（钢铁冶金专业论文）天钢转炉流程生产石油套管钢精炼工艺控制技术研究.pdf

钢铁研究总院硕士学位论文 摘要 石油套管用于组成油井的井身结构，起着保护井壁、封闭地层的作用。对套管 危害最大的是a 1 2 0 3 脆性夹杂物。为了消除或减轻钢中大颗粒脆性夹杂物对钢的危 害，目前在炼钢工艺中采取的主要措施是强化脱氧，降低钢的t o ( 全氧) 并对夹 杂物进行有效控制。本论文主要依据天津钢铁公司( 以下简称天钢) 转炉流程生产 j 5 5 级套管钢3 7 m n 5 的实践，对冶炼套管钢的精炼控制工艺进行了研究。 本文通过1 0 0 炉历史生产数据调研，4 1 炉现场转炉碳氧积测定、3 炉实际生 产，分析了天钢生产3 7 m n 5 石油套管的生产概况及套管质量控制水平等；通过金 相分析、扫描电镜、能谱分析等手段对钢中的夹杂物进行了分析。调研发现：天钢 生产石油套管主要元素及有害元素控制较好，主要存在以下问题： ( 1 ) 转炉下渣量大，吨钢下渣1 4 - - 2 1 千克，给精炼造成了极大的负担；终 点高拉碳命中率低，仅有1 4 ；转炉碳氧积偏高，平均为0 0 0 3 0 5 ；炉渣改质效果 不好，精炼进站t o 含量高达1 2 3 x 1 0 七。 ( 2 ) 对材中的夹杂物形态和成分进行分析发现，夹杂物变性不完全，钙处理 控制水平还有待提高。 ( 3 ) 精炼渣中s i 0 2 含量过高，c a o s i 0 2 2 2 6 ，c a o a 1 2 0 3 3 3 5 。精炼渣量 偏大，石灰消耗高，化渣时间长。 ( 4 ) 由于上述问题造成精炼时间长达8 1 2 分钟，造成上下工序不匹配。 针对以上实际情况，本文进行了热力学计算，对天钢生产石油套管钢的l f 精 炼工艺进行了研究，重点分析了精炼渣组成( c a o s i 0 2 、c a o a 1 2 0 3 、m g o ) 和钢 水酸溶铝 a 1 s 对低氧控制的影响，精炼夹杂物控制工艺。热力学计算结果表明，当 钢中的【a 1 s 含量在0 0 2 5 一- - 0 0 3 5 ，炉渣碱度在4 5 - - 6 0 ，c a o a 1 2 0 3 在1 5 2 0 时，可使钢中全氧稳定地降至1 5 x 1 0 击；若钙处理时钢中钙含量高于2 2 x 1 0 击，硫含 量低于0 0 0 8 ，可较容易地将a 1 2 0 3 夹杂变性为低熔点的c 1 2 a 7 。 在热力学计算基础上，结合天钢实际，提出了一系列优化措施： ( 1 ) 做好转炉终点控制，尤其是下渣量控制，改挡渣球挡渣为挡渣锥挡渣， 钢铁研究总院硕士学位论文 控制吨钢下渣量1 0 千克；出钢时采用钢芯铝强制脱氧、提高炉渣碱度、钢水强搅 拌等措施改善炉渣改质效果。 ( 2 ) 钢水在精炼加热前一次加足铝量( 不再补加) ，以确保生成的a 1 2 0 3 夹杂 有充足的时间被去除，控制好 a 1 s 迅速降低钢水a o ，稳定地控制t o 在1 5 x1 0 西以内。 ( 3 ) 选择合理的精炼渣系，目标成分c a 0 4 0 - , 5 0 ；m 9 0 8 - 一1 0 ，a 1 2 0 3 1 8 - - 2 5 ，s i 0 27 * o - - , 1 0 ，c a o s i 0 2 = 4 5 6 ，c a o a 1 2 0 3 = 1 5 2 0 ，将钢中t o 稳定控 制在1 5 x 1 0 击以内。 ( 4 ) 强化钢水钙处理，确保钢中钙含量高于2 2 x 1 0 击，硫含量低于0 0 0 8 ，从 而改善夹杂物变性效果。 ( 5 ) 在做好转炉终点及精炼控制的基础上，做好生产调度，目标将精炼时间 由8 1 2 分钟缩短为6 0 分钟。 通过采取以上优化措施，经5 炉试验验证，结果表明： ( 1 ) 精炼渣较优化前已有较大改善，渣中s i 0 2 成分由优化前的1 9 - - 2 5 降 至1 5 。o - - , 2 0 ，a 1 2 0 3 含量较优化前的1 5 - , 1 7 提高至1 7 - - 2 2 ，c a o s i 0 2 由优化 前2 2 6 提高至3 ，有利于快速生产低氧套管钢。 ( 2 ) 对 a 1 s 为0 0 1 - - - 0 0 2 的钢水来说，要生成低熔点的c 1 2 a 7 ，根据前 面热力学计算，钢中 c a 应大于1 2 x 1 0 击1 9 x 1 0 击，实际检测发现，钢中 c a 为 1 2 x 1 0 击 3 0 x 1 0 击，夹杂物形态控制大为改善。 ( 3 ) 铸坯t o 为l l x l 0 石- 1 7 x 1 0 巧，平均1 3 8 x 1 0 缶，达到了1 5 x 1 0 币的控制 目标。 ( 4 ) 精炼时间由8 1 2 分钟缩短为6 2 2 分钟，基本达到了控制目标。 优化后钢中【舢】s 及精炼渣未达到理想成分原因在于转炉环节下渣量过大，部 分优化措施未得到很好执行，下一步应重点对下渣量控制问题进行研究，继续提高 套管钢冶炼控制水平。 