CN113802046A - 一种避免螺旋埋弧焊钢管焊缝出现气孔缺陷的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于钢铁冶金技术领域，特别涉及一种避免螺旋埋弧焊管线钢焊缝部位出现气孔缺陷的方法。本发明通过控制轧材芯部纵截面内的硫化锰夹杂物的总长度小于130微米，以及将原材料和容器中的水分去除，达到避免氢气在硫化锰夹杂物处的富集，实现避免焊缝出现气孔缺陷的技术效果；本发明控制轧材芯部纵截面内的硫化锰夹杂物总长度小于130μm的方法为：控制钢水中硫含量ω_S小于ω_S‑优，控制连铸钢水过热温度T_过热低于T_过热‑优，并采用连铸机二冷制度Q_二冷‑优；本发明的方法成本低、准确性高，适用于炼钢、连铸等生产设备简陋的企业。

Description

一种避免螺旋埋弧焊钢管焊缝出现气孔缺陷的方法

技术领域

本发明属于钢铁冶金技术领域，特别涉及一种避免螺旋埋弧焊管线钢焊缝部位出现气孔缺陷的方法。

背景技术

管线钢是一类具有特殊要求的钢种，可由热连轧机组生产，经螺旋埋弧焊接形成大口径钢管，可用于输送石油、天然气等的管道，因此管线钢所制成钢管的焊缝部位在经超声波探伤或X射线探伤时，不允许出现气孔缺陷，以防止钢管在使用过程中在焊缝位置处断裂，产生漏气、漏油等安全事故。

但某些钢铁企业的炼钢、连铸设备较落后，或者因为操作员没有掌握能避免螺旋埋弧焊管线钢焊缝部位出现气孔缺陷的焊接方法，致使热轧钢板经螺旋埋弧焊制成钢管后，在X射线探伤下，焊缝处会观察到气孔，被判为探伤不合，如说明书附图4所示，黑色位置处为焊缝，白色斑点为气泡。然而，通常情况下在进行埋弧焊焊接之前钢板母材已经过X射线探伤，并没有发现气孔缺陷，气孔缺陷是在螺旋埋弧焊之后才在焊缝部位产生。

根据生产实践进行分析后发现，焊缝处出现气泡的原因如下：由于铸坯的中心偏析，导致钢液中的[S]、[H]向铸坯中心厚度处偏聚，随着温度降低，铸坯中心处的[S]原子以硫化锰(MnS)的形式析出，由于偏析导致铸坯芯部含有出现较多的孔隙和MnS夹杂物。MnS夹杂物和钢材的热膨胀系数不同，轧材生产过程中的轧后冷却时，MnS夹杂物和钢材间会产生缝隙，而[H]原子会向缝隙处富集，因此钢材芯部厚度处的[H]原子会增多。焊接时，埋弧焊焊丝正下方的温度非常高，会达到5000℃以上，高温下焊缝处的[H]原子溶解度增大，焊接热影响区的[H]原子向焊缝处的富集会进一步加快，导致焊缝处的[H]原子进一步增多，焊后冷却时，来不及从钢液中逸出的[H]原子以气泡的形式存在。

因此采用RH真空精炼炉设备或VD真空精炼炉设备脱除钢液中的氢，在连铸过程中利用电磁感应装置、轻压下装置改善铸坯芯部厚度处的偏析现象是解决螺旋埋弧焊管线钢焊缝部位出现气孔缺陷的有效方法，但是国内某些钢铁企业没有RH真空精炼炉或VD真空精炼炉，在连铸过程中也没有结晶器电磁感应装置、凝固末端轻压下装置，不具备深脱氢和有效控制连铸坯偏析的能力，因此，硬件设施无法满足生产需求的情况下，亟需提供一种便于实施且有效的方法，以达到避免螺旋埋弧焊焊缝处易产生气孔缺陷的目的。

发明内容

本发明为了解决以上由于硬件设施不足无法避免螺旋埋弧焊钢管焊缝处易产生气孔缺陷的问题，提供一种从轧材制备工艺角度解决埋弧焊钢管焊缝出现气孔缺陷的方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种避免螺旋埋弧焊钢管焊缝出现气孔缺陷的方法，其特征在于，包括：

