超低硫x75管线钢夹杂物的研究

超低硫x75管线钢夹杂物的研究

通常，在酸性气体环境中，管道钢的主要质量问题是氢破裂（hydynd畸形，简称hic）和硫酸钠侵蚀（sj）。在大多数情况下,HIC都起源于夹杂物,而SSCC的形成与HIC的形成密切相关。因此,为了提高管线钢抗HIC和抗SSCC能力,必须尽量减少钢中夹杂物,精确控制夹杂物形态,尤其是对管线钢性能危害较大的Al2O3和MnS夹杂物的控制,改变其形态是管线钢冶炼的重要任务之一。本文研究本钢超低硫X65管线钢生产过程中的夹杂物行为,为管线钢生产过程中夹杂物的精确控制提供借鉴。1研磨、抛光试样检测本文研究的对象为本钢采用“铁液水预处理-转炉-LF精炼-连铸”工艺生产的超低硫X65管线钢,其成分w为:0.05%C,0.23%Si,1.40%Mn,0.011%P,0.003%S,0.03%Al。对冶炼不同阶段所取试样进行研磨、抛光后,用LEICAQ5501W图像仪、DMRME显微镜进行观察,放大倍率为500倍,每个试样观察30个视场,分析直径不小于1μm的夹杂物的数量、尺寸及分布情况。用SSX-550扫描电镜对夹杂物进行检测,分析其种类、成分和组成。2试验结果2.1lf处理的转变从对冶炼各阶段的夹杂物种类和形貌分析结果可以看出,在LF处理初期,由于向钢液中添加脱氧剂铝球和向渣中添加铝屑,试样中的夹杂物绝大部分为Al2O3,由于其熔点高,不易球化,从而以少量球形、多边形和大量簇状Al2O3形式聚集在钢液中。少部分夹杂物中还含有CaO和SiO2等,但CaO含量很低,夹杂物的主要成分仍是Al2O3。当采用Si-Fe、Mn-Fe、Ti-Fe等进行微合金化后,钢中出现了以Al2O3为主要成分的含TiO、SiO2、MnO或MnS等的复合夹杂物,部分夹杂物中还含有微量CaO。喂入Ca-Si线后,由于Ca对夹杂物的良好变性处理作用,大量夹杂物变成含有微量MgO、SiO2或MnS等的球形mCaO·nAl2O3复合夹杂物,还有少量Al2O3、MnS、CaS或CaS-MnS夹杂物。另外,还发现了Al2O3-MnO-SiO2复合夹杂,其中含有微量的CaO。LF处理过程中夹杂物的变化情况如图1所示。图2为理论计算得到的管线钢中铝、硫含量平衡曲线。由此可知,在X65管线钢精炼时,通常控制钢中[Als]=0.02%~0.04%,这要求将钢液中的硫脱到0.0017%以下,才能在Al2O3夹杂物转变成为12CaO·7Al2O3的同时硫化物形态也得到改变。从实际冶炼过程看,本炉次硫含量为0.003%,与0.0017%的理论值相差较大,因此铸坯中虽然大部分为球化很好的以mCaO·nAl2O3为主要成分的复合夹杂物,部分夹杂物中还含有少量的MgO、CaS、SiO2等(其中的含有CaS成分的典型夹杂物形貌见图3),但还有少量的Al2O3和MnS夹杂物,这些MnS夹杂物在轧制过程中沿轧制方向延伸,可能会对管线钢的抗HIC及SSCC性能产生危害。2.2缺陷物的平均直径冶炼过程的夹杂物尺寸和数量的变化及在各长度区间的分布情况示于表1。从表1中可以看出,冶炼过程中未出现直径大于100μm的夹杂物,各样品中直径小于20μm的夹杂物所占的比例均超过91%,最大比例达到99.1%。夹杂物的平均直径在钙处理后达到最大值8.58μm,其他样品中夹杂物的平均直径均小于6.1μm。在连铸坯中,夹杂物数量最少且尺寸最小,未发现大于50μm的夹杂物,平均直径为3.71μm,总数量为196个。