关键词石油套管；l f 精炼：夹杂物；酸溶铝；热力学 2 钢铁研究总院硕十学位论文 a bs t r a c t o i lc a s i n gi su s e dt om a k e u pt h es t r u c t u r eo fo i lw e l lw h i c hc a l ls a f e g u a r dt h e w a l lo fw e l la n db l o c ko u ts t r a t u m t h eg r e a t e s th a r mt os t e e lc o m e sf r o mt h o s el a r g e n o n d e f o r m a b l ei n c l u s i o n s i no r d e rt o d i s p e l o rr e d u c et h ed e t r i m e n t a li n f l u e n c e o r i g i n a t e db yl a r g en o n d e f o r m a b l ei n c l u s i o n s ，t h ep r o c e s so fs u p e rl o wo x y g e nr e f i n i n g i sc o m m o n l yu s e di nc o m m e r c i a lp r o d u c t i o n , w h i c hc o u l dl o wt h et o t a la m o u n to fo x i d e i n c l u s i o n s b a s e do nt h ep r o d u c t i o np r a c t i c e so ft i a n j i ns t e e lp l a n t , t h er e s e a r c hi sd o n e o nh i 曲e f f i c i e n c ys m e l t i n gp r o c e s sf o rb o fp r o d u c i n g3 7 m n 5o i lc a s i n gs t e e l a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so f10 0h e a t sh i s t o r yd a t a , 4 1h e a t sb o fc a r b o n o x y g e n p r o d u c ta n d3h e a t si n d u s t r yt e s t ，t h es u r v e yo f3 7 m n 5o i lc a s i n gs t e e l ，c h a r a c t e r i s t i c so f t e c h n o l o g ya n de q u i p m e n t ，p r o d u c tp r o g r a md e v e l o p m e n ta n dq u a l i t yc o n t r o lo fc a s i n gi s g i v e n a t t i a n j i n s t e e l p l a n t ，a n a l y t i c a lt e c h n i q u e s s u c ha s m e t a l l o g r a p h i c e x a m i n a t i o n ，s e ma n de d sa r ea p p l i e dt od i s t i n g u i s ht h ei n c l u s i o n si ns t e e l t h es u r v e y s h o w st h a tt h ec o n t e n t so fm a j o ra n dd e l e t e r i o u se l e m e n tm e e tt h er e q u i r e m e n to fo i l c a s i n g t h em a i np r o b l e m sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h et a p p i n gb o fs l a gi su pt o1 4 4 - - 2 1 k g tw h i c hb u r d e n sl fr e f i n i n gb a d l y ；t h e h i t t i n gr a t e so fc a r b o nl e s st h a n l 4 ；c op r o d u c ti s0 0 0 3 0 5 ；t oo fe n t e r i n gl fi su pt o 1 2 3 x 1 0 6 ( 2 ) t h ei n c l u s i o n sm o d i f i c a t i o ne f f e c ti sh a l f w a y , t h ec a l c i u mt r e a t m e n ti sd e f i c i e n t w h i c h s h o w st h a ti m p r o v et h el e v e lo fc a l c i u mt r e a t m e n ti sn e