CN102676744A

CN102676744A - 一种vd-lf-vd精炼生产抗酸管线钢的工艺

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Publication number: CN102676744A
Application number: CN2012102007364A
Authority: CN
Inventors: 成泽伟; 王永胜
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2012-06-18
Filing date: 2012-06-18
Publication date: 2012-09-19

Abstract

本发明一种VD-LF-VD精炼生产抗酸管线钢的工艺，该工艺利用转炉粗炼和RH-LF-RH精炼工艺控制钢水成分，生产低碳、低硫的抗酸（抗HIC和SCC）管线钢。具体工艺流程为：铁水预脱硫-转炉冶炼-第一次VD真空精炼-LF精炼脱硫-第二次VD真空精炼-连铸。本发明利用二次VD真空精炼过程，既能减轻转炉脱碳负担，降低钢水氧化性又能消除LF炉精炼过程增碳的不利影响，而且减少强脱氧剂的使用，稳定生产，保证钢水成分稳定控制在生产目标以内，满足抗酸管线钢对低碳、低硫和高纯净度的成分控制要求。利用本发明工艺流程生产的成品钢中碳含量可以稳定控制在0.03%~0.04%，同时硫含量可以稳定控制在≤0.0010%。

Description

一种VD-LF-VD精炼生产抗酸管线钢的工艺

技术领域

本发明属于高级别抗酸管线钢的冶炼生产领域，涉及利用转炉炼钢和VD-LF-VD精炼准确控制钢中成分的冶炼工艺，该工艺既能大大减轻转炉脱碳负担，降低钢水氧化性和出钢温度，延长转炉炉龄，又能充分发挥LF炉精炼脱硫功效，VD真空二次处理消除LF过程增碳的不利影响，减少强脱氧剂加入量，降低钢中脱氧夹杂物，提高纯净度，炉次成分均匀，生产工艺稳定，可操作性强，满足抗酸（抗HIC和SCC）管线钢对低碳、低硫和高纯净度的成分控制要求。

背景技术

管道输送是长距离输送石油、天然气最经济、合理的运输方式，具有高效、经济、安全等特点。目前输送管道正向大口径、高压力方向发展。管线钢在要求高强度的同时还要求具有高的低温止裂韧性和良好焊接性。而且20世纪70年代以来，各国石油、天然气的开发条件发生了明显变化，目前虽然天然气在输送前进行了净化处理，但H₂S及水的存在引起管道腐蚀仍然不可避免。还有一些特殊油、气输送地区的管线钢也会发生腐蚀现象。因此近年来管线钢对抗腐蚀能力，特别是抗氢致裂纹（HIC）和硫化物应力腐蚀（SCC）的要求越来越高。

氢致裂纹(Hydrogen Induced Crack-HIC)是由腐蚀生成的氢原子进入钢中，聚集在MnS与母材的界面上，沿着碳、锰和磷偏析的异常组织扩展或沿着带状组织相界扩展，当氢原子结合成氢分子，产生较大压力，于是形成平行于轧制面，沿轧制方向的裂纹。

硫化物应力腐蚀(Stress Corrosion Cracking-SCC)是在H₂S和CO₂等腐蚀介质、土壤和地下水中各种酸离子的作用下，腐蚀生成的氢原子经钢材表面进入钢材内部，并逐步富集于应力集中区域，使钢材脆化并沿垂直于拉伸力方向扩展而开裂。

具有高抗HIC和SCC能力的管线钢成分设计思想为低碳、低硫、低磷、适宜锰含量、微合金化、高纯净度。同时结合热控轧控冷（TMCP）工艺，降低宏观偏析和带状组织，获得稳定的双相组织，保证管线钢具有优良的力学性能和抗酸腐蚀性能。

碳是钢中传统的强化元素，也是最经济的元素强化元素。然而碳对钢的韧性、塑性、焊接性等有不利影响。并且随着碳含量的增加，HIC敏感性增加。当碳含量低于0.11%时管线钢可具有良好的焊接性。当碳含量超过0.05%时，将导致锰和磷的偏析加剧，当碳含量小于0.04%时，能有效防止HIC的产生。近代管线钢的发展过程是不断降低碳含量的过程，一般要求小于0.10%，对需要高韧性或抗酸（抗HIC和SCC）管线钢则采用碳小于0.06%的超低碳含量设计。钢水深脱碳主要是利用真空精炼处理，靠钢水中的氧进行脱碳，通过降低[C]+[O]={CO}反应的CO气体分压，促进脱碳反应进行，生产低碳或超低碳钢。钢水真空脱碳最主要的设备为RH真空循环精炼和VD真空搅拌精炼。VD精炼是一种应用广泛的真空精炼方式，同样具有良好的脱碳条件，国内外已有很多钢厂开始采用VD处理来生产极低碳或超低碳钢，而且已获得了很好的处理效果。

