X70管线钢生产工艺路线优化.doc

X70管线钢生产工艺路线优化杜亚伟，张远强，杨康宁(安阳钢铁集团股份有限公司河 南 安阳455004)摘 要：针对安钢X70管线钢两条生产工艺路线控氮因素综合分析认为：BOF-LF-CC工艺路线具有流程短、吨钢成本低、控氮效果显著的比较优势，完全满足X70管线钢冶金质量要求；此工艺路线增氮主要环节为“出钢过程”和“LF精炼过程”，增氮的主要原因为两个环节的“工艺参数控制”，就此提出了相应的解决措施，并取得了较好的生产效果。关 键 词：X70管线钢 控氮工艺分析 工艺路线优化 低成本1前言目前，安钢X70系管线(控Al脱氧钢)有两种生产工艺路线：铁水预处理BOFAr站LFVDCC；铁水预处理BOFAr站LFCC。两条工艺路线生产的X70管线钢其产品在“经济-质量”指标等方面的比较见表1。从表1可知，两条工艺路线所生产的X70管线钢其夹杂物、低倍及力学性能指标均能够满足品种钢质量要求，但工艺路线氮含量控制波动大，个别炉次氮含量超标；经真空处理后的X70管线钢其氮含量相对较低(成品氮含量要求见表2)，但吨钢额外增加成本50元左右(成本构成包括真空处理前的升温电耗、真空处理的蒸汽消耗等方面)。目前，钢材市场竞争激烈，只有低成本生产才能占领市场份额。因此，研究工艺路线氮含量控制措施以实现稳定生产对降低X70管线钢生产成本尤为重要，对X70管线钢生产工艺路线进行优化具有重要的现实意义。2 X70管线钢生产工艺分析安钢生产的X70系管线部分用于西气东输二线管道工程(最高输送压力10MPa)，对钢的焊接性能、塑性、强度、韧性及时效性均有很高要求1，N较高时，钢材易产生时效硬化，对钢的冲击韧性、塑性及可焊性均有不利影响，也可引起钢的冷脆(类似磷致冷脆)现象；并且，N易与Al、Nb、Ti等微合金元素形成链状夹杂物群(或第二相析出物)，对板坯角部横裂纹的产生及钢的抗疲劳性能造成严重的负面影响。因此，合理的生产工艺路线的选择对生产较低氮含量X70管线钢尤为重要。21 X70管线钢化学成分安钢生产的X70管线钢主要化学成分范围见表2。从表2可知，X70管线钢在精炼成分控制中配入了较多的微合金元素，如：B、Mo、Nb、V、Ti等，其中Nb+V+Ti015，并严格控制杂质元素S、P、N含量。然而，Ti、Al、B、Nb、V等元素在其中是作为提高低碳锰钢强度的微合金化元素在精炼过程加入的，它们通过晶粒细化和沉淀硬化(包括应变诱导析出)影响钢的性能，过多氮的存在无疑会降低这些亲氮微合金元素的有效含量，进而弱化其微合金化效果。22 X70管线钢两种工艺过程的氮含量变化根据文献结合2009年2010年上半年X70管线钢上述两种工艺过程68个工序节点(1出钢、2Ar站、3LF始、4LF末、5VD到站、6VD末、7中包及8铸坯)过程样氮含量变化进行统计。各工序节点平均水平氮含量变化见图1。从图1可以看出：1)出钢强脱氧增氮量N达到0002000025，是出钢过程增氮的重要环节；2)第34工序节点(LF处理前后) N极为显著，增氮量超过00020，成为从BOF出钢到浇注成坯整个冶金过程增氮的主要环节；3)VD降氮量较明显(第56工序节点)，N=0001500020，脱氮率在30左右，但与真空处理前初始氮含量有较大关系；另外，VD“破空瞬间”仍会造成00002的增氮现象；4)钙处理后增氮量在0000200003的范围；5)相似浇注条件下铸坯N略呈增加趋势，其增氮量在0000300005的范围。说明连铸过程保护浇注效果较好，但其增氮量的多少与VD真空终点氮含量可能存在关联。成品N则基本稳定在ZrAlBNbCr，且形成稳定的高熔点氮化物(TiN等)，炼钢温度下呈颗粒状而存在于钢液中，使钢液粘度增大，难以去除，且在浇注过程中于晶界析出。钢液吸氮动力学条件表明：氮在钢液的传质系数和反应界面积直接影响钢液吸氮程度。而传质系数取决于钢液温度、氮分压、钢液表面活性物质和表面覆盖炉渣的性质与成分等因素。当钢中初始氮含量一定时，钢液吸氮速率则受到“气液两相间的比表面积”和“表观速率常数”的影响，即增大“气液两相间的比表面积”和降低钢中O、S，钢液的吸氮速率提高。综上，结合图1不难看出两条工艺路线中，“出钢过程”及“LF处理过程”几乎满足钢液吸氮的所有热力学动力学条件，成为X70管线钢工艺路线优化的关键环节。31“出钢增氮”工艺控制优化由本文22节分析可知，出钢强脱氧过程增氮量达到0002000025，是出钢过程增氮的重要环节。