（钢铁冶金专业论文）超低硫管线钢冶炼技术基础研究.pdf

东北大学博士学位论文 摘要 超低硫管线钢冶炼技术基础研究 摘要 随着我国石油、天然气资源的开发和利用，用于制造石油、天然气输送管线用的 宽厚钢板的需求量将不断增加。具有高强度、高韧性、良好的可焊性、低温下的断裂 抗力和抗h 2 s 侵蚀能力，低合金高强度、高韧性的超纯净高级别管线钢将成为2 1 世纪 国民经济需求量较大的一类钢种。降低管线钢中有害元素特别是硫含量以及控制硫化 物央杂物的形态和分布是冶金工作者一直探索的重要研究课题之一一。 本课题以管线钢硫含量的控制技术为核心，对本钢生产条件下从铁水预处理到精 炼过程的钢中硫含量控制技术进行了理论计算与分析，探索了各工艺的脱硫条件，分 别建立了基于人工神经网络的铁水预处理终点硫含量预报模型、渣钢脱硫热力学模型 及夹杂物预报模型，采用上述模型指导生产实践或对生产结果进行预报。在理论分析 计算的基础上，利用二次正交设计实验方法，采用m o s i 2 电阻炉在1 8 7 3 k 下开展了渣 钢脱氧脱硫实验研究，分别得到了全氧含量及脱硫率与各影响因素阃的回归方程，并 分析了各因素对钢中全氧含量和脱硫率的影响规律，1 ：发了适于工业生产应用的脱硫 渣系。 在上述研究的基础上，将实验室的研究成果应用于工业生产实践，按照本钢实际 生产条件，通过不断的工艺优化和生产关键技术研究，分别设计了五种超低硫管线钢 生产工艺路线，取得了较好的冶炼效果，冶炼终点硫含量和夹杂物控制水平可以满足 高纯净度管线钢的质量要求。 最后，通过对冶炼出的四种主体成分相近而硫含量不同的管线钢在相同条件下进 行了轧制试验，对轧材进行了相关性能检测，研究了管线钢中硫含量对其机械性能和 抗h 2 s 行为的影响。 通过上述研究，本论文获得的主要结论如下： ( 1 ) 铁水用c a o 和m g 脱硫时，起主要脱硫作用的是m g ，产物m g s 在高炉渣中是 稳定的，但在铁水预脱硫过程中容易被空气中的氧氧化产生回硫，c a o 的加入对于稳定 脱硫产物防止回硫有利。 ( 2 ) 开发了基于人工神经网络的铁水预处理终点硫含量预报模型并用于实际预报， 采用1 0 0 炉数据进行预报表明，模型预测精度较高，有1 2 的炉次预测误差为0 ，8 9 的 炉次达到命中范围在o 0 0 3 以内，平均误差为0 0 0 2 0 。 ( 3 ) 采用本课题所开发的渣钢脱硫反应热力学模型计算结果指导造渣过程，使用实 东北大学博士学位论文 摘要 验室研究所开发的精炼渣实施冶炼过程炉渣成分控制，获得了较好的超低硫管线钢冶炼 效果。 ( 4 ) 喂s i c a 线对夹杂物生成和变性处理的热力学计算表明，温度对c a s 平衡曲线 的影响是十分显著，当钢液温度降低时，在相同的硫含量下形成c a s 兴杂所需钙含量迅 速降低；在x 7 0 管线钢中要求 a l s l _ o0 2 左右的情况下，只有将钢液中的硫脱到00 0 1 7 左右，才能同时实现氧化物变性成为1 2 c a o 7 a 1 2 0 3 ，同时硫化物也能得到变性。 ( 5 ) 设计的五种超低硫管线钢生产工艺路线中，工艺路径c ( d s b f c l f i r r h c c ) 、d ( d s b f c l f c c ) 均能满足极低硫管线钢的纯净度要求。工艺路径d 生产的管线钢纯净度水平较高，钢中最低硫含量达到了o 0 0 0 5 ，平均硫含量为0 0 0 1 1 5 。 平均氮含量为o 0 0 5 2 5 ，全氧含量最低达到o 0 0 1 5 ，平均为o ，0 0 2 1 5 。工艺路径e ( d s b f c l f b s p ) 可以生产超低硫管线钢，但最优工艺还有待于进一步研究。 ( 6 ) l f 处理过程中a 1 脱氧首先生成大量a 1 2 0 3 夹杂物，随着冶炼过程中加入s i 、 m n 、y i 等脱氧剂和合金化、钙处理过程的进行，钢中夹杂物的数量和成分逐渐发生变化， 先生成含a l 的复合夹杂物。喂入c a - s i 包芯线后，夹杂物变成大量的a h 0 3 一c a o 夹杂， 其中含有少量的m n o 、m g o 、m n s 、c a s 等，到l f 终点央杂物数量最多，到中包中夹 杂物的尺寸和数量均有大幅下降，铸坯中未发现大于5 0 9 m 的夹杂物，铸坯中平均夹杂物 数量达到最小值。 ( 7 ) 随着钢中硫含量的增加，夹杂物中的硫含量增加。夹杂物中硫原子所占的百分 比随钢中硫含量的增加而增加，但是对于钢中硫含量为7 0 1 0 6 的采用薄板坯连铸生产的 x 6 5 管线钢其硫原子百分比却低于钢中硫含量为1 7 1 0 - 6 的采用常规连铸生产的x 7 0 管线 钢。 ( 8 ) a 钢( 【s = 5 1 0 。) 和b 钢( s = 1 7 x 1 0 4 ) 的抗拉强度均超过了6 0 0 m p a ，屈服 强度也均达到了5 5 0 m p a 以上，同时延伸率约2 7 左右，达到了商用x 8 0 管线钢的强度 级别。前者的抗s s c c 性能优于后者。 ( 9 ) 硫含量与管线钢的抗h i c 性能有对应关系，硫含量为5 1 0 。6 和1 7 x 1 0 乇的管线 钢具有良好的抗h i c 开裂性能，浸泡长达2 8 8 h 后仍然没有h i c 裂纹出现。 