硫是危害管线钢质量的主要元素之一，它严重恶化管线钢的抗酸（抗HIC和SCC）性能。研究表明：随着钢水中硫含量增加，裂纹敏感性显著增加；只有当钢中硫<0.0012%时，HIC明显降低。另外，硫还导致管线钢各向异性，在横向和厚度方向上韧性恶化。管线钢对硫含量的要求很苛刻，对于X60及以上级别抗酸管线钢，要满足制管后得到优良地抗酸（抗HIC和SCC）性能，钢中C<0.04%，同时钢中S<0.0010%。目前超深脱硫技术主要应用了系统控制的思想，从控制原辅材料中的硫含量着手，从铁水预处理脱硫开始加强各个工序的脱硫，整体控制，分步实施，取得了很好的脱硫效果。铁水预脱硫是一种较经济、有效的脱硫方法，在工业生产中得到广泛的采用。转炉的脱硫能力相当有限。特别在铁水原始硫含量很低的情况下，由于入炉的造渣料、废钢及耐火材料等炉料带入的硫，往往出现转炉过程回硫现象。因此、在转炉出钢后必须对钢水进行炉外脱硫。利用LF炉电极加热、钢包底吹氩、造高碱度渣进行深脱硫，成品硫含量可降低至0.0005%。

为了满足抗酸管线钢对钢水成分的要求，目前国内各钢厂主要生产流程为铁水预处理-顶底复吹转炉冶炼-炉外精炼（LF精炼和RH或VD真空处理组合）-连铸的一次真空精炼（只经过一次真空精炼）工艺过程。LF脱硫能力比较强，冶炼管线钢时脱硫率可达到70%~90%。但LF脱硫同时存在增碳矛盾。RH或VD真空精炼，具备脱碳、脱气等功效，但造成钢水温度降低。因此生产过程中钢水脱碳和脱硫及钢水保温存在矛盾和生产限制。例如LF-RH工艺，LF脱硫升温工艺在RH之前，而脱硫的必要条件是钢中氧要控制在非常低的水平，因此在转炉出钢和LF处理前期要加入脱氧剂对钢水进行深脱氧才能保证LF的深脱硫效果，这导致后续RH真空精炼氧脱碳时，钢中氧含量不足以将碳脱除至钢种要求的水平，只能通过向钢水中吹氧进行强制脱碳，之后再向钢中加入脱氧剂控制氧含量在规定的范围内。这不仅消耗了过多的脱氧剂，而且使钢中的夹杂物增多，去除难度加大。另外由于RH工序在后，要求LF炉终点时钢水温度较高，以保证RH精炼过程的温降，而且由于LF精炼过程不可避免地使钢水增碳，因此也要求转炉出钢时碳含量要脱至较低水平。而对于RH-LF工艺，由于LF精炼过程使钢水增碳，因此要求RH精炼过程要将钢水中碳含量脱至比较低的水平，才能保证成品钢水中碳含量控制在要求的范围内，RH处理过程难度加大，而且钢水温降也较大。为减小LF升温时间（LF电极加热过程越长，钢水增碳较多）就要求转炉出钢时温度更高，碳含量更低。LF-VD或VD-LF工艺也存在相同的问题。以上工艺都只有一次RH或VD真空精炼过程，即增加转炉冶炼负担、降低炉龄，钢水纯净度较差，同时对于LF和RH或VD真空精炼过程的要求也比较苛刻，即对整体冶金工艺流程各各环节的原料、设备、操作水平的要求都比较高，钢中碳和硫含量同时达到低或超低水平的稳定生产难度较大。成品钢中碳、硫成分控制不稳定，抗酸（抗HIC和SCC）性能不能稳定达标。

