CN105537549B - ‑100℃低温无缝钢管钢连铸圆坯的生产方法 - Google Patents

‑100℃低温无缝钢管钢连铸圆坯的生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明属冶金领域，特别涉及‑100℃低温用无缝钢管钢(如

Description

-100℃低温无缝钢管钢连铸圆坯的生产方法
技术领域
本发明属冶金领域，特别涉及-100℃低温用无缝钢管钢(如)连铸圆坯的生产。
背景技术
随着我国经济的高速发展，国内石油、化工等能源行业需要大量低温用钢来制造各种液化石油气、液氨、液氧、液氮的生产及存储设备。根据我国“十二五”规划，未来五年将优化石化能源的发展，加快油气资源的开发。这将给低温服役条件下能源生产及存储设备制造行业提供广阔的市场及发展机遇，同时也会促进耐低温材料的发展。由于容器特殊用途，对低温钢性能的要求更加严格，首先要保证在使用温度下具有足够的抗脆性开裂的能力，要求产品不仅具有高的强度，而且还要具备高的低温冲击韧性，因此低温管对钢质纯净度要求很高，而且随着温度的降低对钢的纯净度要求更高。
目前生产的-100℃低温钢都是采用转炉长流程工艺线生产，对铁水进行了深脱硫预处理，保证钢质纯净度，生产周期长，成本高，竞争力差。
连铸圆坯是生产无缝钢管的主要管坯，常规品种是碳素钢、低合金钢和合金结构钢，合金元素少，对连铸机设备和二冷水制度要求不高。用于-100℃低温无缝钢管钢Gr.3碳含量低，镍含量高，与圆坯连铸常用的品种如碳素钢、低合金钢和合金结构钢生产完全不同。由于镍对钢的导热和导电性能有强烈的影响，因此含镍钢种一般枝状组织比较严重，连铸工艺、电磁搅拌使用不当将无法消除铸坯枝状组织，同时还会产生严重的裂纹或缩孔缺陷，即使通过锻制加工也不容易消除带状组织，带状组织严重影响低温冲击韧性。因此常规的连铸工艺不能解决镍钢连铸坯枝状组织、裂纹或缩孔的难题，必须进行专门的研究。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种-100℃低温用无缝钢管钢连铸圆坯的生产方法，通过控制最佳的钢水条件、连铸二冷制度与浇铸温度、拉速匹配、合理的电磁搅拌参数，消除连铸坯枝状组织、铸坯裂纹和缩孔缺陷，生产出直接用于轧制无缝钢管(如Gr.3)连铸圆坯，缩短生产周期，降低成本，增强产品市场竞争力。
本发明的技术方案：
本发明提供一种-100℃低温无缝钢管钢连铸圆坯的生产方法，原料依次经电弧炉冶炼→LF精炼→VD真空处理→圆坯连铸→连铸坯精整→合格圆坯，其中，
圆坯连铸工序中，控制连铸钢水过热度26～31℃，浇注速度(拉速)为0.36～0.454m/min，连铸二冷比水量0.15～0.22L/kg，连铸二冷区分4段，采用气雾冷却，各段水量占有的比例分别为：第一段水量35～37％、第二段水量27～29％、第三段水量18～20％、第四段水量16～18％。
进一步，圆坯连铸工序中，在连铸结晶器和凝固末端采用电磁搅拌，连铸结晶器电磁搅拌电流220～280A、频率2.5～3.0HZ，凝固末端电磁搅拌电流120～180A、频率6～8HZ。
所述-100℃低温无缝钢管钢为Gr.3钢。
进一步，本发明中，所述-100℃低温无缝钢管钢的化学成分及其重量含量为：C0.06～0.10％、Si 0.21～0.33％、Mn 0.48～0.58％、P≤0.008％、S≤0.004％、Ni 3.4～3.7％、Al 0.03～0.06％、余量为残余元素和铁。
进一步，所得圆坯的直径为
