量變化

從圖1可以看出，鋼液夾雜物的數(shù)量呈先增多后減小趨勢，夾雜物的尺寸在LF精煉開始后總體保持較小，RH精煉開始后呈逐漸降低趨勢。

LF精煉前期的鋼水在出鋼混沖時加入脫氧劑，鋼液迅速產(chǎn)生大量脫氧產(chǎn)物Al2O3，使鋼水中單位面積夾雜物數(shù)量迅速上升，而Al2O3與鋼液的潤濕角較小，易碰撞生長為簇群狀，而尺寸較大夾雜物易于上浮，使鋼水中的夾雜物尺寸減??；LF精煉后期由于補加合金進行鋼水成分的調(diào)整和進一步脫氧，鋼液中重新產(chǎn)生大量彌散夾雜物，夾雜物碰撞長大導(dǎo)致RH前期夾雜物尺寸又略微增加；RH真空精煉過程中在鋼水循環(huán)及夾雜物變性作用下，大量夾雜物上浮去除，夾雜物數(shù)量與尺寸都逐漸降低；中間包冶煉過程中，溫降過程中生成新的夾雜物，單位面積夾雜物數(shù)量有所增加，但平均尺寸保持在7 μm以下，且從鋼液鋁損可知中間包澆注過程中保護操作較好，沒有發(fā)生明顯的二次氧化。

2.2.7 冶煉過程Al2O3夾雜成分演變行為

研究結(jié)果表明，管線鋼中的塑性夾雜（MnS）與脆性夾雜（Al2O3）是影響管線鋼性能的主要根源，對于MnS的控制最重要的是保證鋼液中S含量較低，而Al2O3的控制主要通過夾雜變性去除或生成不易變形的鈣鋁酸鹽，減少對管線鋼性能的損害。

圖2是以Al2O3為主成分的夾雜物變性行為，為了準確表示夾雜變性處理對夾雜物的改性程度，將冶煉過程夾雜物的成分標注于1 600℃（精煉溫度）CaO－Al2O3－MgO 三元相圖中［7］，其中虛線和實線分別表示夾雜物液相所占質(zhì)量分數(shù)分別為50%、100%的范圍。

從圖2可以看出，出鋼過程生成的Al2O3在LF冶煉過程中逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)锳l2O3－MgO－CaO類夾雜；在RH冶煉前期由于要進行夾雜變性處理，夾雜向100%液相低熔點區(qū)偏移；當RH冶煉結(jié)束后，鋼液中有50%液相的的夾雜物遺留；到中間包過程中，鋼液中夾雜物的基本都位于50%液相區(qū)，變性效果優(yōu)異的低熔點夾雜物基本都被去除，而50%液相的夾雜物不易上浮去除最終遺留在鑄坯中。鑄坯中的夾雜大多已經(jīng)變性成不易變形的鈣鋁酸鹽，且尺寸較小，對鋼材的性能損害較小，這類夾雜可以通過增加軟吹時間，延長在中間包中的停留時間增強去除效果。

圖2 Al2O3夾雜演變行為

3 夾雜物控制要點

興澄特鋼生產(chǎn)的X80管線鋼夾雜物坯料以不易變形的鋁酸鹽夾雜物為主，平均直徑在7 μm以下，有效控制了MnS及Al2O3夾雜對管線鋼性能的危害。

3.1 LF精煉工藝控制

LF精煉工藝控制要做到以下幾個方面：（1）保證BOF出鋼溫度，鋼水到LF工位后，加渣料。（2）LF處理時間必須保證。確保LF冶煉過程的夾雜物能夠完成塑性轉(zhuǎn)變，同時保證夾雜物有充足的時間上浮，且能夠被爐渣吸收去除，以提高鋼水潔凈度。保證LF精煉過程送電時間，確保精煉過程能夠快速造渣，為鋼渣反應(yīng)提供良好的動力學(xué)條件，同時保證鋼水添加的合金能夠快速融化。（3）使用脫氧劑擴散脫氧。（4）做好鋼水的合金化。（5）氬氣按照吹氬曲線控制，杜絕硬吹。（6）盡量把S脫低，必須小于0.001 0%。