专利“一种采用VD+LF+VD工艺生产低碳、超低碳钢的方法（专利号：201010598281.7，公布日：2011.05.18）”提供了一种利用VD-LF-VD二次真空精炼生产低碳、超低碳钢的方法。在钢水成分控制上只进行低碳或超低碳的设计，没有对硫含量控制加以严格限定，因此无法完成高级别管线钢抗HIC和SCC成分设计要求。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的为了消除现有一次真空精炼（只经过一次真空精炼）的LF与RH配合或LF与VD配合工艺生产低碳低硫钢的不足，采用二次真空精炼（经过二次真空精炼）的VD-LF-VD工艺生产抗酸（抗HIC和SCC）管线钢的冶炼工艺，稳定生产，更好地满足抗酸管线钢对低碳、低硫和高纯净度的成分控制要求。

本发明的技术方案是：一种VD-LF-VD精炼生产抗酸管线钢的工艺，该工艺的流程为：铁水预脱硫-转炉冶炼-VD真空脱碳-LF升温脱硫-VD再次真空脱碳-钙处理-软吹-连铸-热轧；具体步骤如下：

铁水预脱硫：高炉铁水首先经铁水预处理进行脱硫，根据各生产单位现有铁水预脱硫工艺设备，采用搅拌法或铁水包喷吹法脱硫，铁水预脱硫操作结束后，脱硫渣中富含硫，为避免铁水回硫，将渣扒除干净，铁水脱硫率达到90%，硫含量小于0.003%的入炉铁水，备用；

转炉冶炼：将步骤2得到的铁水加入到顶底复吹转炉进行冶炼，加入量占铁水总量的10~15%的低磷、低硫废钢，冶炼过程进行全程底部吹氩气，对钢水进行充分搅拌，转炉终点钢水的碳含量0.08%~0.12%，氧含量在0.06%~0.08%，磷含量≤0.008%，出钢温度1630~1660℃，采用挡渣操作出钢，严格控制下渣量，以防止回磷；其中，挡渣造渣料成分包括石灰50~65kg/t和轻烧白云石15~25kg/t，炉渣碱度为3.5~4.0；

第一次VD真空精炼脱碳脱氧：利用步骤2中转炉出钢后钢水中富余氧含量，通过抽真空降低[C]+[O]={CO}反应的CO气体分压，在真空压力小于100Pa，采用大的环流气体流量1200~1400L/min进行真空循环，处理时间15min，终点时钢水碳含量为0.01%~0.03%；

LF炉精炼深脱硫：将上述步骤的钢水进行LF炉精炼，LF炉渣采用CaO-Al₂O₃-SiO₂三元碱性渣系脱硫，碱度控制在4.0-6.0，渣中的FeO和MnO含量小于0.8%，采用电极埋弧加热，钢水加入LF炉后，提高钢包底部吹氩流量至400~600NL/ min，，处理时间为35~45min，LF炉精炼终点出钢时钢水硫含量在≤0.0008%，碳含量为0.03%~0.05%，钢水温度为1620~1630℃；

第二次VD真空精炼脱碳脱气：将上述步骤的钢水进行VD真空精炼，在真空压力小于100Pa，采用大的环流气体流量1200~1400L/min进行真空循环，处理时间20~25min，进行真空脱碳、脱气，得到碳含量为0.03%~0.04%，硫含量为≤0.0010%的钢水，经RH处理合格的钢水进行钙处理和软吹，软吹时间为12min以上，得到达到管线钢抗酸性能的成分要求的抗酸管线钢。

按目标成分要求，利用此工艺流程生产，成品钢中碳含量可以稳定控制在0.03%~0.04%，同时硫含量可以稳定控制在≤0.0010%，满足抗酸（抗HIC和SCC）管线钢对低碳、低硫和高纯净度的成分控制要求。

在钢水冶炼过程结束后，厂家可根据自身连铸设备和用户要求将钢水浇注成铸坯（板坯、薄板坯或圆坯），经控轧控冷（TMCP），生产组织和性能满足要求的抗酸（抗HIC和SCC）管线钢坯。

本发明的特别之处在于：钢水经过VD-LF-VD的二次真空精炼过程，即经转炉冶炼钢水先进入VD进行真空搅拌精炼脱碳、脱氧；之后进行LF炉精炼脱硫；随后再一次进入VD进行真空搅拌精炼，由于第一次的VD真空精炼已经脱除了钢中绝大部分的碳，因此第二次VD真空精炼主要目的是脱除LF精炼过程碳的增量，同时脱气、去除夹杂物，最后进行浇铸。