进一步，上述方法中，所述LF精炼工序中，采用石灰和合成渣造渣，石灰和合成渣的总质量占钢水质量的1.2～1.8％；其中，石灰和合成渣的质量百分比为：石灰80～90％，合成渣10～20％，合成渣的成分为CaO 60～68％、Al2O3 15～20％、CaF2 10～15％、SiO2≤5％、MgO≤3％、S≤0.1％。
优选的，上述方法中，电炉冶炼采用超高功率电弧炉冶炼。
更优选的，采用70吨高阻抗超高功率电弧炉。
优选的，圆坯连铸工序中，采用三机三流圆坯连铸机浇铸。
优选的，所述原料指废钢和生铁，废钢与生铁的质量比为100︰35-45，废钢的化学成分满足：C 0.07～0.48％、P≤0.025％、S≤0.020％，Fe为余量。
本发明的有益效果：
本发明控制连铸中间包钢水过热度，连铸二冷区采用多段气雾冷却，并对各段冷却水量进行合理匹配，减少铸坯表面回温和铸坯表面温度梯度，提高铸坯拉矫前温度，防止铸坯热应力增加和铸坯表面温度反复变化，使铸坯组织发生多次相变，导致铸坯枝状组织发达、铸坯产生裂纹、缩孔缺陷，生产的连铸圆坯质量满足轧管要求。
具体实施方式
本发明提供一种-100℃低温无缝钢管钢连铸圆坯的生产方法，原料依次经电弧炉冶炼→LF精炼→VD真空处理→圆坯连铸→连铸坯精整→合格圆坯，其中，
圆坯连铸工序中，控制连铸钢水过热度26～31℃，浇注速度(拉速)为0.36～0.454m/min，连铸二冷比水量0.15～0.22L/kg，连铸二冷区分4段，采用气雾冷却，各段水量占有的比例分别为：第一段水量35～37％、第二段水量27～29％、第三段水量18～20％、第四段水量16～18％。
进一步，圆坯连铸工序中，在连铸结晶器和凝固末端采用电磁搅拌，连铸结晶器电磁搅拌电流220～280A、频率2.5～3.0HZ，凝固末端电磁搅拌电流120～180A、频率6～8HZ。这样可提高铸坯表面质量和钢质纯净度，改善铸坯内部组织结构。
所述-100℃低温无缝钢管钢为Gr.3钢。
进一步，本发明中，所述-100℃低温无缝钢管钢的化学成分及其重量含量为：C0.06～0.10％、Si 0.21～0.33％、Mn 0.48～0.58％、P≤0.008％、S≤0.004％、Ni 3.4～3.7％、Al 0.03～0.06％、余量为残余元素和铁。
本发明通过弧型连铸机浇铸成直径为的连铸坯。Gr.3钢液相线约为1507℃、固相线约为1479℃，液相线与固相线温度相差约28℃，对连铸时钢水的温度、浇注速度要求非常苛刻，钢水凝固时容易搭桥，使铸坯中心补缩不好。而且Gr.3钢碳含量低，凝固收缩大，而且碳含量在包晶钢反应区域，钢水凝固时发生包晶反应，导致铸坯凝固坯壳不均匀，使铸坯产生裂纹缺陷。合金元素Ni高，钢的导热性差，铸坯枝状组织发达，铸坯凝固补缩不好，尤其是铸坯断面越大，补缩效果越差，铸坯中心容易形成缩孔。另外，合金元素含量高，钢液凝固时铸坯断面收缩大，已凝固铸坯不能承受钢液凝固收缩应力，铸坯就容易产生中心裂纹和表面裂纹。改善铸坯缩孔和裂纹形成条件必须从钢水过热度、连铸冷却着手，避免应力的集中释放，形成铸坯缩孔、中心裂纹和表面裂纹。
本发明生产工艺流程：超高功率电弧炉→LF精炼炉→VD真空处理→圆坯连铸→连铸坯表面清理→合格圆坯→轧管。本发明采用高阻抗超高功率电弧炉冶炼初炼钢水，去除钢中的磷及气体含量，确保钢水终点碳，防止钢水被过氧化；LF钢包精炼提高钢质纯净度，调整钢水合金元素含量达到标准要求；VD真空处理去气、去夹杂物；连铸控制钢水过热度26～31℃，拉速为0.36～0.45m/min，比水量0.15～0.22L/kg，二冷区分4段气雾冷却，各段水量百分比分别为：第一段水量百分比为35～37％、第二段水量占27～29％、第三段水量占18～20％、第四段水量占16～18％。使钢水过热度小，铸坯温度均匀，各段之间铸坯表面回温小，避免铸坯热应力增加和铸坯温度反复变化而发生多次相变，导致铸坯枝状组织发达，产生缩孔和裂纹缺陷。