c e s s a r y ( 3 ) t h ec o n t e n t o fs i 0 2i nl f s l a g i s e x t o r t i o n a t e ，b i n a r yb a s i c i t yi s 2 2 6 ，c a o a 1 2 0 3i s3 - 3 5 ，a l lo fw h i c ha r ea d v e r s et or e d u c i n go x y g e na n da d dt i m eo f r e f i n i n g t h ea m o u n to fl fs l a gi se x c e s s i v e ，w h i c hm a k ea m o u n to f t h er e q u i s i t el i m e h u g ea n d t i m eo fm e l t i n gs l a gl o n g ( 4 ) a l lo fa b o v em a t t e r sm a k et h et i m eo fl fr e f i n i n g81 2m i n u t e sa n dn o ts u i t e dt o 3 钢铁研究总院硕十学位论文 a n t e r i o ro rl a t t e rw o r k i n gp r o c e d u r e w i t ht h eh e l po ft h e r r n o d y n a m i cc a l c u l a t i o n ，d y n a m i ca n a l y s i s ，l a b o r a t o r yt e s ta n da g r e a td e a lo fr e s e a r c h e s ，t h el fr e f i n i n gp r o c e s so fo i lc a s i n gs t e e la tt i a n j i ns t e e lp l a n ti s i n v e s t i g a t e d ，m a i n l ya n a l y z e dt h ee f f e c ts u c ha st h ee n d - p o i n tc o n t e n to fc a r b o n ，l fs l a g c o n t e n t s ( c a o s i 0 2 ，c a o a 1 2 0 3 ，m g o ) a n dd i s s o l v e d a l u m i n u mt or e d u c eo x y g e n c o n t e n t t h ec o n d i t i o n so fa 1 2 0 3m o d i f i c a t i o na n dc a sf o r m a t i o nf o rc a l c i u mt r e a t e d 3 7 m n 5s t e e la r ed i s c u s s e di nd e t a i l s o m ep r o p o s a l sf o ri m p r o v i n gt h er e f i n i n gp r o c e s s a r eo f f e r e da n dt h ea c t u a le f f e c th a sb e e nt e s t e d t h et h e r m o d y n a m i cc a l c u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tw h e nt h ed i s s o l v e da l u m i n u m a 1 sw a so 0 2 5 - 0 0 3 5 ，t h eb a s i c i t yo f s l a g w a sa b o u t4 5 - - 6 0 ，c a o a 1 2 0 3w a s1 5 - - 2 0 ，t h et oi ns t e e lc o u l db er e d u c e dt o 1 5 x 1 0 石i ft h ec o n t e n to fc a l c i u mm o r et h a n2 2 x 1 0 - 6 , s u l p h u rl e s st h a n0 0 0 8 ，i tc a n e a s i l yt om o d i f ya 1 2 0 3i n t ol o wm e l t i n gp o i n tc 1 2 a 7 ，a n dl e v e lo fc o n t r o l l i n gi n c l u s i o n s m e tt h er e q u i r e m e n to fc a s i n gs t e e l b a s e do nt h et h e r m o d y n a m i cc a l c u l a t i o n , s o m ep r o p o s a l sf o ri m p r o v