关键词炼钢；精炼：管线钢：硫含量；夹杂物；性能 一i i 查! ! 垄堂堂主兰堡笙圭 一一一j 生些! ! 生 f u n d a m e t a lr e s e a r c ho ns t e e l m a k i n gp r o c e s so ft h eu l t r a - l o w s u l f u rp i p e l i n es t e e l a b s t r a c t w i t ht h ee x p l o i t a t i o na n du s eo ft h ep e t r o l e u ma n dt h en a t u r a lg a si no u rc o u n t r y ，t h ew i d e m a dt h i c ks t e e lp l a t e ，w h i c hi su s e df o rt h ep i p e l i n et od i l i v e rp e t r o l e u ma n dt h en a t u r a lg a si s n e e d e dh u g e l y t h ep i p e l i n es t e e lw i t hh i i g h e rs t r e n g t h ，h i g h e rd u c t i l i t y ，b e t t e rw e l d a b i l i t y ，a n d r e s i s t a n c et oh 2 se r o s i o nw i l lb en e e d e dg r e a t l yi nt h e2 1c e n t u r y d e c r e a s i n gt h ec o n t e n to f t h e h a r m f u le l e m e n t si nt h es t e e l ，e s p e c i a l l yt h es u l f u rc o n t e n t ，a n dc o n t r o l l i n gt h es h a p ea n d d i s t r i b u t i o no f t h es u l f i d ei n c l u s i o na r eo n eo f t h ei m p o r t a n tw o r k sf o rt h em e t a l l u r g i s t s s u r r o u n d i n gt h es u l f u rc o n t e n tc o n t r o lt e c h n o l o g y ，t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n da n a l y s e si s d o n ew i t ht h ep r a c t i c ec o n d i t i o nf r o mt h ep r e t r e a t m e n to f h o tm e t a lt ot h er e f i n i n gp r o c e s si nt h e b e n x is t e e lw o r k s t h ed e s u l f u r i z a t i o nc o n d i t i o nf o re a c hp r o c e s si se x p l o r e d ，a n dt h es u l f u r c o n t e n tp r e d i c t i o nm o d e lf o rh o tm e t a lp r e t r e a t m e n ta n dt h ed e s u l f u r i z a t i o nt h e r m o d y n a m i c s m o d e lo f t h es l a g s t e e la r ee s t a b l i s h e d ，a n di su s e df o rd i r e c t i n gt h ep r o d u c t i o no rp r e d i c t i n gt h e p r o d u c er e s u l t s w i t ht h et h e o r e t i c a la n a l y s e sa n dc a l c u l a t e ，t h ed e s u l f u r i z a t i o na n dd e o x i d a t i o n e x p e r i m e n ti sd o n ei n18 7 3 ka tt h em o s i 2r e s i s t a n c ef u r n a c et h e nt h ee g r e s s i o ne q u a t i o n sf o r t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt o t a lo x y g