高級(jí)別管線鋼冶煉深脫碳工藝分析

王振光  王慶春  鄭金星

（山東工業(yè)職業(yè)學(xué)院  山東  淄博256414）

摘  要：本文分析了高級(jí)別管線鋼冶煉中轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)控制對(duì)RH真空脫碳工藝的影響，分析認(rèn)為，冶煉超低碳管線鋼時(shí)，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳含量≥0.05%，需要進(jìn)行RH強(qiáng)制脫碳；終點(diǎn)碳含量≤0.04％時(shí)，可以進(jìn)行RH自然脫碳，也可以在出鋼過(guò)程中進(jìn)行微碳錳鐵（錳含量大于80%）合金化操作。底吹氬2 min可降低氧活度約190×10^-6。沒(méi)有底吹終點(diǎn)鋼水碳含量不均勻，均勻性相差0.01%～0.02%。

關(guān)鍵詞：管線鋼；脫碳原理；碳氧平衡

1 前言

20世紀(jì)70年代初期X65管線鋼開(kāi)始投入使用，80年代X70鋼逐漸被引入工程建設(shè)。1985年API標(biāo)準(zhǔn)中增加了X80鋼級(jí)，隨后X80開(kāi)始部分在一些管線工程中使用。近年來(lái)隨著油氣田的開(kāi)采向邊遠(yuǎn)的荒漠、極地凍土帶和海洋等區(qū)域發(fā)展，國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)了具有抗大應(yīng)變性能的X65～X100的高強(qiáng)度管線鋼。高級(jí)別管線鋼是集先進(jìn)設(shè)備、先進(jìn)技術(shù)、先進(jìn)管理于一體的超純凈鋼，其鋼中碳、硫、磷、氧、氮和鋼中夾雜物的控制涉及一系列關(guān)鍵技術(shù)。本研究結(jié)合高級(jí)別管線鋼冶煉生產(chǎn)實(shí)踐，分析了轉(zhuǎn)爐出鋼后部分合金化鋼水利用RH真空循環(huán)裝置冶煉低碳管線鋼的工藝，對(duì)真空脫碳工藝進(jìn)行了優(yōu)化。

2  RH真空脫碳原理

降低鋼中碳含量可減少鋼的偏析、提高管線鋼的韌性和焊接性，同時(shí)提高鋼中鈮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，可顯著提高形變奧氏體的再結(jié)晶溫度，在相對(duì)高的軋制溫度下生產(chǎn)高強(qiáng)度管線鋼。RH是一種用于生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鋼鋼水的二次精煉工藝裝備，具有操作效率高、適應(yīng)批量處理、裝備投資少、易操作等一系列的優(yōu)點(diǎn)，在煉鋼生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。RH真空循環(huán)處理不僅能改善鋼材的質(zhì)量、增加品種、提高經(jīng)濟(jì)效益，而且還能適應(yīng)大批量快速處理鋼水，這種特點(diǎn)使得它能夠與轉(zhuǎn)爐和鑄機(jī)的快節(jié)奏相匹配。真空脫碳是RH的重要功能，整個(gè)鋼水冶金反應(yīng)是在砌有耐火襯的真空槽內(nèi)進(jìn)行的，和其他精煉設(shè)備相比，RH真空度高，并且通過(guò)采用大氬氣量大循環(huán)，精煉強(qiáng)度大，是冶煉超低碳管線鋼的必備工藝。

RH真空脫碳的根本原理是真空狀態(tài)下的碳、氧反應(yīng)。溫度1600 ℃時(shí)，碳氧濃度積為：

［C］×［O］＝0.002 5×P_CO^［1］。

真空室壓力越低，碳氧反應(yīng)越充分，脫碳效果越好。一定真空度下碳氧反應(yīng)趨勢(shì)如圖1所示。圖1中的方框即為脫碳時(shí)鋼水初始碳、氧含量的最佳范圍：［C］為（250～350）×10^-6；［O］為（500～700）×10^-6。即當(dāng)?shù)秸句撍�碳、氧含量在此范圍之�?nèi)時(shí)，隨著處理過(guò)程碳氧反應(yīng)的進(jìn)行，碳、氧含量同步減少，處理結(jié)束時(shí)，鋼中碳、氧含量都能達(dá)到預(yù)定要求。實(shí)際生產(chǎn)中，由于種種因素的影響，使得到站鋼水碳、氧范圍不會(huì)總是在最佳范圍之內(nèi)，而是如圖2所示的2、3曲線一樣偏離了最佳范圍。隨之而來(lái)就是兩種不同的真空脫碳模式：自然脫碳與強(qiáng)制脫碳。

