管线钢中非金属夹杂物控制关键技术
石油和天然气是重要的能源矿产和战略资源,与国民经济、社会发展和国家安全息息相关。在石油天然气的运输过程中,管道输送具有经济性、安全性和连续性等优点。管线钢主要用于加工制造油气管线,性能上要求高强度、高韧性、良好的焊接性能和良好的抗腐蚀性能。而非金属夹杂物是影响管线钢性能的主要因素之一,主要危害有:(1)会造成水口结瘤,影响生产顺行;(2)能够能够导致管线钢产生疲劳裂纹;(3)会影响管线钢的冲击韧性;(4)会降低管线钢的抗腐蚀性能,尤其是 A 类和 B 类夹杂物,会造成氢致裂纹的产生;(5)会恶化管线钢的焊接性能。因此,开发了管线钢中非金属夹杂物控制关键技术,为我国管线钢产品质量的提升做出了贡献。(1)管线钢精准钙处理模型以及在线指导软件。钙处理是管线钢夹杂物的最主要方式,通过钙处理能够将 MnS 夹杂物改性为 CaS,将 Al 2 O 3 为主的夹杂物改性为钙铝酸盐,从而降低夹杂物对管线钢性能的危害。然而在大部分企业生产过程中,钙处理过程的钙线喂入量都缺乏一个标准,主要是依靠经验进行操作。由于各炉次的钢渣成分和温度等的差异,导致不同炉次间的钙处理效果波动很大,有些炉次钙处理后产品性能还发生恶化。本项目建立了管线钢精准钙处理模型,通过对管线钢不同钢液成分和温度条件下钙处理窗口进行的计算,确定了管线钢的不同成分条件下最优的喂钙线量。与国外同类型模型相比,考虑的工艺条件更完全,考虑的反应物和产物也更全面,因此也更接近生产实际,准确率更高。同时,以管线钢精准钙处理模型为基础开发出了钙处理在线指导软件,可实现管线钢生产过程中针对每一炉次的工况条件进行精准喂钙量的在线指导,并已实现了在管线钢生产中的在线应用,计算结果更直观。(2)低钙含量处理控制管线钢 B 类夹杂物技术。传统的管线钢钙处理一般都是采用高钙处理路线来使夹杂物改性为高 CaO 含量的较高熔点钙铝酸盐,如图 2中窗口 B 所示。但是在高钙含量处理时容易在钙处理后生成大尺寸钙铝酸盐夹杂物,而且在钙处理后的过程中由于钢中 Ca 的挥发或者钢液二次氧化的消耗,钢中钙含量会有所降低,导致高熔点钙铝酸盐往液态钙铝酸盐转变,当尺寸较大时会在轧板中形成 B 类夹杂物,危害产品性能。因此,本项目从另一角度考虑,开发了低钙含量处理控制管线钢 B 类夹杂物技术,如图 2 中窗口 C 所示,即高 Al 2 O 3一侧的 50%液相点至 100%液相开始点所对应的 T.Ca 含量范围。在此情况下,夹杂物由部分液相和部分固相组成,这样既不会在浇铸过程发生水口结瘤,又不至于在轧制过程中形成 B 类夹杂,同时由于喂入的钙含量较低,整体上夹杂物尺寸要更小。此技术应用到企业的管线钢生产实践中,能够有效减小夹杂物尺寸和降低 B 类夹杂物评级。(3)含 Ca 硅铁钙处理技术。在管线钢生产过程中会添加大量的合金,合金的纯净度会对钢液成分甚至钢中夹杂物产生重要影响,一般来说这种影响是有害的或者是无用的。本项目针对硅铁合金中含有一定量的 Ca,通过研究变废为宝,开发了含 Ca 硅铁钙处理技术,并应用于管线钢的生成,实现了用硅铁合金代替钙线来进行管线钢夹杂物的钙处理改性,降低生产成本。首先通过钙处理模型计算得到夹杂物改性所需的钙含量,然后在总的硅铁加入量不变的情况下根据硅铁合金中的 Ca 含量计算得到在出钢工序和钙处理工序的硅铁合金分配量,进而实现夹杂物的精准钙处理改性,如图 3 所示。此技术的优点包括:(1)总的硅铁合金加入量不变,不会增加额外成本;(2)减少甚至取消了钙线的喂入,降低了生产成本;(3)硅铁合金钙处理过程钙的收得率高,而且不会造成钢液的喷溅,因此不会恶化钢液的洁净度。
北京科技大学
2021-04-13