e nc o n t e n t ，t h ed e s u l f u r a t i n gr a t i oa n dt h ei n f l u e n c ef a c t o r s a r eg a i n e d t h e nt h ed e s u l f u r i z a t i o ns l a gw h i c hc a nb eu s e di nt h ei n d u s t r i a lp r o d u c t i o ni s e x p l o i t e d b a s e do nt h ef o r m e rs t u d i e s ，b ya p p l i n gt h er e s e a r c ha c h i e v e m e n t so fl a b o r a t o r yt ot h e i n d u s t r yp r o d u c t i o n ，a n da c c o r d i n gt ot e c h n o l o g yd e v e l o p m e n to ft h eb e n x is t e e lw o r k sa n d t h ep u r i t y - c o n t r o ll e v e lo f m o l t e ns t e e l ，t h r o u g ho p t i m i z i n gt h ep r o c e e da n dt h ek e y t e c h n o l o g i e s ， t h ef i v er o u t i n e sf o rp r o d u c i n gu l t r a - l o ws u l f u rp i p e l i n es t e e la r ed e s i g n e d a n dt h eb e t t e r s m e l t i n gr e s u l t sa r eg o t t e n t h es u l f u rc o n t e n ta n di n c l u s i o nc o n t r o ll e v e lc a ns a t i s f yw i t ht h e q u a l i t a t i v ed e m a n do f u l t r a - l o ws u l f u rp i p e l i n es t e e l f i n a l l y , t h ef o u rk i n d sp i p e l i n es t e e l sw i t ha p p r o x i m a t ec o m p o n e n t sb u td i f f e r e n ts u l f u r c o n t e n ta r er o l l e d t h e nt h ee f f e c to fs u l f u rc o n t e n to nt h em e c h a n i c a lp e r f o r m a n c ea n dt h e r e s i s t a n c eo fh 2 sa r es t u d i e d t h ec o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w i n g ： ( 1 ) w h e nc a oa n dm ga r eu s e dt od e s u l f u r i z a t i o ni nh o tm e t a lp r e t r e a t m e n t m gi st h ek e y d e s a l f u r i z e r t h ep r o d u c tm g si ss t a b i l i z e di nt h eb l a s tf u r n a c es l a g ，b u ti ti so x i d i z e de a s i l y i i i 东北大学博士学位论文 a b s t r a c t w h e nc o n t a c tt h eo x y g e na n dr e s u l ti nr e s u l f u r a t i o nd u r i n gt h ef o l l o w i n gp r e t r e a t m e n tp r o c e s s a d d i n gc a oc a l ls t e a d yt h ed e s u t f u r i z a t i o np r o d u c t ( 2 ) t h ep r e d i c t i o nm o d e lo ft h ee n d p o i n ts u l f u rc o n t e n ti nt h eh o tm e t a li sd e v e l o p e d 、v i m u s i n gt h em e t h o do f n e u r a ln e t w o r k 1 0 0h e a t sd a t aa r eu s