控制连铸结晶器中钢水的氢元素质量分数≤5ppm，并控制硫化锰(MnS)夹杂物的含量使轧材芯部纵截面内的MnS夹杂物总长度平均值小于130μm，所述MnS夹杂物总长度为轧材芯部纵截面内的所有MnS夹杂物的长度之和；MnS夹杂物在轧材中的取向方向为钢材的轧制方向，所述长度为MnS夹杂物沿取向方向的长度；定义轧材的轧制面为水平面，定义轧制方向为左右方向，定义所述轧材的左、右侧面沿竖直方向的中心线所在面为垂直纵截面，所述垂直纵截面沿左右方向的中心线向上、下方各延伸100μm，并沿左右方向延伸100mm的区域为芯部纵截面；所述芯部纵截面在轧材中的位置如图1所示。

优选的，所述控制连铸结晶器中钢水的氢元素质量分数≤5ppm的方法为炼钢工序中所用原材料、辅料烘干及炼钢工序中盛钢水用的容器在使用前烘干。

进一步优选的，所述原材料、辅料烘干的方法为控制废钢、合金、石灰、萤石、烧结矿、预熔渣的水份含量均≤1％，钢包覆盖剂、中间包覆盖剂、结晶器保护渣的水份含量均≤0.5％。

优选的，所述盛钢水用的容器在使用前彻底烘干的方法为烘烤时间≥3h，烘烤温度≥1350℃。

优选的，所述控制MnS夹杂物的含量使轧材芯部纵截面内的MnS夹杂物总长度平均值小于130μm的方法为控制钢水中硫含量ω_S小于ω_S-优，控制连铸钢水过热温度T_过热低于T_过热-优，并采用连铸机二冷制度Q_二冷-优；

所述ω_S为连铸前钢水中的硫含量，％；所述T_过热为中间包中钢水温度与钢水液相线温度的差值，℃；

所述ω_S-优为满足“轧材芯部纵截面内的MnS夹杂物总长度平均值等于130μm”要求的钢水中硫含量ω_S，％；所述T_过热-优为满足“轧材芯部纵截面内的MnS夹杂物总长度平均值等于130μm”要求的中间包中钢水温度与钢水液相线温度的优选差值，℃；所述Q_二冷-优为满足“轧材芯部纵截面内的MnS夹杂物总长度平均值等于130μm”要求的连铸机二冷制度，包括铸坯比水量，m³/吨钢。

优选的，控制钢水中硫含量ω_S小于ω_S-优的方法为：在铁水预处理环节，采用KR脱硫将铁水中硫元素脱至0.002％以下，并使用扒渣机扒净铁水表面的脱硫渣；在转炉冶炼和LF精炼炉冶炼时，使用低硫石灰来造渣，以减少石灰中的硫元素向钢水中的传输，在LF精炼时，通过延长精炼时间、造高碱度渣、增大精炼渣渣量、提高炉渣流动性的方法来深度脱除钢水中的硫，控制连铸前钢水中的实际硫含量ω_S小于ω_S-优。

优选的，采用烘烤方式去除废钢中水份，控制入转炉废钢的水份含量小于1％。

优选的，所述低硫石灰中硫含量小于0.03％，炼钢石灰、轻烧白云石、烧结矿等炼钢辅料中的水份含量均小于1％。

优选的，转炉冶炼的终渣碱度控制在R＝2.8-3.5，转炉冶炼终点的碳含量控制在[C]＜0.08％，转炉出钢温度目标控制在1630℃～1680℃之间，挡渣出钢，转炉渣下渣量不大于7kg/吨钢；采用烘烤方式去除合金中水份，控制钢包内加入合金的水份含量小于1％，根据钢水目标成份向钢包内添加合金；

新砌筑的钢包在使用前彻底烘干，烘烤时间≥3h，烘烤温度≥1350℃。

进一步优选的，在LF精炼时，所述精炼时间不低于48min，软吹时间不得低于12分钟，LF精炼渣的四元碱度为1.7～1.8，LF精炼炉钢包顶渣的渣量为25～35kg/吨钢。