(1ppm=10 ^-6 ，1 mbar=10² Pa，1 bar=10⁵ Pa)                 （1 bar=10⁵ Pa）

    圖1 一定真空度下碳氧反應(yīng)趨勢(shì)          圖2 不同初始條件下的自然脫碳

曲線1：理想條件下的自然脫碳。曲線2：脫碳之前氧含量過(guò)多，此時(shí)應(yīng)加碳或鋁對(duì)鋼水進(jìn)行脫氧。脫氧過(guò)程中加碳會(huì)產(chǎn)生大量CO氣體，當(dāng)碳量超過(guò)0.01%時(shí)，導(dǎo)致真空室和鋼包內(nèi)的沸騰，延長(zhǎng)了脫碳時(shí)間。如在處理開(kāi)始加鋁脫氧則效果較好，且Al₂O₃還可以及時(shí)上浮。曲線3：如果初始條件下碳含量過(guò)高，則需吹氧，吹氧量的多少依據(jù)碳含量而定。

3 真空脫碳與轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)的關(guān)系

3.1 轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳、氧濃度積分析

RH真空脫碳工藝的一個(gè)重要環(huán)節(jié)就是轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)的控制，而準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)控制又是以實(shí)際的轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳、氧積關(guān)系為基礎(chǔ)的。以某廠轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)的碳、氧關(guān)系為例，共取樣18爐次，測(cè)得轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳含量、氧活度，實(shí)際碳氧濃度積平均值為0.0038%。

由爐前的實(shí)際定氧數(shù)據(jù)可以看出，該廠18爐平均轉(zhuǎn)爐碳、氧濃度積與理論值0.0025%存在一定差別。根據(jù)這一實(shí)際測(cè)量值，可以繪制RH爐真空脫碳過(guò)程的碳氧變化關(guān)系，從而為制定合理的轉(zhuǎn)爐出鋼條件及RH爐采取的脫碳方式提供依據(jù)。

3.2 RH爐真空脫碳規(guī)律

依據(jù)該廠轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳、氧濃度積數(shù)據(jù)繪制出了圖3所示的關(guān)系曲線。

圖3 轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳、氧濃度積及真空脫碳曲線

由圖3可以看出，當(dāng)系統(tǒng)壓力為0.1 MPa，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳含量為0.05％時(shí)，終點(diǎn)氧含量為760×10^-6，而脫碳過(guò)程實(shí)際需氧量為：（500/12)×16＋200＝866（×10^-6）（200為脫碳過(guò)程需要的過(guò)氧量，假設(shè)脫碳結(jié)束時(shí)按碳含量為0），大于鋼中760×10^-6的氧含量，因此此時(shí)需要進(jìn)行RH強(qiáng)制脫碳即需向爐內(nèi)吹氧，吹氧量多少依據(jù)碳含量多少而定；當(dāng)轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳含量為0.04％時(shí)，終點(diǎn)氧含量為950×10^-6，脫碳過(guò)程實(shí)際需氧量為：（400/12)×16＋200＝733（×10^-6），小于鋼中950×10^-6的氧含量，因此此時(shí)可以進(jìn)行RH自然脫碳。從上述計(jì)算可以得出當(dāng)出鋼碳含量［C］≤0.04％時(shí)可以進(jìn)行RH自然脫碳，當(dāng)出鋼碳含量［C］≥0.05%時(shí)則需進(jìn)行RH強(qiáng)制脫碳。

3.3  合金化操作對(duì)終點(diǎn)氧含量的影響

轉(zhuǎn)爐出鋼過(guò)程如果能有部分的合金化，如配加一定量的微碳錳鐵等則可以在一定程度上減輕RH爐的合金化壓力，減小因合金化對(duì)RH爐鋼水溫度的影響，進(jìn)而優(yōu)化生產(chǎn)工藝^［2］。該廠轉(zhuǎn)爐出鋼合金化過(guò)程微碳錳鐵的實(shí)際收得率見(jiàn)表2。

表2 轉(zhuǎn)爐出鋼合金化過(guò)程微碳錳鐵的實(shí)際收得率

由表2可以看出，在轉(zhuǎn)爐低碳出鋼時(shí)微碳錳鐵的平均錳收得率為89.5％，即有10.5％的錳在出鋼時(shí)參與了脫氧。在冶煉超低碳鋼時(shí)，如出鋼碳含量為0.04％則可以將鋼液中過(guò)剩的200×10^-6氧通過(guò)進(jìn)入鋼水的錳脫除，與之相對(duì)應(yīng)加入的微碳錳鐵量（錳含量為80%）為810 kg。

