冶炼管线钢生产工艺

√
●
○
N<40×10 4 %
○
○
○
钙处理 Ca=0.001%～0.0035%
●
●
√
C<0.10%
√
√
√
低碳钢
C<0.005%
●
●
●
夹杂控制
○
○
√
中心偏析控制
○
○
√
化学成分精度调整
√
√
√
注：√—必不可少的；○—必要的；●—理想的
1.4 各种元素在管线钢中的控制与工艺手段
高级管线钢各成分控制为满足管线钢高强度、高韧性、良好的焊接
这其中难点和重点是高韧性，高强度、高韧性是通过控冷技术得到贝 地、氏体铁素体组织来保证的。 对于优质管线钢，夹杂物含量应达到下表水平：
优质管线钢中有害元素含量的要求
炼钢
应用 高强度厚壁管
低温管
传输腐蚀气体管
S<0.005%
○
○
S<0.001%
●
●
√
P<0.010%
●
●
√
纯净度
P<0.005%
●
H<1.5×10 4 %
主要参数： 钢液循环速率、氩气流量，真空室与钢包的尺寸及真空系统能
力等，对反应速率与最终精炼效果有极其主要的作用
RH 采用大量氩气循环，精炼强度大，目前常用的增大脱碳素的方法有： （1）增大换流量；
（2）增大驱动氩气流量； （3）增大泵的抽气能力； （4）向驱动氩气中掺入氢气，在碳含量小于 0.002%是可使脱碳速率增加 一倍； （5）减少真空室的法兰盘数可提高真空度，减少漏气，减少钢水污染； （6）在真空室侧墙安装氩气喷嘴，吹氩到真空室内，可增大反应界面面积， 尤其在碳含量小于 0.003%时可显著提高脱碳速率，该方法在 10min 内可将碳从 0.0021%降至 0.001%。 2.1.3.2 炉外精炼脱硫技术
1. 管线钢的概述
1.1 概念 管线钢主要用于石油、天然气的输送。制造石油天然气集输和长输
管或煤炭、建材浆体输送管等用的中厚板和带卷称为管线用钢（LPS）。目前 管线钢的型号主要有 X60、X65、X70、X80、X100 等。
1.2 管线钢类型 管线钢可分为高寒、高硫地区和海底铺设三类。从油气输送
（2）真空脱气的原理：钢中气体的溶解度与金属液上该气体分压的平方根 成正比，只要降低该气体的分压力，则溶解在钢液中气体的含量随着降低
2.1.3.2 炉外精炼的任务： 炉外精炼是把由炼钢炉初炼的钢水倒入钢包或专用容器内进一 步精炼的
一种方法，即把一步炼钢法变为二步炼钢法。炉外精炼可以完成下列任务： （1）降低钢中的硫、氧、氢、氮和非金属夹杂物含量，改变夹杂物形态， 以提高钢的纯净度，改善钢的机械性能； （2） 深脱碳，在特定条件下把碳降到极低含量，满足低碳和超低碳钢的 要求； （3） 微调合金成分，将成分控制在很窄的范围内，并使其分布均匀，降 低合金消耗，提高合金元素收得率；将钢水温度调整到浇铸所需要 的范围内，减少包内钢水的温度梯度 3.1.3.3 炉外精炼的种类： AOD、CAB、CAS、DH、RH、VAD、LF、 LFV、VD、 VOD 等。AOD 氩氧精炼法、CAB 钢包密封吹氩搅拌法、CAS 钢包密封 吹氩、调整成分精炼法、DH 真空提升脱气法、RH 真空循环脱气法、 VAD 真空、搅拌、电弧加热精炼法、LF 具有加热和搅拌功能的钢包 精炼法、LFV 带真空的 LF 炉、VD 具有真空和搅拌功能的钢包精炼法、 VOD 真空吹氧脱碳法
钢，保证电炉出钢时 S 0.02% 是关键环节。电炉冶炼超低碳钢生产工艺流程
如下图所示：
40%
DRI 球团
60%
废钢
电炉冶炼
炉渣改质， 白渣出钢
LF 白渣精炼
T 162℃
To 0.003 %
s 0.004 % FeO MnO 1.0% s 0.004 %
` RH---喷粉
s 0.001%
2.1.3.4 RH-TOP 炉外精炼基本原理及主要参数： 基本原理： 用钢包车将钢包送入处理位，使真空室下降或使钢包提升，以
便使吸嘴浸入钢包内的钢液以下 500mm。然后启动真空泵。由于真空室内压力下 降，钢包内钢水被吸入真空室中。由于吸嘴中的一个喷入氩气，另一个没有，钢 水便开始反复循环。这时就可采取各种处理措施，例如脱气、吹氧、化学成分及 温度调整等。处理结束时使系统破真空。随后退出吸嘴，将钢包送至后处理位置 或交接位置。
管的发展趋势、管线服役条件、主要失效形式和失效原因综合评价看，不仅 要求管线钢有良好的力学性能，还应具有耐负温性、耐腐蚀性、抗海水和 HSSCC 性能等，在成分和组分上要求“超高纯、超均质、超细化”。
1.3 技术要求