i n gt h e r e f i n i n gp r o c e s sw e r eo f f e r e da n dt h ea c t u a le f f e c th a db e e nt e s t e d t h ed e t a i l e d p r o p o s a l sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) c o n t r o lt h ee n do fb o fb e a e r , e s p e c i a l l yc o n t r o lt h et a p p i n gb o fs l a gw t h w a r d i n g - s l a gc o n et o 10 k g t ；a d ds t e e l - c o r e da l u m i n i u mt ot h et a p p i n gb o fs l a g , h e i g h t e nt h es l a gb a s i c i t ya n ds t i rm o l t e ns t e e ls t r o n 舀yt oo p t i m i z es l a gc o n d i t i o n ( 2 ) a p p e n da l u m i n i u mw i r ea m p l yw h e ne n t e r i n gl fa n db l o wa r g o ns 廿o n # yi n o r d e rt or e m o v et h ea 1 2 0 3i n c l u s i o n s ，c o n t r o l 【a 1 st or e d u c et ot el5xl0 6 s t e a d i l y ( 3 ) c h o o s et h ep r o p e rl fs l a gt h ea i mi sc a 0 4 0 5 0 ；m 9 0 8 - - 10 ，a 1 2 0 3 l8 一2 5 ，s i 0 27 一1 0 ，c a o s i 0 2 - - 4 5 - 6 ，c a o a 1 2 0 3 = i 5 2 o ，t oc e n t r e lt h et 0o f s t e e lt o1 5 x 1 0 6 ( 4 ) s t r e n g t h e nt h ec a l c i u mt r e a t m e n t ，e n s u r ec o n t e n to fc a l c i u mi nt h es t e e le x c e e d 2 2 xl0 ，c o n t e n to fs u l p h u ru n d e r0 0 0 8 t oo p t i m i z ei n c l u s i o n sm o d i f i c a t i o ne f f e c t ( 5 ) i f d ot h ea b o v ew o r kw e l la n dh a r m o n i z ep r o d u c t i o nr h y t h ms a t i s f a c t o r i l y , t h e t i m eo fi fc o u l db es h o r t e n e dt o6 0m i n u t e sf r o m81 2m i n u t e s 4 钢铁研究总院硕士学位论文 t h et e s tr e s u l t so f5h e a t sa d o p t i n gt h eo p t i m i z e dm e a s u r e ss h o wa sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ec o n t e n t so fl fs l a ga r eo p t i m i z e dm a r k e d l y , s i 0 2i sr e d u c e df r o m 1 9 2 5 t o15 - - - 2 0 ，a 1 2 0 3i si n c r e a s e df r o m15 17 t o17 2 2 ，c a o s i 0 2i s i n c r e a s e df r o m2 2 6t o3 ，a l lo fw h i c hi sa d v a n t a g e dt op r o d u c el o wo x y g e no i lc a s i n g f a s t l y ( 2 ) w h e n 【a 1 s i sd i s t r i b u t e df r o m0 01 t o 0 0 2 ，b a s e d o nt h e t h e r m o d y n a m i cc a l c u l a t i o n ，i f c a 】i nt h es t e e le x c e e d sf r o m12 x 10 击t o l9 xl0 石，i tc o i l e a s i l yt om o d i f ya 1 2 0 3i n t oc 1 2 a 7 t h ea c t u a l 【c a i sd i s t r i b u t e d f r o m12 x10 由t o 3 0 xl0 6 , t h ei n c l u s i o n sm o d a l i t yi ns t e e la r ea p p r o v i n g ( 3 ) t h et oo fr o u n di sd i s t r i b u t e d 丘o m l l x l o 石t o1 7 x 1 0 。