为探讨X70管线钢“出钢Ar站”过程增氮，对上述生产周期内5炉X70管线钢典型炉次实绩进行了统计，结果见表3。从表3数据显示可知，X70管线钢(控铝钢)在出钢强脱氧过程中其氮含量的变化与铝含量的变化具有明显的对应关系。这符合文献3的研究结论，即出钢强脱氧过程造成钢液深度脱氧，其氮含量必然增加。为此，就其控氮过程提出以下2点改进措施：1)“出钢Ar”过程将铝含量精确控在001002的范围，既满足钢液脱氧良好，又能确保出钢过程钢液增氮量的稳定性，同时为后续冶炼过程控铝提供保证；2)将出钢过程顶渣料加入时机改为出钢开始。32“LF吸氮”工艺控制优化1)由本文22节分析可知，LF因其“造白渣脱硫”过程具有送电时间长、底吹流量大、升温空间大、渣况控制难、成分进限控制精度高等特点。处理前后N极为显著，超过00020，成为从BOF出钢到浇注成坯整个冶金过程增氮的主要环节。主要表现为：钢液裸露增氮；电弧区增氮；原材料增氮。具体阐述如下：(1)钢液裸露增氮：X70管线钢LF过程需要强脱S，要求高温、大渣量、高R、强搅拌，钢液极易裸露4-6。钢液中的O、S等表面活性元素，随着“造白渣脱硫”的进行其浓度不断降低，钢液吸氮速率增加。当炉内气氛中N2与钢水接触时，在钢水表面发生“吸附分解”反应，氮原子进入钢液，造成钢液增氮。(2)电弧区增氮：LF炉内供电时，石墨电极的位置处在熔渣层，炉内气氛中的N2在电弧区受到电弧作用发生分解反应12N2N。当钢液被适当厚度的炉渣覆盖时(化渣期)，氮原子必须通过熔渣层才能进人钢液，氮原子在熔渣层的扩散成为限制性环节，因此吸氮少；当氮原子直接与钢水接触时(脱硫期)，特别在O、S较低的情况下，也就是随着LF“造白渣一脱硫”的不断进行钢液吸氮现象开始凸现，造成钢液增氮。(3)原材料增氮：X70管线钢LF过程要求全程控Al，否则，LF出钢时加Al深脱氧造成钢液增氮；结合文献与现场观察认为喂钙线过程增氮的主要原因在于：钙气化所形成的钙气泡将钢液面吹开，裸露的钢液从大气中吸氮而造成钢液增氮。2)总之，LF“造白渣一脱硫”处理过程电弧区“钢液大气熔渣”界面更新频繁，炉气内N2分压较高(大气中氮分压大体保持在78104Pa)，钢液裸露现象严重，同样具备钢液吸氮的所有热力学与动力学条件，为LF冶炼周期波动与钢液控氮的关键环节。3)为探讨X70管线钢LF过程氮含量变化情况，对上述生产周期内X70管线钢典型炉次实绩进行了统计，结果见表4。从表4数据显示可知：(1)炉渣变白前，增氮量在00002左右，增氮量不大；(2)Nb、V合金化后增氮量在00004左右，增氮量开始变大；(3)脱硫后增氮较为明显，增氮量在0000500008的范围；(4)过程铝含量高的炉次，如0L017230L01725三个炉次(A10025)，增氮量超过0002；而过程铝含量在00100020范围的前两个炉次其氮含量的增加均10min；(5)Nb、V合金化过程放在脱硫后进行，避免多次添加合金；(6)Nb、V、Ti合金化过程严格控制底吹搅拌流量控制在300400m3h的范围；(7)炉内自始至终保持微正压，渣层厚度适当。4工艺路线优化后的生产效果根据以上分析，操作上重点针对“出钢过程”和“LF过程”实施了改进措施，并对10年下半年X70管线钢上述两种工艺过程上述68个工序节点过程样氮含量变化进行了统计。各工序节点平均水平氮含量变化见图2。从图2数据显示可以看出：就改进后的工艺路线而言，X70管线钢出钢增氮量由原来的0002000025降低到了00020降低到了00015；成品氮含量由原来的00075降低到了00060的水平，完全满足X70管线钢的生产要求；2)改进后的工艺路线较工艺路线而言，X70管线钢生产流程得以缩减，控氮水平得以优化，其吨钢生产成本得以降低。5结论针对上述X70管线钢两条工艺路线控氮对比分析，可以得出如下3点结论：1)改进后的工艺路线较工艺路线流程短、控氮效果显著，能够满足质量要求降低生产成本50元吨左右；2)工艺路线的增氮主要环节为“出钢过程”和“LF精炼过程”，增氮的主要原因为两个环节中的“工艺参数控制”；3)X70管线钢生产工艺路线优化后，仍需从钢种特性与设备性能出发，统筹冶金过程空间与时间上的契合，为生产更低N要求的高级别钢种奠定工艺基础。参 考 文 献1 陈丛虎，王新志，厚健龙等X70管线钢控氮工艺研究J河南