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(zhì)量問題是氫破裂（hydynd畸形，簡稱hic）和硫酸鈉侵蝕（sj）。在大多數(shù)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(guān)。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(duì)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(wù)之一。本文研究本鋼超低硫X65管線鋼生產(chǎn)過程中的夾雜物行為,為管線鋼生產(chǎn)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(duì)象為本鋼采用“鐵液水預(yù)處理-轉(zhuǎn)爐-LF精煉-連鑄”工藝生產(chǎn)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(duì)冶煉不同階段所取試樣進(jìn)行研磨、拋光后,用LEICAQ5501W圖像儀、DMRME顯微鏡進(jìn)行觀察,放大倍率為500倍,每個(gè)試樣觀察30個(gè)視場,分析直徑不小于1μm的夾雜物的數(shù)量、尺寸及分布情況。用SSX-550掃描電鏡對(duì)夾雜物進(jìn)行檢測,分析其種類、成分和組成。2試驗(yàn)結(jié)果2.1lf處理的轉(zhuǎn)變從對(duì)冶煉各階段的夾雜物種類和形貌分析結(jié)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(diǎn)高,不易球化,從而以少量球形、多邊形和大量簇狀A(yù)l2O3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(dāng)采用Si-Fe、Mn-Fe、Ti-Fe等進(jìn)行微合金化后,鋼中出現(xiàn)了以Al2O3為主要成分的含TiO、SiO2、MnO或MnS等的復(fù)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(duì)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(fù)合夾雜物,還有少量Al2O3、MnS、CaS或CaS-MnS夾雜物。另外,還發(fā)現(xiàn)了Al2O3-MnO-SiO2復(fù)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(jì)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(shí),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(zhuǎn)變成為12CaO·7Al2O3的同時(shí)硫化物形態(tài)也得到改變。從實(shí)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(fù)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(huì)對(duì)管線鋼的抗HIC及SSCC性能產(chǎn)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(shù)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(xiàn)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(dá)到99.1%。夾雜物的平均直徑在鈣處理后達(dá)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(shù)量最少且尺寸最小,未發(fā)現(xiàn)大于50μm的夾雜物,平均直徑為3.71μm,總數(shù)量為196個(gè)。3鋼中殘余物的數(shù)量及尺寸由理論分析可知,鋼液中夾雜物的運(yùn)動(dòng)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(zhǔn)數(shù)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(duì)運(yùn)動(dòng)速度;Cd——夾雜物的形阻系數(shù);ReP——夾雜物運(yùn)動(dòng)的雷諾數(shù)。根據(jù)前人的研究,可按夾雜物的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)將Ga′分為3個(gè)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(jìn)站初期,鋼中90%夾雜物的直徑小于10μm。由(1)式計(jì)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(nèi),在鋼液運(yùn)動(dòng)的情況下,它們幾乎完全與鋼液同步運(yùn)動(dòng)。當(dāng)夾雜物直徑達(dá)到50~100μm時(shí),Ga′值在1.179~9.430之間,此時(shí)夾雜物對(duì)鋼液的跟隨性處于過渡區(qū),即夾雜物的運(yùn)動(dòng)同時(shí)受到上浮和鋼液推動(dòng)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(yùn)動(dòng),上升到渣面附近時(shí)可能被液相渣吸收。雖然爐渣吸收夾雜物從熱力學(xué)上是自發(fā)的過程,但當(dāng)界面處的鋼液水平流速過大時(shí),這些夾雜物可能被快速流動(dòng)的鋼液重新夾帶回鋼液內(nèi)部。而且,對(duì)于液態(tài)的脫氧產(chǎn)物,即使?fàn)t渣吸收夾雜的動(dòng)力學(xué)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(duì)較長的時(shí)間。因此,在LF處理前期,雖然鋼中的夾雜物數(shù)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(shù)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(shù)量和尺寸有所增加,這一方面是由于鈣處理過程熔池反應(yīng)激烈,攪拌加強(qiáng),造成卷渣幾率增加;另一方面因?yàn)閺那懊鎶A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(fù)合夾雜物,而且因?yàn)樵阝}處理后馬上進(jìn)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(nèi)一定的深度以下,因此其反應(yīng)產(chǎn)物不可能在較短時(shí)間內(nèi)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(diǎn)才上升到熔池上部,造成LF終點(diǎn)樣品中夾雜物的數(shù)量明顯增加,但平均尺寸卻開始減小。在LF爐終點(diǎn)取樣確定鋼液成分和溫度合格后,為了進(jìn)一步去除鋼中的夾雜物,提高鋼液潔凈度,進(jìn)行軟吹氬操作,從表2可以看出,在軟吹氬過程、鋼包運(yùn)輸?shù)竭B鑄平臺(tái)過程及鋼液進(jìn)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(shù)量由LF終點(diǎn)的1286個(gè)減少到497個(gè)。另外,澆注過程中采用的湍流控制器、氣幕擋墻、鎂鈣質(zhì)中間包涂料及堿性中間包覆蓋劑等中間包冶金技術(shù)措施和優(yōu)化的結(jié)晶器流場,也促進(jìn)了鋼中夾雜物的進(jìn)一步聚集、長大、上浮和吸附進(jìn)入渣中,使得在連鑄坯中夾雜物的尺寸和數(shù)量均達(dá)到最小值。4結(jié)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(xiàn)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(fù)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(fù)合夾雜物,部分為Al2O3、MnS、CaS或CaS-MnS。鑄坯中夾雜物數(shù)量最少且尺寸最小,96.9%的夾雜物尺寸小于10μm