6 , a v e r a g er e s u l ti s 1 3 8 1 0 扣，a c h i e v et h ec o n t r o l l i n ga i mo f1 5 x 1 0 _ 6 ( 4 ) t h et i m eo fl fr e f i n i n gi ss h o r t e n e dt o6 2 2m i n u t e sf r o m81 2m i n u t e s w h i c h b a s i c a l l yc o m et r u et h ec o n t r o la i m t h er e a s o nt h a tt h e a 1 sa n dt h ec o n t e n t so fl fs l a gd i d n ta c h i e v ep e r f e c ta i m e x i s t e si na m o u n to ft a p p i n gb o fs l a gi sc o n t r o l l e du n s a t i s f a c t o r i l ya n ds o m e o p t i m i z e i n gm e a s u r e sa r en o tp u ti np r a c t i c es t r i c t l y t h en e x ts t e pi sr e s e a r c hh o w t o c o n t r o lt h et a p p i n gb o f s l a ge f f e c t i v e l yt oi m p r o v et h el e v e lo f o i lc a s i n g k e yw o r d so i l c a s i n g ；l fr e f i n i n g ；i n c l u s i o n s ；d i s s o l v e da l u m i n u m ； t h e r m o d y n a m i c s 5 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没 有剽窃和侵权行为，本人愿意承担由此而产生的法律后果和法律责任， 郑重声明。 学位论文作者( 签名) ： 2 0 0 9 年1 月2 0 日 钢铁研究总院硕士学位论文 引言 石油专用钢材包括套管、油管、钻杆、钻铤和方钻杆，简称油井管。石油套管 按使用情况可分为：导管、表层套管、技术套管及油层套管。由于油井( 油气井) 的深 度影响，套管的使用条件极为恶劣，因此对钢的质量提出了严格的要求，必须具备抗 拉、耐低温、耐高压、抗h 2 s 腐蚀及抗弯曲等性能。国际常用标准为美国石油协会a p i s p e c5 c t 。其常用钢级为j 5 5 、k 5 5 、n 8 0 、l 8 0 、c 9 0 、t 9 5 、p 11 0 、q 1 2 5 等。其中 j 5 5 级和n 8 0 级占到需求量的8 0 左右，尤其是n 8 0 级石油套管用量最大，约占到5 0 。 本论文是依据天钢转炉流程冶炼j 5 5 级石油套管钢3 7 m n 5 的实践，通过现场 跟踪取样，结合冶金理论而做出的研究。通过调研1 0 0 炉历史生产纪录、现场工业 试验摸底、工艺优化试验三个阶段，对天钢冶炼套管钢的实践有了一个从粗浅到深 入的过程。经过这三个阶段的工作，可以发现天钢转炉冶炼石油套管的一些特点， 对工艺优化的效果，有成功的地方，也有不尽人意的地方。在本论文中，主要做了 以下工作： 第一，对天钢套管钢冶炼进行调研并现场跟踪试验，对所取试样进行检测分析； 第二，运用热力学理论进行计算并结合实际冶炼操作，通过研究分析，发现了 天钢冶炼石油套管钢存在的问题； 第三，对发现的问题进行了理论分析提出了优化方案； 第四，进行了精炼工艺优化试验，并对优化效果进行了分析，总结。 随着国民经济的发展，我国对石油资源的需求将更加深入，我国石油企业要全 面掌握并灵活运用国际市场规则，闯出海外拓展效益之路。国家制定了“开发西部、 大力发展海上油气资源”的战略方针，就是为了满足日益增大的能源需求，而制管 企业则要具有技术竞争力，夺取海外油气田用管市场，市场前景非常广阔。因此对 天钢转炉流程生产石油套管钢控制技术的研究有继续深入的必要，应结合目前取得 的成果再接再厉，为中国套管质量水平的进步做出自己的贡献。 6 钢铁研究总院硕士学位论文 1 1 石油套管概述 第一章文献综述 石油专用钢材包括套管、油管、钻杆、钻铤和方钻杆，简称油井管。