本发明中，由于该钢碳含量为0.06～0.10％，钢水在连铸结晶器凝固时，容易发生包晶反应，导致结晶器内钢水凝固坯壳不均匀，使铸坯产生表面裂纹，严重者导致连铸漏钢，使钢水报废，因此连铸浇注时需要降低浇注速度(拉速)，避免发生包晶反应。降低浇注速度只有通过提高钢水过热度来实现，但若钢水过热度太高，连铸时容易漏钢，而且铸坯枝状晶很发达，影响产品的冲击韧性；若钢水过热度太低，连铸浇注时容易溢钢，导致连铸浇注失败，而且钢水温度低，不利于夹杂物上浮去除；因此钢水过热度与铸坯浇注速度必须合理匹配，设计钢水过热度为26～31℃，拉速为0.36～0.45m/min。
本发明中，连铸结晶器电磁搅拌电流220～280A、频率2.5～3.0HZ，凝固末端电磁搅拌电流120～180A、频率6～8HZ，改善铸坯凝固组织结构。如果连铸结晶器电磁搅拌电流大于280A、频率大于3.0HZ，铸坯直径的1/4与3/4点会出现严重的C正偏析，影响产品的低温冲击韧性；如果连铸结晶器电磁搅拌电流小于220A、频率小于2.5HZ，不能发挥电磁搅拌的作用，不能提高铸坯表面质量和钢质纯净度。如果凝固末端电磁搅拌电流大于180A、频率大于8HZ，在铸坯直径1/4～3/4之间会形成白亮带，即C的负偏析，影响产品的力学性能；如果凝固末端电磁搅拌电流小于120A、频率小于6HZ，电磁力搅不动铸坯中心未凝固的钢液，不能改善铸坯中心的微观偏析，影响产品的组织均匀性。
连铸二冷水的作用是将从结晶器拉出来的带有液心的铸坯，在二次冷却区接受气雾冷却，促使铸坯快速完全凝固，随着铸坯坯壳厚度的增加，导热速度减慢，二次冷却系统必须设计为均匀降低铸坯温度，避免铸坯表面温度急剧变化，导致铸坯产生裂纹缺陷。
下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步的描述，并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例1
Gr.3生产工艺流程：原料经70吨高阻抗超高功率电弧炉→LF精炼炉→VD真空处理→圆坯连铸→铸坯缓冷→铸坯表面清理→铸坯轧管。
70吨高阻抗超高功率电弧炉采用优质废钢和生铁作原料，生铁为炉料总重量的35％，利用电能熔化废钢，石灰造渣脱磷，RCB枪加大炉壁用氧量，保持一定的脱碳速度，去除钢水中的夹杂和氢、氮气体。采用偏心炉底无渣出钢，出钢过程用硅铝钡钙和铝球脱氧剂进行预脱氧，有效降低钢水的氧化性。电炉初炼钢水成分：C 0.04％、P 0.003％、S0.020％、Fe为余量，出钢温度1650℃；电炉出钢采用无渣出钢，在电炉出钢过程中加入Al球3.8kg/t、CaBaAlSi2.0kg/t进行预脱氧，让初炼钢水形成的Al2O3夹杂物有充分的上浮时间。电炉出钢前加入25Kg/t钢的Ni板到钢包中，随钢包进行烘烤，烘烤温度大于800℃，去除Ni板中的氢含量，降低钢水氢含量。
初炼钢水到LF精炼炉，不加Al脱氧，采用90％石灰和10％合成渣(合成渣的成分为CaO 60～68％、Al2O3 15～20％、CaF2 10～15％、SiO2≤5％、MgO≤3％、S≤0.1％)造泡沫渣，采用大渣量操作，渣量占钢水重量的1.2％，控制LF精炼炉过程的增碳量、快速脱硫、脱氧、去气、去夹杂，根据生产所需的最终产品各元素含量分批加入硅铁、锰铁、镍板铁等合金调整合金成分。LF精炼结束后，用喂丝机喂入0.10Kg/t钢的Ca线对夹杂物进行变性处理，出钢温度1660℃。
