超低硫x75管線鋼夾雜物的研究

超低硫x75管線鋼夾雜物的研究

通常，在酸性氣體環(huán)境中，管道鋼的主要質量問題是氫破裂（hydynd畸形，簡稱hic）和硫酸鈉侵蝕（sj）。在大多數情況下,HIC都起源于夾雜物,而SSCC的形成與HIC的形成密切相關。因此,為了提高管線鋼抗HIC和抗SSCC能力,必須盡量減少鋼中夾雜物,精確控制夾雜物形態(tài),尤其是對管線鋼性能危害較大的Al2O3和MnS夾雜物的控制,改變其形態(tài)是管線鋼冶煉的重要任務之一。本文研究本鋼超低硫X65管線鋼生產過程中的夾雜物行為,為管線鋼生產過程中夾雜物的精確控制提供借鑒。1研磨、拋光試樣檢測本文研究的對象為本鋼采用“鐵液水預處理-轉爐-LF精煉-連鑄”工藝生產的超低硫X65管線鋼,其成分w為:0.05%C,0.23%Si,1.40%Mn,0.011%P,0.003%S,0.03%Al。對冶煉不同階段所取試樣進行研磨、拋光后,用LEICAQ5501W圖像儀、DMRME顯微鏡進行觀察,放大倍率為500倍,每個試樣觀察30個視場,分析直徑不小于1μm的夾雜物的數量、尺寸及分布情況。用SSX-550掃描電鏡對夾雜物進行檢測,分析其種類、成分和組成。2試驗結果2.1lf處理的轉變從對冶煉各階段的夾雜物種類和形貌分析結果可以看出,在LF處理初期,由于向鋼液中添加脫氧劑鋁球和向渣中添加鋁屑,試樣中的夾雜物絕大部分為Al2O3,由于其熔點高,不易球化,從而以少量球形、多邊形和大量簇狀Al2O3形式聚集在鋼液中。少部分夾雜物中還含有CaO和SiO2等,但CaO含量很低,夾雜物的主要成分仍是Al2O3。當采用Si-Fe、Mn-Fe、Ti-Fe等進行微合金化后,鋼中出現了以Al2O3為主要成分的含TiO、SiO2、MnO或MnS等的復合夾雜物,部分夾雜物中還含有微量CaO。喂入Ca-Si線后,由于Ca對夾雜物的良好變性處理作用,大量夾雜物變成含有微量MgO、SiO2或MnS等的球形mCaO·nAl2O3復合夾雜物,還有少量Al2O3、MnS、CaS或CaS-MnS夾雜物。另外,還發(fā)現了Al2O3-MnO-SiO2復合夾雜,其中含有微量的CaO。LF處理過程中夾雜物的變化情況如圖1所示。圖2為理論計算得到的管線鋼中鋁、硫含量平衡曲線。由此可知,在X65管線鋼精煉時,通?？刂其撝衃Als]=0.02%~0.04%,這要求將鋼液中的硫脫到0.0017%以下,才能在Al2O3夾雜物轉變成為12CaO·7Al2O3的同時硫化物形態(tài)也得到改變。從實際冶煉過程看,本爐次硫含量為0.003%,與0.0017%的理論值相差較大,因此鑄坯中雖然大部分為球化很好的以mCaO·nAl2O3為主要成分的復合夾雜物,部分夾雜物中還含有少量的MgO、CaS、SiO2等(其中的含有CaS成分的典型夾雜物形貌見圖3),但還有少量的Al2O3和MnS夾雜物,這些MnS夾雜物在軋制過程中沿軋制方向延伸,可能會對管線鋼的抗HIC及SSCC性能產生危害。2.2缺陷物的平均直徑冶煉過程的夾雜物尺寸和數量的變化及在各長度區(qū)間的分布情況示于表1。從表1中可以看出,冶煉過程中未出現直徑大于100μm的夾雜物,各樣品中直徑小于20μm的夾雜物所占的比例均超過91%,最大比例達到99.1%。夾雜物的平均直徑在鈣處理后達到最大值8.58μm,其他樣品中夾雜物的平均直徑均小于6.1μm。在連鑄坯中,夾雜物數量最少且尺寸最小,未發(fā)現大于50μm的夾雜物,平均直徑為3.71μm,總數量為196個。