石油套管 用于组成油井的井身结构，保护井壁、封闭复杂地层、保护油层。套管是用优质钢 材制成的一种无缝钢管，长度在l o m 左右；两端车有螺纹，用套管接箍联接。按使 用情况【l 】可分为：导管、表层套管、技术套管( 又称中间套管) 及油层套管( 又称 生产套管) 。 导管主要用于海洋和沙漠钻井，用于隔开水或沙子。表层套管主要用于第一次 开钻，封隔上部松软的易塌、易漏地层；技术套管用于封固在钻井过程中遇到的坍 塌层、油气及水漏失层、盐膏层等复杂部位；油层套管用于封住最下部油、气目的 层，为油、气开辟通路。石油套管在油气生产中的工作示意如图1 1 所示。 2 4 5 l 一导管2 一表层套管3 一技术套管4 油层套管5 油管 图1 1 油气井井身结构示意图 7 钢铁研究总院硕士学位论文 由于油井( 油气井) 的深度影响，套管的使用条件极为恶劣，因此对钢的质量提出 了严格的要求，必须具备抗拉、耐低温、耐高压、抗h 2 s 腐蚀及抗弯曲等性能。国际 常用标准为美国石油协会制定的a p is p e c5 c t 。为了满足钻井的需要，套管具有不 同的直径、壁厚和钢级。其常用钢级为j 5 5 、k 5 5 、n 8 0 、l 8 0 、c 9 0 、t 9 5 、p 11 0 、q 1 2 5 等【2 1 。其中j 5 5 级和n 8 0 级占到需求量的8 0 左右，尤其是n 8 0 级石油套管用量最大， 约占到5 0 。 套管管体性能要求见表1 1 1 3 】： 表1 1a p is p e c5 c t ( 2 0 0 5 ) 标准中j 5 5 套管力学性能要求 3 7 m n 5 系德国曼内斯曼公司参照美国石油协会a p i 标准设计的钢种4 1 ，属低合金结 构钢，相当于我国的3 5 m n 2 钢其化学成分要求见表1 2 ： 表1 23 7 m n 5 钢的成品化学成分， 1 2 国外石油套管钢生产发展概况 长期以来工业发达国家都将石油专用管作为一种主要的钢管品种，对其生产 工艺装备不断进行技术改造和更新，以生产高质量的油管，参与国际竞争。目前，世 界上石油套管生产国主要是日本、德国、阿根廷、美国、俄罗斯等。国外石油套管主 要生产公司( 国家) 及其产能见表1 3 。 钢铁研究总院硕士学位论文 注：资料米源于美国o ctg 嘲站； t e n a r i s 集团包括阿根廷的s i d e r c a 公司、墨两哥的t a m s a 公司、意人 利的d a l m i n c 公司、日本的n k k 公司、加拿人的a l g o m a 公司、委内瑞拉的t o s c a 公司、巴两的c o n f a b 公司、 阿根廷的s i a t 公司；v m 集团包括法国的v a l l a u r e 公司、德国的m a n n e s m a n n 公司、美国的n o r t h s t a r 公司 国外石油套管生产技术的主要进展是： ( 1 ) 研究开发满足特殊服役条件的非a p i 钢材，包括深井超高强度套管，耐硫 化氢、二氧化碳和氯离子的套管，寒冷地区用高强度套管； ( 2 ) 研究用高频电阻焊管代替低、中钢级的无缝钢管套管。提高套管尺寸精 度，降低制造成本： ( 3 ) 采用先进的转炉复合冶炼、超高功率电炉冶炼及炉外精炼工艺技术。保 证套管的化学成分均匀性和纯净度，控制钢中硫、磷含量及有害元素含量，控 制气体含量及夹杂物形态； ( 4 ) 采用连铸圆管坯的工艺技术装备，降低成本： ( 5 ) 采用先进的连轧管机组和多层次完善的在线及线外检测系统，测长称重 系统，温度测量控制系统，钢管在线和线外几何尺寸测量装置，管坯、钢管内 在质量和表面缺陷检测装置，保证套管的质量。 ( 6 ) 采用高效的c n c 车丝机床和先进的管加工工艺，保证油管的螺纹加工精 度，确保油管连接强度和密封性能。 9 钢铁研究总院硕士学位论文 1 3 国内石油套管钢生产发展概况 1 3 1 国内套管钢生产水平现状 目前我国石油套管的主要生产企业有天津钢管集团有限公司( 简称天管) 、宝 钢分公司钢管厂( 简称宝钢) 、衡阳华菱钢管( 集团) 有限公司( 简称衡管) 、攀钢集 团成都钢铁有限责任公司( 简称攀成钢) 、鞍钢集团新钢铁有限责任公司( 简称鞍钢) 、 包头钢铁( 集团) 有限责任公司( 简称包钢) 、江苏诚德钢管股份有限公司、宝鸡石 油钢管有限责任公司等，产能已达至l j 4 0 0 万t 以上，并且还有近2 0 0 多万t 的在建产能将要 释放。表1 4 为近年来我国石油管主要生产厂生产石油套管用无缝钢管产量【5 1 。 表1 4 近年我国石油管主要生产厂石油套管用无缝钢管产量t 目前，石油套管钢生产工艺流程主要有两种： ( 1 ) 电炉流程：电炉一炉外精炼_ 连铸一轧制； ( 2 ) 转炉流程：高炉一铁水预处理_ 转炉叶炉外精炼一连铸_ 轧制。 表1 4 所示国内的石油套管钢大多数使用电炉流程生产，表1 5 列出国内套管 钢主要生产厂家的生产流程【6 1 1 1 ，其他未列出的厂家一般采用电炉流程，转炉生产 石油套管具有很强的后发竞争优势。 