所述四元碱度的计算公式为：

WCao、WMgO、

分别为精炼渣中CaO、MgO、SiO₂、Al₂O₃的质量百分含量。

通过控制钢水中硫含量ω_S小于ω_S-优，控制连铸钢水过热温度低于T_过热-优，并采用优选的连铸机二冷制度Q_二冷-优，能减少MnS夹杂物的含量。

本发明实施例提供的一个或多个技术方案，至少具有以下技术效果：

1、本发明在钢水氢含量≤5ppm时，通过控制硫化锰夹杂物总长度小于130微米，即可达到避免管线钢经螺旋埋弧焊焊接之后焊缝出现气孔缺陷的目的，从源头上控制气孔缺陷的产生，达到了降低废品率，节约成本，高效易控的技术效果。

2、本发明通过将连铸前钢水中硫含量控制在极低值，从而减少轧材中的MnS夹杂物总量，同时减少富集至轧材芯部厚度处的MnS的夹杂量，而氢原子易在MnS夹杂处富集，轧材芯部位置处MnS夹杂物含量降低，有利于减少H原子在轧材芯部的富集，轧材芯部处H原子含量降低至某一临界值后，H原子的分压无法形成氢气，也就无法以气孔缺陷的方式存在，从而解决螺旋埋弧焊管焊缝位置处易出现气孔缺陷这一问题。

3、钢铁企业可利用LF精炼炉将钢水中硫含量控制在极低值，以此方法来生产管线钢的设备成本低，并且解决了一些没有RH真空精炼炉或VD真空精炼炉，在连铸过程中也没有结晶器电磁感应装置、凝固末端轻压下装置的企业无法生产无缺陷管线钢的难题，方法简单易行，易推广，适用性广，适用于炼钢、连铸等生产设备简陋的企业。

4、本发明提供的方法中通过减少H在轧材芯部富集的方法来解决管线钢埋弧焊接焊接过程中焊缝部位易产生气孔缺陷这一问题，不需要通过RH精炼炉把氢深脱至小于2ppm，而是通过常规的控制入炉原料的水份和炼钢流程中所使用的耐火材料烘烤效果就能较容易的把钢水中[H]含量控制在不大于5ppm，降低了控制轧材中[H]含量所需的炼钢装备成本，并减少了RH精炼这一工序成本。

5、本申请提供的抑制管线钢焊缝气孔缺陷方法的成本低，根据测算，将硫由0.01％降低至0.002％只需花费20元/吨钢的脱硫成本，也即将硫深脱至极低值只需花费20元/吨钢，而常规生产管线钢时的RH脱氢工序成本就有70元/吨钢，若再加上常规生产管线钢所配置的价值几千万电磁搅拌、轻压下设备的设备成本，则常规的抑制管线钢焊缝气孔缺陷方法的成本远高于本申请提供方法的成本。

附图说明

图1为本发明的芯部纵截面在轧材中的位置图，(a)为轧材主视图，(b)为轧材右视图，(c)为轧材俯视图；

图2为本发明实施例1轧材1芯部纵截面金相组织照片*200倍；

图3为本发明实施例1轧材1经螺旋焊制成钢管的焊缝位置处X射线探伤照片；

图4为本发明实施例2中轧材f焊缝X射线探伤出现的气孔缺陷示意图；

图5为本发明实施例2中轧材f的芯部纵截面内的金相组织*500倍；

其中，(1)为焊缝，(2)为气孔，(3)为芯部纵截面，(4)为轧材，A为1/2轧材宽度，B为1/2轧材厚度，H为100μm，L为100mm。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。

应当说明的是，下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂、材料和设备，如无特殊说明，均可从商业途径获得。

实施例1

一种避免螺旋埋弧焊钢管焊缝出现气孔缺陷的方法，主要包括：

控制硫化锰(MnS)夹杂物的含量使轧材芯部纵截面内的MnS夹杂物总长度平均值小于130μm；控制MnS夹杂物的含量使轧材芯部纵截面内的MnS夹杂物总长度平均值小于130μm的方法为控制钢水中硫含量ω_S小于ω_S-优，控制连铸钢水过热温度低于T_过热-优，并采用优选的连铸机二冷制度Q_二冷-优。