e dt op r e d i c t ，1 2p e r c e n ta r et h es a m e a st h ep r a c t i c a b l es u l f u rc o n t e n t ，a n d8 9p e r c e n te r r o ri s o 0 0 3 ，t h em e a ne r r o ri so ，0 0 2 ( 3 ) t h ec a l c u l a t e dr e s u l t so fd e s u l f u r i z a t i o nt h e r m o d y n a m i c sm o d e lo ft h es l a g - s t e e la r e u s e dt od i r e c tt h es l a g f o r m i n gp r o c e s s t h eu l t r a l o ws u l f u rp i p e l i n es t e e li sg o t t e nw i t hu s i n g t h er e f i n i n gs l a gd e v e l o p e di nt h el a bt oc o n t r o lt h es l a gc o m p o s i t i o nd u r i n gt h es m e l t i n g p r o c e s s ( 4 ) t h et h e r m o d y n a m i c sc a l c u l a t i o n so f t h ef o r m a t i o na n dm o d i f i c a t i o no f m n sa n da t 2 0 3 i n c l u s i o n sb yf e e d i n gs i c aw i r e ss h o wt h a tt h ee f f e c to ft e m p e r a t u r eo nt h eb a l a n c ec u r v eo fc a a n dsi sr e m a r k a b l e t h ed e m a n do fc ac o n t e n td e c r e a s e sr a p i d l yt of o r mc a si n c l u s i o nu n d e r t h es a m es u l f u rc o n t e n t r 讯1 , 1 e nt h ed e m a n do fa l si sa b o u to 0 2 i nx 7 0p i p e l i n es t e e l 、t h e s u l f u rc o n t e n tm u s tb ed e c r e a s et oa b o u t0 0 0 1 7 、w h i c hc a r lm e e tt h er e q u i r e m e n t so fo x i d e m o d i f i e dt o1 2 c a o 一7 a 1 2 0 3a n ds u l f i d em o d i f i c a t i o na tt h es a r a et i m e ( 5 ) a m o n gt h ed e s i g n e df i v ek i n d sp r o d u c t i o nr o u t i n e s ，t h er o u t i n ec ( d s b f c + l f i r r h c c ) a n dd ( d s b f c l f c c ) c a ns a t i s f yt h ec l e a n n e s so ft h eu l t r a l o ws u l f u r p i p e l i n es t e e l t h ec l e a n n e s so ft h es l a bp r o d u c e db yr o u t i n e di sb e t t e r t h el o w e s ts u l f u r c o n t e n ti so 0 0 0 5 ，t h ea v e r a g es u l f u rc o n t e n ti so ，0 0 115 ，t h ea v e r a g en i t r o g e nc o n t e n ti s o 0 0 5 2 5 ，t h el o w e s tt o t a lo x y g e nc o n t e n ti so ，0 0 1 5 ，t h ea v e r a g et o t a lo x y g e nc o n t e n ti s 0 0 0 2 1 5 t h eu l t r a l o ws u l f u rp i p e l i n es t e e lc a nb ep r o d u c e db yr o u t i n ee f d s 叫b f c 。