3钢中残余物的数量及尺寸由理论分析可知,钢液中夹杂物的运动受到浮力、粘滞力和惯性力的影响,具体可由钢液和夹杂物的密度差修正的伽利略准数描述:Ga′=(ΡL-Ρp)⋅dp⋅gΡL⋅v2b⋅(ΡL⋅dp⋅vbμ)2=Cd⋅Re2p(1)Ga′=(PL−Pp)⋅dp⋅gPL⋅v2b⋅(PL⋅dp⋅vbμ)2=Cd⋅Re2p(1)式中ρL、ρP——钢液和夹杂物的密度;dP——夹杂物直径;μ——钢液粘度;g——重力加速度;vb——钢液与夹杂物的相对运动速度;Cd——夹杂物的形阻系数;ReP——夹杂物运动的雷诺数。根据前人的研究,可按夹杂物的运动状态将Ga′分为3个区间:(1)斯托克斯区:ReP≤3×10-2,Cd=24/ReP,Ga′=24·Rep≤0.72(2)过渡区:ReP≤300,Cd=18.5/Re0.6Ρ0.6P,0.72≤Ga′≤5.34×104(3)牛顿区:ReP≤2500,Cd=0.44,5.34×104≤Ga′≤2.75×106LF进站初期,钢中90%夹杂物的直径小于10μm。由(1)式计算可得,这些夹杂物的Ga′值小于9.43×10-3,显然处于斯托克斯区内,在钢液运动的情况下,它们几乎完全与钢液同步运动。当夹杂物直径达到50~100μm时,Ga′值在1.179~9.430之间,此时夹杂物对钢液的跟随性处于过渡区,即夹杂物的运动同时受到上浮和钢液推动的共同作用。在LF较好的底吹氩搅拌条件下,钢中夹杂物随着钢液或氩气流一起运动,上升到渣面附近时可能被液相渣吸收。虽然炉渣吸收夹杂物从热力学上是自发的过程,但当界面处的钢液水平流速过大时,这些夹杂物可能被快速流动的钢液重新夹带回钢液内部。而且,对于液态的脱氧产物,即使炉渣吸收夹杂的动力学条件良好,但这并不意味着夹杂物被炉渣的吸收过程能在瞬间完成,通常是要消耗相对较长的时间。因此,在LF处理前期,虽然钢中的夹杂物数量逐渐减少,但并没有被大量去除,尤其是LF初期90%以上的直径小于10μm的固态Al2O3夹杂物等。在钙处理前,夹杂物的总数有减少趋势,其中5~20μm的夹杂物所占的比例明显减少。钙处理后夹杂物的数量和尺寸有所增加,这一方面是由于钙处理过程熔池反应激烈,搅拌加强,造成卷渣几率增加;另一方面因为从前面夹杂物成分和形貌分析可知,在钙处理前,钢中夹杂物以直径较小的Al2O3为主,而在喂入Ca-Si线后生成较大颗粒的mCaO·nAl2O3复合夹杂物,而且因为在钙处理后马上进行取样,一些大颗粒夹杂还没有来得及上浮。并且,由于为了保证钙的利用率,喂钙线过程要求喂入熔池内一定的深度以下,因此其反应产物不可能在较短时间内上浮完全,尤其是大量尺寸小于10μm的夹杂物,直到LF处理终点才上升到熔池上部,造成LF终点样品中夹杂物的数量明显增加,但平均尺寸却开始减小。在LF炉终点取样确定钢液成分和温度合格后,为了进一步去除钢中的夹杂物,提高钢液洁净度,进行软吹氩操作,从表2可以看出,在软吹氩过程、钢包运输到连铸平台过程及钢液进入中间包的浇注过程中,钢中夹杂物大量上浮排除,夹杂物数量由LF终点的1286个减少到497个。另外,浇注过程中采用的湍流控制器、气幕挡墙、镁钙质中间包涂料及碱性中间包覆盖剂等中间包冶金技术措施和优化的结晶器流场,也促进了钢中夹杂物的进一步聚集、长大、上浮和吸附进入渣中,使得在连铸坯中夹杂物的尺寸和数量均达到最小值。4结论(1)o3掺杂物μm,主要是少量球形、多边形和大量簇状的Al2O3夹杂物。微合金化后,部分夹杂物中发现了TiO、SiO2、MnO等成分,但仍是以Al2O3为主要成分的尺寸小于20μm的夹杂物。(2)s1o3复合混杂物μm,大量夹杂物为含有微量MgO、SiO2或MnS等的2~50μm的球形mCaO·nAl2O3复合夹杂物,部分为Al2O3、MnS、CaS或CaS-MnS。铸坯中夹杂物数量最少且尺寸最小,96.9%的夹杂物尺寸小于10μm