ω_S-优、T_过热-优、Q_二冷-优随每个企业的连铸设备能力不同而不同，设备能力越差的企业所要求的ω_S-优、T_过热-优值越低，本实施例中的连铸机设备参数如下表1所示，没有装备电磁感应装置、轻压下装置，设备简陋。

表1.实施例中的连铸机设备参数

具体控制目标如下：

ω_S-优为0.002％，T_过热-优为20℃；连铸机二冷制度为强冷模型，二冷配水量为1.0～1.2m³/吨钢。

本实施例共制备6种轧材，即轧材1-轧材6。

轧材生产工艺流程为：KR铁水脱硫→转炉冶炼→LF精炼→板坯连铸→加热炉→粗轧→半连续精轧→层流冷却→卷取；

对于轧材1-轧材6，其中“KR铁水脱硫→转炉冶炼→LF精炼→板坯连铸”的生产工艺是影响所得轧材经螺旋埋弧焊焊接之后焊缝出现气孔缺陷的主要环节，轧材1生产工艺对此环节进行改进，后续的其他生产工艺执行现有技术，上述改进包括：

(1)铁水脱硫

采用KR法进行铁水脱硫，铁水中硫含量控制在0.002％以下，铁水温度不低于1250℃，脱硫完毕扒净铁水表面的脱硫渣，铁水包表面渣层厚度小于10mm；

(2)转炉冶炼

采用烘烤方式去除废钢中水份，控制入转炉废钢的水份含量小于1％；

控制转炉冶炼所用的石灰中硫含量小于0.03％，炼钢石灰、轻烧白云石、烧结矿等炼钢辅料中的水份含量小于1％；

转炉冶炼的终渣碱度控制在R＝3.2，转炉冶炼终点的碳含量控制在[C]为0.07％，转炉出钢温度目标控制在1650℃之间，挡渣出钢，转炉渣下渣量为6kg/吨钢。

采用烘烤方式去除合金中水份，控制钢包内加入合金的水份含量为0.4％，根据钢水目标成份向钢包内添加合金。

新砌筑的钢包在使用前彻底烘干，烘烤时间为4h，烘烤温度为1450℃。

(3)LF精炼

LF精炼进行深脱硫操作，确保LF钢包出站前，钢水硫含量小于ω_S-优，ω_S-优为0.002％，精炼时间为45min，软吹时间为13min，软吹要求包内钢液微动，钢水不得裸露。

LF精炼炉所用石灰、预熔渣、萤石等炼钢辅料的水份含量均控制为0.4％，钢水精炼后添加的钢水保温覆盖剂中的水份含量为0.4％。

(4)连铸操作

控制中间包钢水过热度为15℃，小于T_过热-优(20℃)，中间包覆盖剂、结晶器保护渣中的水份含量为0.3％；新砌筑中间包在使用前彻底烘干，烘烤时间为4h，烘烤温度为1380℃；

连铸机二冷制度为强冷模型，二冷配水量为1.0m³/吨钢。

根据上述方法或工艺生产得到轧材1，对轧材1的芯部纵截面进行金相组织检测，金相组织照片如图2所示，未在芯部纵截面内发现MnS夹杂物；轧材1被运入螺旋焊管厂经埋弧焊后制成钢管，对焊缝处进行X射线探伤，探伤照片如图3所示，未在探伤位置处发现气孔缺陷。