l f + b s p ) ，b mt h eo p t i m i z e dp r o d u c t i o np r o c e s ss h o u l db es t u d i e df i t r t h e r ( 6 ) t h ea id e o x i d a f i o ng e n e r a t e sal o to fa 1 2 0 3i n c l u s i o n sa tt h ei n i t i a ls t a g e ，t h e nt h e c o m p o n e n t sa n dt y p e so fi n c l u s i o n si nt h em o l t e ns t e e la r eg r a d u a l l yc h a n g e dt of o r m a i b e a r i n gc o m p o u n di n c l u s i o n sw i t ha d d i n gt h es i ，m n ，t ia l l o y s ，a n dc a l c i u mt r e a t m e n ti nt h e r e f i n i n gp r o c e s s a f t e rt h ec a s iw i r ew a sf e d t h ei n c l u s i o nb e c a m ep l e n t yo fa i z 0 3 一c a o c o m p o u n di n c l u s i o n sc o n t a i n i n gs m a l la m o u n to fm n o ，m g o ，m n s ，c a sa n ds oo n n l e m a x i m u mq u a n t i t i e so ft h ei n c l u s i o n si sr e a c h e da tt h ee n do fl fr e f i n i n g ，a n di td e c r e a s e o b x 4 0 u s l yi nt h et a n d i s h t h ei n c l u s i o nd i a m e t e rg r e a t e rt h a n5 0 9 r nh a v e n tb ef o u n di nt h e s l a b s t h eq u a n t i t yi st h el e a s ti nt h es l a b s a n dt h ea v e r a g eq u a n t i t yo fi n c l u s i o n si s t h e m i n i m u m ( 7 ) w i mt h ei n c r e a s eo fs u l f u rc o n t e n ti ns t e e l ，t h es u l f u rc o n t e n ti nt h ei n c l u s i o na r e i n c r e a s e d - h o w e v e r , t h ep e r c e n t a g eo fs u l f u ra t o mi nt h ei n c l u s i o ni nt h ex 6 5p i p e l i n es t e e l w i t hs u l f u rc o n t e n t o f 7 0 x 1 0 - 6 p r o d u c e d b y b s p i s l o w e r t h a n t h a t o f t h e x 7 0 p i p e l i n es t e e l w i t h i v 东北大学博士学位论文 t h es u l f u rc o m e m o f l 7 1 0 。p r o d u c e db y t h e n o r m a ls l a bc o n t i n u o u sc a s t i n g p r o c e s s ( 8 ) t h eu l t i m a t et e n s i l es t r e n g t ho fs t e e la ( 【s 】= 5 1 0 4 ) a n db ( s 2 1 7 x 1 0 - 6 ) a r e h i g h e r t h a n6 0 0 m p a ，t h ey i e l ds t r e n g t ho ft h e ma r eh i g h e rt h a n5 5 0 m p a ；t h ee l o n g a t i o no ft h e ma r e a b o u t2 7 t h e i rs t r e n g t hc a ns a t i s f yt h es t r e n g t hr e q u i r eo fx s 0p i p e l i n es t e e l t h ec a p a b i l i t y o fa n t i s s c co fs t e e lai sb e t t e rt h a ns t e e lb ( 9 ) w i 伽t h es u l f u rc o n t e n to f5 1 0 。