3.2 X80管線鋼RH精煉工藝控制

保證RH循環(huán)時間，以確保RH的夾雜物碰撞長大、以及渣洗去除。保證RH結(jié)束的軟吹時間，以確保鋼水夾雜物的上浮、以及被渣吸附。

3.3 X80管線鋼連鑄工藝控制

中間包冶金過程中使用專用中包覆蓋劑，并添加專用保護渣，過熱度控制在25℃～35℃范圍內(nèi)，連鑄長水口腕部采用吹氣保護澆注，連鑄鋼包采用下渣監(jiān)測系統(tǒng)。保證中包噸位控制。

4 結(jié)論

（1）X80管線鋼鋼液夾雜物的數(shù)量呈先增多后減小趨勢，夾雜物的尺寸在LF精煉開始后總體保持較小，RH精煉開始后呈逐漸降低趨勢，最終保持在7 μm以下。

（2）LF鋼包精煉前期，X80夾雜物主要為脫氧產(chǎn)物Al2O3；LF鋼包精煉后期夾雜物多為鎂鋁尖晶石、高Al2O3含量的MgO－Al2O3－CaO等復(fù)合夾雜物；RH真空精煉過程中夾雜物在過程中發(fā)生變性，生成低熔點的鈣鋁酸鹽；中間包澆注過程夾雜物多為高熔點的鈣鋁酸鹽且溫降析出的MnS、CaS數(shù)量增多。

（3）通過LF精煉過程有效控制S含量在10×10－6以下，變性Al2O3夾雜物，促進了夾雜物的上浮與吸收，保護澆鑄等措施可以有效控制X80管線鋼夾雜物的數(shù)量與形態(tài)，減少其對管線鋼各項性能的損害。

［1］ 孫決定.我國管線鋼生產(chǎn)現(xiàn)狀概述［J］.鞍鋼技術(shù)，2006（6）：10.

［2］ 鄭磊，高珊.寶鋼管線鋼的開發(fā)與應(yīng)用［J］.鋼鐵，2002，37（增）：417.

［3］ 劉建華，包燕平，王敏，等.X70管線鋼夾雜物變性工業(yè)試驗研究［C］.第十五屆全國煉鋼學(xué)術(shù)會議文集［A］.廈門：中國金屬學(xué)會煉鋼分會， 2008：300－307.

［4］ 劉建華，包燕平，李太全，等.高級別管線鋼精煉工藝分析［J］.北京科技大學(xué)學(xué)報，2007，8（20）：1.

［5］ 張彩軍，蔡開科，袁偉霞.管線鋼硫化物夾雜及鈣處理效果研究［J］.鋼鐵，2006，41（8）：31.

［6］ 蘇曉峰，陳偉慶，裴鳳娟.X70管線鋼中夾雜物控制研究［J］.河南冶金，2009，17（1）：14.

［7］ 蔣育翔，焦興利.X80管線鋼夾雜物控制工藝的研究［J］.特殊鋼，2011，32（1）：1.

ANALYSIS AND DEFENSIVE MEASURES OF INCLUSIONS IN HIGH GRADE PIPELINE STEEL

Zhang Qiyi Chen Haiyan Song Yancheng Xu Guoqing Pan Guiming
（Jiang Yin Xing Cheng Special Steel Works Co.，Ltd）

By the apparatus of chemical composition analyzer， scanning electron microscope， energy spectrometer and ASPEX－1020 inclusions automatic analyzer， variation of molten steel composition in smelting process and the variation of inclusions in number， density and composition of inclusions in pipeline steel X80， which produced by Xing Cheng Special Steel，is analyzed.The results prove that the degeneration of S content and Al2O3inclusions together with the continuous casting protection pouring are the key factor affecting inclusions.Under this operation，the sulphur content can be effectively controlled below 10 ×10－6； Al2O3inclusions are denatured to calcium aluminate and the inclusion is floating and absorbed.The inclusions in the slab are controlled to a size of 7 μm or less and all these are helpful to all performance of pipeline steel.

pipeline steel inclusion refining

聯(lián)系人：張奇毅，工程師，江蘇.江陰（214429），江陰興澄特種鋼鐵有限公司特板煉鋼分廠生產(chǎn)技術(shù)室；

2017—6—12