精炼钢水到VD炉进行真空处理，在真空度小于67Pa以下，保持时间15分钟，直至炉渣不再发泡时停止抽真空，打开真空盖，利用钢包底吹氩对钢水进行静吹，静吹时间18分钟，让真空处理后夹杂物进一步上浮，提高钢质纯净度。出罐温度1575℃。
精炼好的钢水送到三机三流圆坯连铸机浇铸φ388mm铸坯，流间距1700mm；20吨中间包，使用Mg质中间包涂料；连铸钢包、中间包和结晶器全程加保护套管，钢包与保护套管连接处采用氩气保护；结晶器长度800mm，结晶器使用中碳保护渣和低碳双层中间包覆盖剂；结晶器用浸入式水口；连铸结晶器电磁搅拌电流220A、频率2.5HZ，凝固末端电磁搅拌电流180A、频率6HZ。钢水过热度△t 26℃，连铸二冷比水量为0.15L/kg，二冷区分四段气雾冷却，各段水量百分比分别为：第一段35％、第二段27％、第三段20％、第四段18％，浇铸速度0.36m/min。所得铸坯低倍评级结果见表1，本发明中，低倍评级依据中华人民共和国黑色冶金行业标准YB/T4149-2006连铸圆管坯标准进行测定。其中，技术要求值指满足超低温无缝钢管轧制管坯的质量要求。
表1 铸坯低倍评级
一般疏松 中心疏松 中间裂纹 中心裂纹 缩孔 铸坯表面裂纹
铸坯值 0.5级 0.5级 0级 0级 0级 无
技术要求值 ≤1级 ≤1级 ≤1级 ≤1级 ≤1级 无
实施例2
Gr.3生产工艺流程：原料经70吨高阻抗超高功率电弧炉→LF精炼炉→VD真空处理→圆坯连铸→铸坯缓冷→铸坯表面清理→铸坯轧管。
70吨高阻抗超高功率电弧炉采用优质废钢(废钢的化学成分满足：C 0.07～0.48％、P≤0.025％、S≤0.020％)和生铁作原料，生铁为炉料总重量的45％，利用电能熔化废钢，石灰造渣脱磷，RCB枪加大炉壁用氧量，保持一定的脱碳速度，去除钢水中的夹杂和氢、氮气体。采用偏心炉底无渣出钢，出钢过程用硅铝钡钙和铝球脱氧剂进行预脱氧，有效降低钢水的氧化性。电炉初炼钢水成分：C 0.05％、P 0.002％、S 0.015％、Fe为余量，出钢温度1630℃；电炉出钢采用无渣出钢，在电炉出钢过程中加入Al球3.5kg/t、CaBaAlSi2.3kg/t进行预脱氧，让初炼钢水形成的Al2O3夹杂物有充分的上浮时间。电炉出钢前加入28Kg/t钢的Ni板到钢包中，随钢包进行烘烤，烘烤温度大于800℃，去除Ni板中的氢含量。
初炼钢水到LF精炼炉，不加Al脱氧，采用85％石灰和15％合成渣造泡沫渣，采用大渣量操作，渣量占钢水重量的1.5％，控制LF精炼炉过程的增碳量、快速脱硫、脱氧、去气、去夹杂，根据生产所需的最终产品各元素含量分批加入硅铁、锰铁、镍板铁等合金调整合金成分。LF精炼结束后，用喂丝机喂入0.15Kg/t钢的Ca线对夹杂物进行变性处理，出钢温度1640℃。
精炼钢水到VD炉进行真空处理，在真空度小于67Pa以下，保持时间20分钟，直至炉渣不再发泡时停止抽真空，打开真空盖，利用钢包底吹氩对钢水进行静吹，静吹时间15分钟，让真空处理后夹杂物进一步上浮，提高钢质纯净度。出罐温度1565℃。
精炼好的钢水送到三机三流圆坯连铸机浇铸铸坯，流间距1700mm；20吨中间包，使用Mg质中间包涂料；连铸钢包、中间包和结晶器全程加保护套管，钢包与保护套管连接处采用氩气保护；结晶器长度800mm，结晶器使用中碳保护渣和低碳双层中间包覆盖剂；结晶器用浸入式水口；连铸结晶器电磁搅拌电流280A、频率3.0HZ，凝固末端电磁搅拌电流120A、频率8HZ。钢水过热度△t31℃，连铸二冷比水量为0.22L/kg，二冷区分四段气雾冷却，各段水量百分比分别为：第一段37％、第二段29％、第三段18％、第四段16％，浇铸速度0.45m/min。所得铸坯低倍评级结果见表2，本发明中，低倍评级依据中华人民共和国黑色冶金行业标准YB/T4149-2006连铸圆管坯标准进行测定。其中，技术要求值指满足超低温无缝钢管轧制管坯的质量要求。