l o 钢铁研究总院硕士学位论文 天管 衡管 攀成钢 莱钢 兴澄特钢 广钢 厂家 宝钢 鞍钢 包钢 e a f ( 1 5 0 t ) - - - , l f - - - , v 口_ + c c ( 6 流，0 2 7 0i r f f n ) e a f ( 9 0 t ) - - - l f 一( v d ) 一h c c ( 4 流，中2 2 0r a m ) e a f ( 9 2 t ) l f ( 9 2 t ) - - - , c c ( 4 流，0 2 2 0m m ) e a f ( 5 0 t ) 一l f + c c ( 3 流，3 0 0 m m x 2 6 0 m m ) e a f ( 1 0 0 t ) 一l f 一( v d ) q c ( 5 流，3 0 0 m m 3 0 0 m m ) e a f ( 1 5 0 t ) - - * l f ，c c 转炉工艺流程 高炉一铁水预脱硫一复吹转炉( 3 0 0 0 一l f - - - 吧c ( 6 流，p 1 7 8m i l l 、q 1 5 3r a m ) 高炉一铁水预脱硫一顶吹转炉( 1 0 0 r ) 一l f c c ( 4 流) 高炉一铁水预脱硫一复吹转炉( 8 0 t ) 一l f v n _ + c c ( 0 2 7 0r a m ) 在国内，由于废钢紧缺，电价较高，采用转炉冶炼优质石油用钢具有更明显的 成本优势，其最大优点在于钢中残余元素含量少且稳定，生产成本较电炉流程低 2 0 0 - * 4 0 0 元吨，具有较强的成本竞争力。表1 6 为国内主要套管钢生产厂家所生产 j 5 5 石油套管钢3 7 m n 5 成品控制水平。 表1 6 国内j 5 5 套管钢3 7 m n 5 主要生产厂家产品水平比较 注：常规元素检验试样取自中间包，气体及夹杂物试样取自钢材。 通过表1 6 各钢厂水平比较可知：各厂家所生产的石油套管钢常规元素控制相 差不大，均能达到标准要求。 p 】、 s 】控制水平均比较好，总体水平以宝钢控制最 好。国内套管钢t o 在1 4 2 5 x 1 0 。6 ，天管、宝钢两家均为1 5 1 0 6 ；夹杂物总和( a 类+ b 类+ c 类+ d 类) 3 0 级。 套管钢中的p b f l 皂使钢的塑性略有降低，使钢的冲击值有较大降低。s n 可大大降 低钢及合金的高温机械性能，对钢的加工性能十分有害。a s 在钢中常以f e 2 a s 、f e 3 a s 2 、 f e a s 及固溶体形式存在，易发生偏析现象，含量较高时( 0 2 ) ，使钢的脆性增加， 延伸率，断面收缩率及冲击韧性降低，并影响焊接。s b 对钢的性质有恶劣影响，能使 钢铁研究总院硕士学位论文 钢的强度降低，脆性增加。b i 在钢中易偏析于晶问、相间，它的存在引起钢的脆性， 降低钢的塑性，影响钢的高温强度。故在冶炼套管钢时对五大有害元素的控制要求极 为严格。表1 7 为几家钢厂套管钢有害元素对比。 表1 73 7 m n 5 钢有害元素含量n 通过表1 7 有害元素含量比较可知：以上几家套管产品五大有害元素 p b + s m s + s b + b i 总和以衡管( 电炉流程) 最高，其他几家均 9 0 x 1 0 6 ：天钢五害 之和 7 0 x 1 0 击，单一元素 3 0 x 1 0 6 。说明转炉生产3 7 m n 5 钢有其先天的优势，冶炼 原料主要是铁水，废钢较少，因此带入的杂质元素较少，完全可以满足套管钢苛刻 的成分要求。 但转炉流程生产套管钢应该注意：由于转炉冶炼时间较电炉要短，后续精炼与 转炉匹配时，在保证钢水纯净度的前提下，其生产节奏应与转炉及连铸相适应，保 持高的生产效率和设备作业率；要做好转炉终点尤其是下渣量的控制，以减小精炼 的负担，缩短精炼时间。 1 3 2 国产套管钢的主要质量问题 从2 0 世纪7 0 年代开始，我国陆续从国外引进了一些油管生产线，使我国低钢级 油管的质量、产量有很大提高。油井管品种也有较大的发展，产品包括油管、套管、 钻杆。其中，套管的产量占油井管的7 0 以上。1 9 8 5 年、1 9 9 3 年上海宝钢和天津钢管 的相继投产，极大地推进了石油套管国产化进程。国产油套管钢级包括j 5 5 ，n 8 0 和 p 1 1 0 ，c 9 0 ，t 9 5 等钢级及非a p i 标准的新型高抗挤套管t p l 3 0 t i 均已开发试制成功。 经过l o 余年的努力，天津钢管集团公司在高强度抗硫化氢腐蚀套管方面，也已形成了 具有自主知识产权的系列产品，如t p l 0 0t s t s s 、t p l1 0 t s t s s 、t p l 2 5 s 套管，均 已通过抗腐蚀性能检验【1 2 l 。从整体来看，我国石油套管的生产工艺装备已接近或达到 1 2 钢铁研究总院硕士学位论文 国际先进水平。但就石油套管的实物质量而言仍参差不齐，与国外先进水平相比还有 较大的差距，主要表现在以下几个方面【1 3 】： ( 1 ) 品种及规格不全 我国能大批量生产供货的石油套管钢级还较少，仅限于j 5 5 ，n 8 0 和p 1 1 0 ，其他 钢级如c 9 5 ，t 9 5 ，q 1 2 5 ，v 1 5 0 尚不能大批量提供。此外，一些特殊用途的a p i 油套 管如深井、超深井、大位移井、抗挤毁、抗腐蚀及寒冷地区用管，以及具有高连接强 度和高密封性的特殊螺纹管国内还不能提供。