a n d1 7 x 1 0 。，r e s p e c t i v e l y , t h e s ep i p e l i n es t e e l sh a v e v e r yg o o dh i cs u s c e p t i b i l i t ya n dc a ns a t i s f yt h en a c es t a n d a r de v a l u a t i o no f p i p e l i n es t e e l sa s w e l la s2 8 8 hi m m e r s i o nw i t h o u tc r a c k s 、册1 e nt h es u l f u rc o n t e n tr e a c h e s5 0 1 0 6i ns t e e l t h e r e a r eal i t t l ec r a c k sf o r m e di nt h es t e e l k e yw o r d s s t e e l m a k i n g ；r e f i n i n g ；p i p e l i n es t e e l ；s u l f u rc o n t e n t ：i n c l u s i o n ；p e r f o r m a n c e v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研 究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究 成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：许家孝 日期：却1 弓，。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文 的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。- ) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名 签字日期 东北大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的立题背景 第一章绪论 以连铸为核心的本钢炼钢厂新工艺流程技术改造于1 9 9 8 年底已基本完成。该项目 共投资十八亿元人民币，历时5 年，分别从加拿大霍格文斯技术服务公司( a m p a c ) 引进了铁水预处理成套设备，从德国杜依斯堡公司引进了1 5 0 吨r h t b 真空脱气及 a h f 化学升温装置两套二次精炼设备，从奥地利奥钢联( v a i ) 引进了大型板坯连铸 设备。从而使本钢炼钢厂形成了铁水预处理一转炉炼钢一二次精炼一大板坯连铸这一 条具有九十年代国际先进水平的炼钢生产线，从而使本钢炼钢厂技术装备从七十年代 的落后水平一下子跨越到九十年代的国际先进水平。 技改项目主要是完成设备的改造，工艺技术软件外商只提供q 系列的普碳钢及少 量的低牌号的优质钢生产技术。由于本钢这条炼钢生产线比较先进，完全具备生产超 纯净高级别管线钢种的能力，但生产技术软件必须自行开发，因为要引进这些软件价 格非常昂贵，所以，开发出高质量高附加值并能替代进口的新品种，将极大地发挥这 条生产线的作用，为企业创造巨大的经济效益，同时也将为我国经济发展起到一定的 推动作用。 1 2 超低硫管线钢冶炼技术研究的意义 我国钢产量目前居世界第一位，2 0 0 5 年达到了3 4 亿吨。辽宁是我国的主要钢铁 生产基地之一，产量接近3 0 0 0 万吨年。但我国钢的品种和质量与国外发达国家相比 还有很大差距。钢铁工业将从数量型向质量品种型转变，从而使我国从钢铁大国向钢 铁强国转变。2 1 世纪，我国的钢铁工业正面临着巨大的挑战。 随着国民经济的发展，诲多薪钢材品种的需求量却十分旺盛。例如，石油天然气 管线钢、汽车用钢、高层建筑用钢等，由于用户对这些钢的质量要求很高，加上许多 工程采用国际公开招标，我国许多品种还不能生产即使能够生产，其质量和价格也缺 少竞争力，所以大量的高质量钢材还需要进口。其主要问题是生产设备落后，工艺技 术差。但随着我国钢铁企业技改的进行，装备水平己逐渐与国际水平的差距缩小。 随着我国石油、天然气资源的开发和利用，用于制造石油、天然气输送管线用的 宽厚钢板的需求量将不断增加。具有高强度、高韧性、良好的可焊性、低温下的断裂 抗力和抗h 2 s 侵蚀能力，低合金高强度、高韧性的超纯净高级别管线钢将成为2 1 世纪 查! ! 查芏堡主兰堡笙查 国民经济需求量较大的一类钢种。 第一章绪论 但由于石油管线钢的质量要求很高，对生产装备和工艺技术均有很高要求。我国 石油、天然气用管线钢的生产水平，与工业先进的国家水平相比，落后很多年，生产 出的管线钢也只能用于满足一般用途的要求，对于特殊的服役条件，如高寒地区要求 的高韧性管、耐h 2 s 和c 0 2 等腐蚀介质的耐腐蚀管，比输油管更严格的天然气输送管， 在沙漠、高落差地段及穿越江河等要求的高质量耐高压管线钢等，目前仍处于待开发 阶段。 