表2 铸坯低倍评级
一般疏松 中心疏松 中间裂纹 中心裂纹 缩孔 铸坯表面裂纹
铸坯值 0.5级 0.5级 0级 0级 0级 无
技术要求值 ≤1级 ≤1级 ≤1级 ≤1级 ≤1级 无
从表1、表2可看出采用本发明方法制得的铸坯低倍无中间裂纹、中心裂纹和铸坯表面裂纹，完全满足-100℃低温无缝钢管钢Gr.3轧制圆管坯的质量要求。
众所周知，对于不同钢种，其连铸工艺和电磁搅拌工艺也完全不同，本发明通过创造性劳动探索出了适用于低温无缝钢管用圆坯的连铸方法，发现了连铸过程中过热度、拉速、二冷比水量以及各段水量百分比之间存在着适当的配比关系，结晶器和凝固末端电磁搅拌电流与频率的匹配关系，按照符合本发明的配比关系的方法进行圆坯连铸，可以生产出缩孔、中间裂纹、中心裂纹为0级，一般疏松、中心疏松为0.5级的圆连铸坯，采用本发明方法生产的铸坯质量完全符合用于低温无缝钢管Gr.3轧制圆管坯的质量要求。

Claims (6)

1.-100℃低温无缝钢管钢连铸圆坯的生产方法，原料依次经电弧炉冶炼→LF精炼→VD真空处理→圆坯连铸→连铸坯精整→合格圆坯，其特征在于，
圆坯连铸工序中，控制连铸钢水过热度26~31℃，浇注速度为0.36 ~0.454m/min，连铸二冷区比水量 0.15~0.22 L/kg，连铸二冷区分4段，采用气雾冷却，各段水量占有的比例分别为：第一段水量 35~37%、第二段水量 27~29%、第三段水量 18~20%、第四段水量 16~18%；
圆坯连铸工序中，在连铸结晶器和凝固末端采用电磁搅拌，连铸结晶器电磁搅拌电流220~280A、频率2.5~3.0HZ ，凝固末端电磁搅拌电流120~180A、频率6~8HZ；
所述-100℃低温无缝钢管钢为Gr.3钢，其化学成分及其重量含量为：C 0.06~0.10%、Si0.21~0.33%、Mn 0.48~0.58%、P≤0.008%、S≤0.004%、Ni 3.4~3.7%、Al 0.03~0.06%、余量为残余元素和铁；
所述LF精炼工序中，采用石灰和合成渣造渣，石灰和合成渣的总质量占钢水质量的1.2~1.8%；其中，石灰和合成渣的质量百分比为：石灰80~90%，合成渣10~20%，合成渣的成分为CaO 60~68%、Al2O3 15~20%、CaF2 10~15%、SiO2≤5%、MgO≤3%、S≤0.1%。
2.根据权利要求1所述-100℃低温无缝钢管钢连铸圆坯的生产方法，其特征在于，所得圆坯的直径为φ350mm~φ388mm。
3.根据权利要求1或2所述-100℃低温无缝钢管钢连铸圆坯的生产方法，其特征在于，电弧炉冶炼采用超高功率电弧炉冶炼。
4.根据权利要求3所述-100℃低温无缝钢管钢连铸圆坯的生产方法，其特征在于，采用70吨高阻抗超高功率电弧炉。
5.根据权利要求1、2或4所述-100℃低温无缝钢管钢连铸圆坯的生产方法，其特征在于，圆坯连铸工序中，采用三机三流圆坯连铸机浇铸。
6.根据权利要求3所述-100℃低温无缝钢管钢连铸圆坯的生产方法，其特征在于，圆坯连铸工序中，采用三机三流圆坯连铸机浇铸。
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