3鋼中殘余物的數量及尺寸由理論分析可知,鋼液中夾雜物的運動受到浮力、粘滯力和慣性力的影響,具體可由鋼液和夾雜物的密度差修正的伽利略準數描述: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——鋼液和夾雜物的密度;dP——夾雜物直徑;μ——鋼液粘度;g——重力加速度;vb——鋼液與夾雜物的相對運動速度;Cd——夾雜物的形阻系數;ReP——夾雜物運動的雷諾數。根據前人的研究,可按夾雜物的運動狀態(tài)將Ga′分為3個區(qū)間:(1)斯托克斯區(qū):ReP≤3×10-2,Cd=24/ReP,Ga′=24·Rep≤0.72(2)過渡區(qū):ReP≤300,Cd=18.5/Re0.6Ρ0.6P,0.72≤Ga′≤5.34×104(3)牛頓區(qū):ReP≤2500,Cd=0.44,5.34×104≤Ga′≤2.75×106LF進站初期,鋼中90%夾雜物的直徑小于10μm。由(1)式計算可得,這些夾雜物的Ga′值小于9.43×10-3,顯然處于斯托克斯區(qū)內,在鋼液運動的情況下,它們幾乎完全與鋼液同步運動。當夾雜物直徑達到50~100μm時,Ga′值在1.179~9.430之間,此時夾雜物對鋼液的跟隨性處于過渡區(qū),即夾雜物的運動同時受到上浮和鋼液推動的共同作用。在LF較好的底吹氬攪拌條件下,鋼中夾雜物隨著鋼液或氬氣流一起運動,上升到渣面附近時可能被液相渣吸收。雖然爐渣吸收夾雜物從熱力學上是自發(fā)的過程,但當界面處的鋼液水平流速過大時,這些夾雜物可能被快速流動的鋼液重新夾帶回鋼液內部。而且,對于液態(tài)的脫氧產物,即使爐渣吸收夾雜的動力學條件良好,但這并不意味著夾雜物被爐渣的吸收過程能在瞬間完成,通常是要消耗相對較長的時間。因此,在LF處理前期,雖然鋼中的夾雜物數量逐漸減少,但并沒有被大量去除,尤其是LF初期90%以上的直徑小于10μm的固態(tài)Al2O3夾雜物等。在鈣處理前,夾雜物的總數有減少趨勢,其中5~20μm的夾雜物所占的比例明顯減少。鈣處理后夾雜物的數量和尺寸有所增加,這一方面是由于鈣處理過程熔池反應激烈,攪拌加強,造成卷渣幾率增加;另一方面因為從前面夾雜物成分和形貌分析可知,在鈣處理前,鋼中夾雜物以直徑較小的Al2O3為主,而在喂入Ca-Si線后生成較大顆粒的mCaO·nAl2O3復合夾雜物,而且因為在鈣處理后馬上進行取樣,一些大顆粒夾雜還沒有來得及上浮。并且,由于為了保證鈣的利用率,喂鈣線過程要求喂入熔池內一定的深度以下,因此其反應產物不可能在較短時間內上浮完全,尤其是大量尺寸小于10μm的夾雜物,直到LF處理終點才上升到熔池上部,造成LF終點樣品中夾雜物的數量明顯增加,但平均尺寸卻開始減小。在LF爐終點取樣確定鋼液成分和溫度合格后,為了進一步去除鋼中的夾雜物,提高鋼液潔凈度,進行軟吹氬操作,從表2可以看出,在軟吹氬過程、鋼包運輸到連鑄平臺過程及鋼液進入中間包的澆注過程中,鋼中夾雜物大量上浮排除,夾雜物數量由LF終點的1286個減少到497個。另外,澆注過程中采用的湍流控制器、氣幕擋墻、鎂鈣質中間包涂料及堿性中間包覆蓋劑等中間包冶金技術措施和優(yōu)化的結晶器流場,也促進了鋼中夾雜物的進一步聚集、長大、上浮和吸附進入渣中,使得在連鑄坯中夾雜物的尺寸和數量均達到最小值。4結論(1)o3摻雜物μm,主要是少量球形、多邊形和大量簇狀的Al2O3夾雜物。微合金化后,部分夾雜物中發(fā)現了TiO、SiO2、MnO等成分,但仍是以Al2O3為主要成分的尺寸小于20μm的夾雜物。(2)s1o3復合混雜物μm,大量夾雜物為含有微量MgO、SiO2或MnS等的2~50μm的球形mCaO·nAl2O3復合夾雜物,部分為Al2O3、MnS、CaS或CaS-MnS。鑄坯中夾雜物數量最少且尺寸最小,96.9%的夾雜物尺寸小于10μm