因此，利用本钢现有的设备和技术条件，进行超低硫高级别管线钢冶炼工艺技术 研究，开发出一套适合本钢设备和生产条件的x 6 5 x 7 0 级管线钢的完善工艺和设备运 行参数，并尽快投入批量生产，生产出具有高附加值、高技术含量的x 级管线钢的新 品种，对企业增加经济效益和提高市场竞争能力都将起到至关重要的作用。 从炼钢的角度来讲，开发具有高质量、高附加值的产品其核心是提高钢的纯净度 和均匀性。例如，石油管线要求硫含量在5 0 1 0 。6 以下；德国蒂森公司生产的l f 深冲 钢c 、p 、s 、o 、n 、h 几大元素的含量之和己达到1 0 0 x 1 0 4 ，可见其纯净度非常高。 国外发达国家开发超纯净钢的原因是随着钢水纯净度的提高钢的性能( 强度、韧性等) 有大幅度提高，这样可大幅度减少钢的消耗量，提高使用寿命。另外有些钢材的条件 非常恶劣，也必须使用高性能钢材。对于转炉钢厂来说，提高质量的措施是铁水预处 理、钢的二次精炼和合理的连铸工艺技术。本钢通过技术改造其硬件基本满足了生产 纯净钢、甚至超纯净钢的要求，但工艺技术软件需要自已开发。因此，首先要根据每 个工艺环节的特点针对提高钢的纯净度开发出合理的工艺技术。例如，铁水预处理的 重点是进行深脱硫工艺的研究，使处理后的硫含量达到2 0 1 0 6 以下，同时要优化喷粉 工艺最大限度地降低成本。对r h 来说应开发超低碳、超低硫、氧及其微量元素控制 的精炼技术。其次，针对某一钢种的具体要求，制定其冶炼工艺路线和每一工艺环节 的技术参数。总之，开发纯净钢冶炼工艺技术对钢铁企业生产高难度、高性能和高附 加值钢材新品种是必不可少的。 超低硫钢管线钢冶炼技术的开发成功将明显提高我国炼钢的技术水平，缩短与发 达国家在这一领域的差距，增强我国生产高质量高性能的钢材的能力，并将极大地提 高我国钢铁产品在国内外市场的竞争能力。因此在我国各大钢铁企业有重要的推广应 用价值。 一2 东北大学博士学位论文 第一章绪论 1 - 3 国内外纯净钢技术发展概况 1 3 1 纯净钢冶炼工艺技术的总体水平 高纯净钢是大幅度提高钢材强度、韧性和使用寿命的基础。近二十年来随着冶炼 技术的进步，钢的纯净度水平不断提高，以钢中碳、磷、硫、氮、氢、氧含量为例， 1 9 8 0 年德国蒂森公司生产的钢上述杂质总量可去除到6 0 0 x l f f 6 ，到9 0 年代则础去除到 1 0 0 x 1 0 一。韩国浦项可将p 、s 、o 、n 、h 总量去除到8 0 1 0 4 的水平。德国人预测， 在今后几年中上述杂质含量可以达到以下水平( x 1 0 4 ) ：c 里0 ，p 15 ，s 1 5 ，n 1 5 ， t o 茎1 0 ，h 1 0 7 ，总和为6 57 x 1 0 。而日本人预测将来日本纯净钢的冶炼水平可达到： c 6 ，p - 2 ，s 三1 ，n 1 4 ，t o 5 ，h = o 2 ，总量为：2 8 2 1 0 一。 近年来，国内也开展了纯净钢的冶炼技术的开发研究。例如，宝钢曾开展超纯净 钢冶炼的试验研究，冶炼出了p 、s 、o 、n 、h 五大元素总量为8 0 x 1 0 6 的超纯净钢。 国内其它企业和科研单位也开展了大量的研究。但是，由于研究起步较晚再加上装备 水平的限制，目前我国还没有形成批量生产超纯净铡的能山，与国际水平相比还存在 一定的差距。 1 3 2 纯净钢冶炼的主要技术手段 对于转炉流程冶炼纯净钢的主要手段是铁水预处理进行脱硫或三脱( 脱硅、脱磷、 脱硫) ，炉后配备二玖精炼设备，连铸上采用中间包冶金、保护浇注和电磁搅拌来提高 铜的纯净度。电炉流程由于采用废钢为原料，故一般没有铁水处理，但少数电炉也采 用部分铁水为原料，也可经预处理，炉后采用精炼及连铸，其技术措施与转炉流程基 本指同。 铁水预处理最常见的手段是在鱼雷罐车或铁水罐中进行喷吹脱硫。所用的粉剂有 石灰、电石以及金属镁粒或凡种粉剂的混合物。目前为了对铁水进行深脱硫其笈展趋 势是在铁水包中喷吹c a o + m g 混合粉剂，可将铁水中硫降至5 0 1 0 6 以下，最低可达 1 q x l 0 6 的水平，为冶炼超低硫钢创造了条件。国外一些钢厂还采用铁水三脱工艺，即 先进行铁水脱硅处理，然后进行同时脱磷、脱硫。这样可进一步减轻转炉的脱磷负担， 实现少渣冶炼。 钢的二次精炼可显著提高钢的纯净度。二次精炼方法有很多种，但目前最常见的 是r h 和l f 。r h 精炼法已从当初的真空脱气为主已发展成了可进行真空吹氧脱碳、 喷粉或加顶渣脱硫并进行成分微调的多功能精炼设备，在周内外得到了广泛应用，已 成为生产超低碳和超纯净钢的主要手段。l f 炉由于具有电弧加热、炉渣精炼、吹氩搅 拌和气氛可控的特点可有效地脱硫、脱氧、去除钢中夹杂物以及精确控制成分和温度， 拌和气氛可控的特点i j 有效地脱硫、脱氧、去除钢中夹杂物以及精确控制成分和温度， 3 东北大学博士学位论文 第一章绪论 1 3 国内外纯净钢技术发展概况 1 3 1 纯净钢冶炼工艺技术的总体水平 高纯净钢是大幅度提高钢材强度、韧性和使用寿命的基础。近二十年来随着冶炼 技术的进步，钢的纯净度水平不断提高，以钢中碳、磷、硫、氮、氢、氧含量为例， 1 9 8 0 年德国蒂森公司生产的钢上述杂质总量可去除到6 0 0 1 0 ，到9 0 年代则可去除到 1 0 0 1 0 一。