而在国外，t a p i 钢级和特殊螺纹油井 管已分别占油井管总量的三分之一。 ( 2 )钢质不够纯净，化学成分中s ，p 和有害元素的含量较高 国外钢中的夹杂物含量比较低，s 、p 含量大都小于0 0 1 5 ，不少厂家可控制在 0 0 0 5 左右，化学成分波动比较小。目前在国产油管中钢质不够纯净，夹杂物较多， s 、p 含量在0 0 1 0 - - 0 0 2 0 范围内，有的钢厂尽管s 、p 也能控制到很低，但成分波 动范围较大，有害元素含量较高。 ( 3 )国产套管的性能波动范围较大 通常开发的新品种经试验评价，质量都不错，但批量生产后质量稳定性却难以 保障。也就是我们通常总结的试生产产品的质量优于小批量生产产品的质量，小批量 生产产品质量优于大批量生产产品的质量。成品还常存在屈服强度和延伸率数据离散 度大、冲击韧性低等问题。 1 4 转炉流程生产石油套管钢的精炼控制关键点 由于石油套管的使用条件极为恶劣，因此对钢管性能提出了严格要求，必须具 备抗拉、耐高压、抗h 2 s 腐蚀等性能【1 4 1 。要求钢材采用洁净钢，钢中夹杂物的形态、 分布、大小均应有限制【1 5 】。能否快速冶炼高质量的套管钢关键在于以下几点： 第一，转炉终点控制技术。通过合理的高拉碳控制较低的氧势，采用先进的挡 渣技术严格控制下渣量，采用炉渣改质技术降低氧势： 第二，低氧钢精炼控制技术。通过采用铝强制脱氧，控制钢中【a l 】s 含量及合理 的精炼渣系生产高品质的低氧钢； 第三，夹杂物控制技术。对于用铝深脱氧而本身对舢2 0 3 夹杂又较为敏感的套 1 3 钢铁研究总院硕士学位论文 管钢，要及时去除钢水中的夹杂物，对夹杂物进行变性处理以改变其形态及性质， 使其对钢材的伤害降至最小； 第四，精炼时间的控制。由于转炉节奏较电炉快，难以像电炉一样保证l f 精 炼有足够的处理时间，能否解决快速精炼问题是转炉流程生产石油套管节奏是否匹 配的关键所在。 1 4 1 转炉终点控制 转炉终点控制的好坏对后续精炼环节起着关键作用，要做好精炼工艺控制，首 先应做好转炉终点控制。 ( 1 )转炉下渣量控制 影响石油套管钢精炼最大的问题是转炉下渣量控制问题。若吨钢下渣量大于 l o k g ，就会给炉渣改质造成很大的负担，增加了脱氧剂的用量，降低了合金元素的回 收率，更为严重的是，给后续精炼环节造成了不利影响，由于炉渣氧势大，白渣精炼 就会变得困难，不利于脱氧和脱硫，对精炼渣系调整也不利，这样就给炉外精炼带来 很大的难度。可以说，下渣量控制是决定后续精炼操作成败的关键。 ( 2 ) 转炉终点【c l 控制 另一个问题就是转炉终点碳的控制问题。精炼后钢中t o 及夹杂物数量的多少， 在很大程度上取决于精炼前钢中t o 的高低。因此，要达到精炼后钢中t o 1 5 x1 0 西， 关键之一，是要降低钢的初始氧含量。对于转炉炼钢而言，影响初始氧含量高低的主 要因素是转炉出钢【c 】。为了降低初始氧含量，目前采用的普遍办法是高拉碳操作， 但高拉碳工艺造成转炉脱磷困难。解决办法就是在转炉冶炼前期将磷脱至较低范围， 并在“一倒 时尽可能倒出高磷渣，实现转炉高碳出钢条件下生产低磷钢水的目标。 ( 3 )转炉出钢改质 转炉冶炼终点炉渣f e o 含量很高，在出钢过程加入改质剂以改变炉渣成分，降低 炉渣氧势，减少炉渣向钢水的传氧以降低精炼进站钢水的氧含量，为精炼操作创造良 好的热力学条件。 1 4 钢铁研究总院硕士学位论文 1 4 2 精炼过程低氧控制 ( 1 ) 脱氧原理及方法 脱氧主要是通过脱氧剂与钢水中的溶解氧作用生成脱氧产物，通过熔池搅拌和 高碱度强还原性熔渣去除脱氧产物，得到纯净钢水。脱氧反应可表示为： 三 m 】+ 【d 】= i ( m 工o 。)( 1 1 ) yy 按氧除去方式不同，有3 种脱氧方法【1 6 】： 1 ) 沉淀脱氧。溶于钢水中的脱氧元素和氧反应，在钢水内部生成氧化物 夹杂，由于比重轻上浮去除。- 2 )扩散脱氧。利用氧化铁含量很低的炉渣处理钢水，使钢中的氧经扩散进 入炉渣中而不断降低。 3 ) 真空脱氧。在真空条件下，钢水面上压力降低时能促进钢水中的碳氧反 应。 ( 2 ) 脱氧剂与脱氧 对b o f l f 工艺路线，最好在钢包中加强脱氧剂进行脱氧，且控制好钢中残余 脱氧元素的含量。为使钢中游离态的氧最大限度的转化成化合态，且生成的脱氧产 物易于上浮，采用复合脱氧剂较佳。 实践表明，铝是最好的脱氧元素，钢中铝含量与氧含量密切相关。铝含量越高， 钢中氧含量越低。但当铝含量大于0 0 4 时，容易堵塞中间包水口。 还可通过喂c a - s i 线来辅助除氧。例如上钢五厂【1 7 1 在实际生产中，电弧炉出钢 时用复合脱氧剂a 1 s i f e 进行钢水脱氧；钢包炉精炼结束时喂铝线进一步降氧；最 后喂硅钙线使钢中夹杂物变形，获得低的氧含量和夹杂物含量水平。 ( 3 ) 精炼渣与脱氧 传统的精炼渣一般含有c a o 、c a f 2 、a 1 2 0 3 、s i 0 2 、m g o 、f e o 、m n o 等。这些 成分的配比、含量以及炉渣碱度对脱氧都有着重要影响。国内外对精炼渣组成的研究 主要有如下几个方面： 1 5 钢铁