(1)高强度。管线钢的强度指标主要有抗拉强度和屈服强度。在要求高强度 的同时，对管线钢的屈强比（屈服强度与抗拉强度）也提出了要求，一般要 求在 0.85-0.93 的范围内。 （2）高冲击韧性。管线钢要求材料应具有足够高的冲击韧性（起裂、止裂 韧性）。对于母材，当材料的韧性值满足止裂要求时，其韧性一般也能满足 防止起裂的要求。 （3）低的韧脆转变温度。严酷地地域、气候条件要求管线钢应具有足够低 的韧脆转变温度。DWTT 的剪切面积已经成为防止管道脆性破坏的主要控制指 标。一般规范要求在最低运行温度下试样断口剪切面积≥极 85%。 （4）优良的抗氢致开裂（HIC）和抗硫化物应力腐蚀开裂（SSCC）性能。 （5）良好的焊接性能。钢材良好的焊接性对保证管道的整体性和野外焊接质 量至关重要。
2.1.2 转炉冶炼 （1）前期脱磷 （2）脱氮技术 （3）出钢深脱磷技术
2.1.3 炉外精炼 炉外精炼根据生产钢种决定是否需要真空处理，可进一步划分 LF 炉精
炼和真空喷粉精炼两大类。其生产流程如下图所示；
清洁废钢
炉渣改造，白渣出钢
Fe MnO 3.0%
LF 加热精炼
TO 0.001 % ~ 0.002 % S 0.001 %
根据钢包中钢水硫含量的高低，采用 CaO 和 CaF2 混合剂进一步降低钢中
喷吹CaO CaF2 Al2O3
加热造还原渣 真空喷粉 真空造渣 真空喷 CaO CaF2粉
s含量 / %
<0.001 <0.001 <0.001 <0.001 0.002
2.1.3.3 真空喷粉脱氮、脱氢 钢液去氮主要靠搅拌处理、真空脱气或两种工艺的组合来促进气体与金
属的反应来实现。管线钢生产中，此时的 S 0.001%,O 0.002% ，就会
化是高韧性管线钢生产的关键。 管线钢的生产路线分为两条： （1） 铁水预处理—转炉—路外精炼—连铸或模铸； （2） 电炉—路外精炼—连铸或模铸
国外管线钢生产工艺图：
2.1 转炉冶炼超低硫钢的生产工艺 生产超低硫钢，应包括铁水预处理、转炉冶炼和钢水精炼 3 个基本功序。
2.1.1 铁水预处理 （1）铁水脱硫技术 （2）铁水脱托磷技术
性能及抗 HIC、SCC 性能的要求，除了采用合理的冶金技术以外，还要严格
控制管线钢的成分。
2. 管线钢工艺设计
钢水净化，特别是硫含量的降低，是高韧性管线刚不可缺少的前提条件。 钢水钙处理，确保夹杂物球化、变性是提高横向冲击韧性的重要保证；微钛 处理是保证管线钢晶粒细化、横向冲击值稳定的有效手段；而冶炼工艺的优
于: (l) 碳含量较低, 碳当量有比较严格的要求; (2 )抗拉强度要求高, 屈强比低 (3) 落锤性能要求高; 3.2 宝钢 X65 冶炼基本思路 宝钢 X65 管线钢属于低碳 MnNbVTi 系的控轧控冷合金钢，其 X65 高强度 高韧性管线钢基本思路为： （1）采用低的碳含量设计，以提高管线钢的韧性和延性，并具有良好 的焊接性。； （2）细晶强化是目前惟一可同时提高材料强度和韧性的强化机制，为 最大限度地利用晶粒细化的强化作用，采用了铌的微合金化和控制轧制、控 制冷却的热机械处理工艺； （3）采用微钛处理技术以改善焊接热影响区的韧性，结合铌、钒微合 金化细化晶粒和沉淀强化的作用提高管线钢的强度。 （4）通过降低硫含量和改变夹杂物形态的钙处理工艺，提高管线钢板 卷的横向冲击韧性。 3.3 宝钢 X65 高韧性管线钢的工艺主要包括：
出钢钢液硫含量平均值为 0.004%，硫含量在较低的水平，精炼有一定 的难度。炉外精炼方法主要有喷粉、真空、加热造还原渣、喂丝和吹气搅拌等， 实践中常常是几种手段综合使用，精炼工艺和脱硫效果如下表所示；
精炼工艺及脱硫效果
工PB，RH—PB
精炼方法
RH 和其他的精炼设备相比，真空度较高，适合于精炼超低碳钢时钢水的剧 烈沸腾 RH 精炼图：
2.1.3.3 RH-TOP 设备组成： 钢包提升系统、真空室系统、真空室输送系统、顶枪系统、煤气预热系统、
自动测温取样系统、真空系统、合金加料系统、喂丝覆盖剂自动加入系统、真空 室维修及更换系统、真空室换衬和预热系统
有较好的脱氮效果。 钢中氢主要在炼钢初期通过 CO 剧烈沸腾去除，自从真空技术出现后钢中
氢已可稳定控制在 0.0002%水平。要杜绝在后续工序中加入的造渣剂、变性剂、 合金剂、保护渣、覆盖剂等受潮，避免碳氢化合物、空气与钢水接触，这样有助 于降低钢中的氢含量。
2.1.3.4 钢包喂钙技术 钢包喂钙技术是解决脱硫、脱氧、合金化、合金化微调、改变夹杂物形
铁水预处理
T 1350℃
s 0.003 %
转炉冶炼
T 1650℃
s 0.005 %
沸腾出钢，弱脱
氧
C 0.04% ~ 0.06%
真空脱氧，喷 粉脱硫
2.1.3.1 炉外精炼原理： （1）吹氩的基本原理：氩气是一种惰性气体，从钢包底部吹入钢液中，形
成大量小气泡，其气泡对钢液中的有害气体（H2、N2）来说，相当于一个真空室， 使钢中[H][N]进入气泡，使其含量降低，并可进一步除去钢中的[O]，同时，氩 气气泡在钢液中上沲而引起钢液强烈搅拌，提供了气相成核和夹杂物颗粒碰撞的 机会，有利于气体和夹杂物的排除，并使钢液的温度和成分均匀。