3.4  復(fù)吹轉(zhuǎn)爐對(duì)終點(diǎn)氧含量的影響

轉(zhuǎn)爐冶煉終點(diǎn)，對(duì)鋼水進(jìn)行了專門的底吹氬攪拌試驗(yàn)，以研究轉(zhuǎn)爐底吹氬攪拌對(duì)鋼水氧活度的影響，具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)鋼水底吹氬攪拌對(duì)氧活度的影響

本次共試驗(yàn)7爐次，分別為凈吹氬1 min 1爐， 2爐，3 min 2爐（剔除了2爐異常數(shù)據(jù)）從數(shù)據(jù)上來(lái)看，凈吹氬前氧活度越高凈吹氬后降低越多，吹氬時(shí)間越長(zhǎng)，氧活度降低越多。凈吹氬2 min，氧活度平均降低191×10^-6；凈吹氬3 min，氧活度平均降低198×10^-6。從數(shù)據(jù)上來(lái)看，凈吹氬2 min和凈吹氬3 min差別很小，說(shuō)明凈吹氬2 min已經(jīng)基本達(dá)到了實(shí)際操作過(guò)程的碳氧平衡。

3.5  轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳含量均勻性分析

在該廠管線鋼生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，2^#轉(zhuǎn)爐所冶煉的鋼水在出鋼后到LF爐鋼水到站期間，鋼水的增碳比3^#轉(zhuǎn)爐嚴(yán)重，分析認(rèn)為是2^#轉(zhuǎn)爐沒(méi)有底吹，轉(zhuǎn)爐內(nèi)鋼水的碳含量不均勻。為此進(jìn)行了試驗(yàn)，即拉碳時(shí)取一鋼水樣、此后每隔1 min再取1個(gè)鋼水樣（每次先將轉(zhuǎn)爐搖向出鋼側(cè)，然后再搖向加料側(cè)取樣），鋼樣碳含量變化情況見(jiàn)圖4。由圖4可知，2^#轉(zhuǎn)爐拉碳后隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，鋼水碳含量不斷增加，2 min后才基本穩(wěn)定，3 min時(shí)鋼水樣的碳含量比拉碳時(shí)的碳含量高了0.025%，因此，生產(chǎn)過(guò)程中拉碳時(shí)鋼水樣碳含量可能比實(shí)際值要低，即不能代表鋼水實(shí)際的碳含量。由此推斷，在沒(méi)有底吹或底吹效果不好的爐次在補(bǔ)吹后可能也存在這個(gè)現(xiàn)象，所以導(dǎo)致了出鋼后到LF爐期間鋼水增碳比較嚴(yán)重的假象。

圖4  2^#轉(zhuǎn)爐內(nèi)鋼水碳含量變化

圖5是3^#轉(zhuǎn)爐鋼水碳含量/%的變化，與2^#轉(zhuǎn)爐相比，3^#轉(zhuǎn)爐有底吹，因而鋼水的均勻性也好一些，從拉碳到3 min，鋼水的增碳量約為0.01%，這個(gè)結(jié)果表明了轉(zhuǎn)爐吹煉末期底吹氬氣對(duì)爐內(nèi)鋼水成分均勻性的重要性。

圖5  3^#轉(zhuǎn)爐內(nèi)鋼水碳含量變化

4 結(jié)論

（1）冶煉超低碳鋼時(shí)，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳含量≥0.05%，需要進(jìn)行RH強(qiáng)制脫碳；轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳含量≤0.04％時(shí)，可以進(jìn)行RH自然脫碳，也可以在出鋼過(guò)程中進(jìn)行最大810 kg的微碳錳鐵（錳 含量80%）合金化操作。

（2）在轉(zhuǎn)爐冶煉終點(diǎn)對(duì)鋼水進(jìn)行凈底吹氬攪拌，一定程度上可以降低鋼水氧活度，但在凈攪拌2 min后基本達(dá)到平衡，氧活度降低約190×10^-6。

（3）沒(méi)有底吹或底吹效果不好的轉(zhuǎn)爐與底吹良好的轉(zhuǎn)爐相比，終點(diǎn)鋼水碳含量不均勻，二者碳的均勻性相差約0.01%～0.02%。