韩国浦项可将p 、s 、o 、n 、h 总量去除到8 0 1 0 。6 的水平。德国人预测， 在今后几年中上述杂质含量可以达到以下水平( 1 0 4 ) ：c 2 0 ，p s l 5 ，s 5 ，n 5 1 5 ， t o 1 0 ，h s o ，7 ，总和为6 5 7 l o 一。而日本人预测将来日本纯净钢的冶炼水平可达到： c 6 ，p = 2 ，s 曼1 ，n 5 1 4 ，t o s 5 ，h = 0 2 ，总量为：2 8 2 1 0 。 近年来，国内也开展了纯净钢的冶炼技术的开发研究。例如，宝钢曾开展超纯净 钢冶炼的试验研究，冶炼出了p 、s 、o 、n 、h 五大元素总量为8 0 1 0 6 的超纯净钢。 国内其它企业和科研单位也开展了大量的研究。但是，由于研究起步较晚再加上装备 水平的限制，目前我国还没有形成批量生产超纯净钢的能力，与国际水平相比还存在 一定的差距。 1 3 2 纯净钢冶炼的主要技术手段 对于转炉流程冶炼纯净钢的主要手段是铁水预处理进行脱硫或三脱( 脱硅、脱磷、 脱硫) ，炉后配备二次精炼设备，连铸上采用中间包冶金、保护浇注和电磁搅拌来提高 钢的纯净度。电炉流程由于采用废钢为原料，故一般没有铁水处理，但少数电炉也采 用部分铁水为原料，也可经预处理，炉后采用精炼及连铸，其技术措施与转炉流程基 本相同。 铁水预处理最常见的手段是在鱼雷罐车或铁水罐中进行喷吹脱硫。所用的粉剂有 石灰、电石以及金属镁粒或几种粉剂的混合物。目前为了对铁水进行深脱硫其发展趋 势是在铁水包中喷吹c a o + m g 混合粉剂，可将铁水中硫降至5 0 x 1 0 6 以下，最低可达 1 0 1 0 。的水平，为冶炼超低硫钢创造了条件。国外一些钢厂还采用铁水三脱工艺，即 先进行铁水脱硅处理，然后进行同时脱磷、脱硫。这样可进一步减轻转炉的脱磷负担， 实现少渣冶炼。 钢的二次精炼可显著提高钢的纯净度。二次精炼方法有很多种，但目前最常见的 是r h 和l f 。r h 精炼法已从当初的真空脱气为主已发展成了可进行真空吹氧脱碳、 喷粉或加顶渣脱硫并进行成分微调的多功能精炼设备，在国内外得到了广泛应用，已 成为生产超低碳和超纯净钢的主要手段。l f 炉由于具有电弧加热、炉渣精炼、吹氩搅 拌和气氛可控的特点可有效地脱硫、脱氧、去除钢中夹杂物以及精确控制成分和温度， 一3 东北大学博士学位论文第一章绪论 是生产纯净钢有效方法，在炼钢厂也得到普遍应用。 连铸中间包冶金可进一步提高钢的纯净度。其主要手段包括中间包流动控制、吹 氩、加热及温度控制等。在浇注过程中采用长水口，浸入式水口及气体保护，良好的 结晶器保护渣，结晶器钢水流动控制，结晶器、二冷段及凝固末端的电磁搅拌均是改 善钢的质量的措施。 一4 东北大学博士学位论文 第二章文献综述 第二章文献综述 2 1 石油、天然气管线钢简介 随着我国石油、天然气资源的开发，我国用于制造石油、天然气输送管线用的 宽厚钢板的需要量正在不断增加。在舞阳钢厂、上钢三厂、鞍钢等几台宽厚钢板轧 机相继建成投产的情况下，这一钢材品种立足于国内生产已逐渐变为现实。管线用 中厚钢板主要用于制造较大口径的输送管线钢管和石油、天然气的大型储罐罐体， 采用u o e 成型方式。 我国目前没有专门用于制造石油、天然气输送管线用宽厚钢板的国家标准。目 前世界上已经用于生产石油、天然气输送管线用的宽厚钢板厚度为1 0 m m 一4 5 m m ， 强度级别从a p l 5 l x 的x 4 2 至x 8 0 共8 个级别，用的最多的是x 6 0 、x 6 5 和j x 7 0 三个强度级别，生产的钢板宽度达4 7 0 0 m m 。现在，大直径x 1 0 0 管线钢的生产技 术已日渐成熟。有的国家则已经对x 1 2 0 管线钢进行了研制开发，加拿大还铺设了 2 k m 的试验段，这使管线钢的开发与应用向着更高级别的方向发展。 管线用中厚钢板在化学成分上要求含碳量较低，而靠提高锰含量，添加铌、钛、 钒、钼等微量元素来保证其强度。随着钢板强度级别的提高，a p i 标准中规定的含 碳量从x 4 2 级的0 2 8 降到0 1 8 ，而锰含量从上限1 2 5 增加到1 8 0 ，硫、磷 含量分别要求在0 0 4 和0 0 5 以下，为了保证x 8 0 级钢板的低温韧性，特别要求 其硫、磷含量要低于o 0 1 8 和o 0 3 。通过对进口管线钢的实物的测量结果看，管 线钢中碳、硫元素的含量远远低于a p i 标准中规定的碳、硫含量，高级别管线钢的 硫含量普遍低于o 0 0 5 ，有的管线钢中最低硫含量已经控制到0 0 0 2 以下。 对于管线用中厚钢板，除了要求强度、塑性指标外，对于韧性指标的要求是它 的一个突出特点，包括了钢板的冲击功、冲击转变温度和焊接热影响区与焊接金属 的韧性指标。此外，还有应变时效、可焊性、应力腐蚀等指标要求。 管线用中厚钢板按显微组织可分为贫珠光体的多边形铁素体钢、低碳针状铁素 体钢和淬火+ 回火钢。前两种都采用控制轧制、控制冷却工艺生产，淬火+ 回火钢板 比控制轧制、控制冷却工艺生产的钢板具有更高的韧性和更好的抗脆性断裂传播的 | 生能。 2 1 1 石油、天然气管线钢的生产技术发展概况 随着石油、天然气的大量开采和长距离