本发明的优点在于：利用VD-LF-VD的二次真空精炼工艺控制钢中成分，大大减轻转炉脱碳负担，降低钢水氧化性和出钢温度，提高炉龄；消除LF炉精炼过程增碳的不利影响，减轻了LF炉生产负担；减少强脱氧剂的使用，降低钢中非金属夹杂物含量；稳定全流程生产过程，保证钢水成分控制在生产目标以内，满足抗酸（抗HIC和SCC）管线钢对低碳、低硫和高纯净度的成分控制要求。

高级别抗酸管线钢市场需求巨大，仅2012年中东地区规划抗酸X60~X65管线钢为30万吨。高级别抗酸管线钢生产难度大，市场价格高，抗酸管线钢比同级别普通管线钢市场价格高2000元每吨，VD-LF-VD工艺在稳定生产高级别抗酸管线钢工艺保证生产质量的前提下，多工序综合匹配，经生产实践，VD-LF-VD工艺生产成本在增加100元前提下，钢种生产成材率由单真空工艺的70%提高到90%以上，按照抗酸管线钢吨钢生产成本6500元计算，吨钢获得直接经济效益(6500/70%-6500/90%)-100=1964元。本发明工艺应用将实现经济效益和社会资源节约的双丰收。

本发明工艺流程同时适合生产其它要求低碳（超低碳）同时低硫（超低硫）的钢种。

本发明工艺生产管线管的工艺参数与单真空精炼工艺对比如下表。

表1

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

本发明一种VD-LF-VD精炼生产抗酸管线钢的工艺，该工艺的流程为：铁水预脱硫-转炉冶炼-VD真空脱碳-LF升温脱硫-VD再次真空脱碳-钙处理-软吹-连铸-热轧，具体步骤如下：

铁水预脱硫：高炉铁水首先经铁水包喷吹法脱硫，脱硫剂为颗粒镁脱硫剂。颗粒镁喷吹强度为8~12kg/min，用作粉剂输送的载气流量为120~150rn³/h，根据铁水初始硫含量高低，金属镁消耗为0.4~0.8kg/t，渣量一般在7~17kg/t。处理周期小于22min，铁水温降为13~20℃，铁水预脱硫操作结束后，脱硫渣中富含硫，为避免铁水回硫，必须将渣扒除干净，使铁水脱硫率达到90%左右，入炉铁水硫含量小于0.003%。

转炉冶炼：采用顶底复吹转炉进行冶炼，整个冶炼过程进行全程底部吹氩气，对钢水进行充分搅拌，以便均匀钢水的成分和温度，转炉终点碳含量控制在0.08%~0.12%即可，氧含量在0.06%~0.08%，磷含量≤0.008%。考虑到LF精炼炉的电极埋弧加热钢水升温作用，转炉出钢温度可相对降低，转炉终点出钢温度控制在1630~1660℃，提高转炉炉龄，防止钢水过氧化。出钢时采用挡渣操作，严格控制下渣量，以防止回磷。出钢时根据VD脱碳的需要，采用弱脱氧操作，使得氧含量和碳含量满足VD真空自然脱碳工艺需求。

第一次VD真空精炼脱碳脱氧：VD脱碳脱氧工艺中，在大流量氩气搅拌条件下抽真空进行自然氧脱碳；通过降低[C]+[O]={CO}反应的CO气体分压，促进脱碳同时脱氧反应进行，达到终点时碳含量控制在0.01%左右。

LF炉精炼深脱硫：LF炉渣采用CaO-Al₂O₃-SiO₂三元碱性渣系脱硫，渣中（FeO+MnO）小于0.8%。钢水到LF炉后，提高钢包底部吹氩流量至400~600NL/ min，LF炉电极埋弧加热，脱硫提高钢水纯净度，合金微调、温度调整。LF炉精炼终点钢水硫含量在≤0.0008%。由于在LF炉精炼过程钢水增碳，LF炉精炼终点碳含量控制在0.03%~0.05%。同时要求控制返回下一次VD精炼站的钢水温度为1620~1630℃，保证浇铸时钢水过热度为15±5℃。

第二次VD真空精炼脱碳脱气：由于LF炉精炼增碳，再利用VD抽高真空进行真空脱碳、脱气。VD真空精炼终点将钢水碳含量控制在0.03%~0.04%，同时硫含量控制在≤0.0010%，达到管线钢抗酸性能的成分要求。经VD处理合格的钢水可根据需要进行钙处理和软吹，软吹时间控制在12min以上。

