管线钢工艺设计

冶炼管线钢的工艺设计,学院：机械工程学院专业：机械装备2班指导老师：高新亮小组组长：王攀小组成员：王攀（100101010312）张春（100101010306）刘同旺（100101010322）闫美加（100101010337）王宇（100101010304）李祥（100101010307）关云蛟（100101010239）李扬（100101010236）黄胜（100101010313）,一、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）。管线钢可分为高寒、高硫地区和海底铺设三类。目前管线钢的型号主要有X60、X65、X70、X80等。从油气输送管的发展趋势、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”。,1.2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。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氏体、贝氏体铁素体组织来保证的。,表1优质管线钢中有害元素含量的要求,注：必不可少的；必要的；理想的,管线钢对各种元素和夹杂物都有很严格的要求，具体成分要求如下表1,1.3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、良好的焊接性能及抗HIC、SCC性能的要求，对应相应的技术要求，要采取相应的工艺手段，具体如下表2所示：,表2生产高质量管线钢技术保证与工艺手段,二、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如下表3所示：,表3国外一些生产厂家管线钢的生产工艺流程,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。,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：,铁水预处理,转炉冶炼,清洁废钢,沸腾出钢，弱脱氧,真空脱氧，喷粉脱硫,炉渣改造，白渣出钢,LF加热精炼,2.2炉外精炼,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HN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。（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,三、炉外精炼,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。,RH精炼图：,3.3RH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,3.4RH-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,3.5RH-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。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%。,3.6炉外精炼脱硫技术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3.7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，就会有较好的脱氮效果。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。,3.8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、改变夹杂物形态、防止水口堵塞等可靠措施。其中，需要强调的是，金属钙处理可改变钢中夹杂物形态和数量，使得氧化物和硫化物夹杂转变为外包硫化钙的低熔点钙铝酸盐球状复合夹杂物，夹杂细化且分布均匀，改善了钢的质量，减少连铸时的水口结瘤。,电炉冶炼超低碳钢需要对炉料进行调整。采用直接还原铁代替部分废钢，保证电炉出钢时是关键环节。电炉冶炼超低碳钢生产工艺流程如下图所示：,DRI球团,废钢,电炉冶炼,炉渣改质，白渣出钢,LF白渣精炼,RH-喷粉,VD精炼,40%,60%,四、电炉冶炼超低碳钢的生产工艺,电炉冶炼超低碳钢生产工艺图,五、管线钢X65冶炼工艺设计,5.1国标X65管线管线钢性能以及及成分要求如下表4：,表4X65化学成分表,从X65的成分要求可以看出,该钢种的主要技术难点在于:碳含量较低,碳当量有比较严格的要求。,5.2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。,5.3宝钢X65高韧性管线钢的工艺主要包括：这样的工艺确保钢水的洁净度、夹杂物球化、晶粒细化和微合金化的效果。5.4在冶炼工艺上采取的措施：（1）原料：将铁水在混铁车中喷吹石灰粉和电石粉进行深脱硫，保证入炉铁水中，入炉铁水比不小于85%，入炉前将铁水包中铁水面上的渣扒净，同时入炉废钢全用本厂的返回废坯，保证低硫、低夹杂物。,（2）顶吹转炉：1）确定合适的吹止碳，控制，避免过吹，防止钢水的过氧化。2）吹炼中调整供氧流量及氧枪位置，确保全程化渣，达到良好的去磷效果，使成品钢水。3）出钢时，使用挡渣帽和挡渣球，确保挡渣效果良好，港包中渣层不大于100mm。4）出钢中、后期加顶渣，每吨钢加入46kg，用于调整钢包的成分。确保钢渣碱度大于3，全铁含量5%，为提高钢包KIP喷粉脱硫率打下基础。（3）RH真空循环脱气和合金微调。RH处理过程真空度不大于1KPa，脱气时间不小于18min，纯脱气时间不小于15min，以保证钢中夹杂物充分上浮、去除氧、氮气。针对铌、钒、钛、锰等元素的合金要求，进行合金化微调，确保元素成分控制在规定的范围内。,（4）KIP喷粉脱硫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硫含量，确保成品钢水；喷吹CaSi粉，对钢水进行钙处理，保证夹杂物球化。（5）连铸吹氩开浇前钢包进行小流量吹氩3min，均匀钢水成分和温度，让夹杂物上浮去除。同时确认钢包到中间包浸入式水口之间氩封良好，防止浇铸过程中钢水的二次氧化和吸氮。,六、结论,6.1按上述工艺路线管线钢的中间包钢水成分可达到：的水平,6.2得到的X65管线钢熔炼成分（%）如下