连铸：连铸过程要求全程保护浇铸。

热轧：铸坯经控轧、控冷，生产组织和性能满足要求的抗酸管线钢坯。

经铁水预脱硫-转炉冶炼-VD真空精炼-LF精炼-VD真空精炼-连铸-热轧工艺生产的抗酸管线钢，按目标成分要求，碳含量可以稳定控制在0.03%~0.04%，同时硫含量可以稳定控制在≤0.0010%，满足抗酸（抗HIC和SCC）管线钢对低碳、低硫和高纯净度的质量要求。

实施实例：我国中原某钢厂应用本发明工艺流程冶炼抗酸（抗HIC和SCC）X65管线钢，具体流程：铁水预脱硫-转炉冶炼-VD精炼（脱碳脱氧）-LF精炼（升温脱硫）-VD精炼（脱碳脱气）-板坯连铸-热轧生产的25.2mm厚度抗酸X65管线钢，成品钢碳含量控制在<0.04%，硫含量小于0.0009%，钢板经轧制制管后完全达到抗酸检验要求。单真空(LF-VD)工艺与双真空(VD-LF-VD)工艺管线钢制管后取样质量对比见下表。

表1

本发明还可以有其它具体实施参数，凡采用同等替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。

Claims

1.一种VD-LF-VD精炼生产抗酸管线钢的工艺，该工艺的流程为：铁水预脱硫-转炉冶炼-VD真空脱碳-LF升温脱硫-VD再次真空脱碳-钙处理-软吹-连铸-热轧；其特征在于，具体步骤如下：

铁水预脱硫：高炉铁水首先经铁水预处理进行脱硫，根据各生产单位现有铁水预脱硫工艺设备，采用搅拌法或铁水包喷吹法脱硫，铁水预脱硫操作结束后，脱硫渣中富含硫，为避免铁水回硫，必须将渣扒除干净，使铁水脱硫率达到90%，硫含量小于0.003%的入炉铁水，备用；

转炉冶炼：采用顶底复吹转炉进行冶炼，加入量占钢水总量的10~15%的低磷、低硫的废钢，冶炼过程进行全程底部吹氩气，对钢水进行充分搅拌，转炉终点钢水碳含量控制在0.08%~0.12%，氧含量在0.06%~0.08%，磷含量≤0.008%，转炉终点出钢温度控制在1630~1660℃，提高转炉炉龄，防止钢水过氧化，出钢时采用挡渣操作，严格控制下渣量，以防止回磷，其中，造渣料成分包括石灰50~65kg/t和轻烧白云石15~25kg/t，炉渣碱度控制在3.5~4.0；

第一次VD真空精炼脱碳脱氧：利用转炉出钢后钢中富余氧含量，通过抽真空降[C]+[O]={CO}反应的CO气体分压，促进脱碳同时脱氧反应进行，在真空压力小于67Pa处理时间30min，达到终点时钢水碳含量控制在0.01%~0.03%，备用；

LF炉精炼深脱硫：LF炉渣采用CaO-Al₂O₃-SiO₂三元碱性渣系脱硫，碱度控制在4.0-6.0，渣中FeO和MnO含量小于0.8%；钢水到LF炉后，冶炼过程进行全程底部吹氩气，对钢水进行充分搅拌，LF炉电极埋弧加热避免电极裸露或过度接触钢水减小增碳增氮，加热两次，造白渣脱硫提高钢水纯净度，合金微调、温度调整，LF精炼处理时间为35~45min，LF炉精炼终点钢水硫含量在≤0.0008%，由于在LF炉精炼过程钢水增碳，LF炉精炼终点碳含量控制在0.03%~0.05%，同时要求控制返回下一次VD精炼站的钢水温度为1620~1630℃，浇铸时钢水过热度为15±5℃；

第二次VD真空精炼脱碳脱气：由于LF炉精炼增碳，再利用VD抽高真空进行真空搅拌脱碳、脱气，在真空压力小于67Pa，处理时间20~25min，VD真空精炼终点将钢水碳含量控制在0.03%~0.04%，同时硫含量控制在≤0.0010%的得到达到管线钢抗酸性能的成分要求的抗酸管线钢。