轧材2-轧材6的生产工艺步骤同轧材1，不同之处在于各参数设置，具体见表2，得到的轧材2-轧材6的元素组成见表3。

表2.管线钢用轧材部分生产工艺参数

表3.管线钢用轧材组成元素含量/％

表4.轧材1-轧材6芯部纵截面内的MnS夹杂物总长度

实施例2

通过不同生产工艺制备一批轧材，用金相显微镜或扫描电镜对待测轧材芯部纵截面MnS夹杂物总长度进行观察，以判断本发明的方法的可靠性；该批待测轧材a-轧材f的钢种牌号分别为：L245、L245、L290、L360、L415、L415，其生产工艺如表5所示，轧材a-轧材f的含氢量均在5ppm以内，用金相显微镜或扫描电镜对轧材a-轧材f制备的金相试样抛光面进行分析，得到轧材芯部纵截面内MnS夹杂物总长度平均值见表6，对轧材a-轧材f进行螺旋埋弧焊焊接；用X射线对焊缝进行探伤，气孔缺陷检测结果见表6，发现轧材f焊缝(1)处存在气孔缺陷(2)，气孔缺陷(2)的形貌如图4所示，对轧材f芯部纵截面进行金相检测后发现，在芯部纵截面存在大量MnS夹杂物，MnS夹杂物形貌如图5所示。从表6中可得，通过控制轧材芯部纵截面内的MnS夹杂物总长度平均值小于130μm的方法避免螺旋埋弧焊钢管焊缝出现气孔缺陷的准确率达100％。

表5.待测轧材的生产工艺参数

表6.待测轧材芯部纵截面内的MnS夹杂物总长度及气孔缺陷情况

Claims (9)

1.一种避免螺旋埋弧焊钢管焊缝出现气孔缺陷的方法，其特征在于，包括：

控制连铸结晶器中钢水的氢元素质量分数≤5ppm，并且控制轧材芯部纵截面内的硫化锰夹杂物总长度小于130μm，所述硫化锰夹杂物总长度为轧材芯部纵截面内的所有硫化锰夹杂物的长度之和；所述长度为硫化锰夹杂物沿取向方向的长度；定义轧材的轧制面为水平面，定义轧制方向为左右方向，定义所述轧材的左、右侧面沿竖直方向的中心线所在面为垂直纵截面，所述垂直纵截面沿左右方向的中心线向上、下方各延伸100μm，并沿左右方向延伸100mm的区域为芯部纵截面；所述控制轧材芯部纵截面内的硫化锰夹杂物总长度小于130μm的方法为：控制钢水中硫含量ω_S小于ω_S-优，控制连铸钢水过热温度T_过热低于T_过热-优，并采用连铸机二冷制度Q_二冷-优；

所述ω_S为连铸前钢水中的硫含量，％；所述T_过热为中间包中钢水温度与钢水液相线温度的差值，℃；所述连铸机二冷制度为铸坯在连铸机二冷段中的冷却制度，包括铸坯比水量，m³/吨钢；所述ω_S-优为轧材芯部纵截面内的硫化锰夹杂物总长度平均值等于130μm时连铸前钢水中的硫含量，％；所述T_过热-优为轧材芯部纵截面内的硫化锰夹杂物总长度平均值等于130μm时中间包中钢水温度与钢水液相线温度的差值，℃；所述Q_二冷-优为轧材芯部纵截面内的硫化锰夹杂物总长度平均值等于130μm时采用的连铸机二冷制度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制连铸结晶器中钢水的氢元素质量分数≤5ppm的方法为炼钢工序中所用原材料、辅料烘干及炼钢工序中盛钢水用的容器在使用前烘干。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制连铸结晶器中钢水的氢元素质量分数≤5ppm的方法为控制废钢、合金、石灰、萤石、烧结矿、预熔渣的水份含量均≤1％，钢包覆盖剂、中间包覆盖剂、结晶器保护渣的水份含量均≤0.5％；所述盛钢水用的容器在使用前彻底烘干的方法为烘烤时间≥3h，烘烤温度≥1350℃。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制钢水中硫含量ω_S小于ω_S-优的方法为：在铁水预处理环节，采用KR脱硫将铁水中硫元素脱至0.002％以下，并使用扒渣机扒净铁水表面的脱硫渣；在转炉冶炼和LF精炼炉冶炼时，使用低硫石灰来造渣，在LF精炼时，通过延长精炼时间、造高碱度精炼渣、增大精炼炉钢包顶渣的渣量、提高炉渣流动性的方法来深度脱除钢水中的硫。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述低硫石灰中硫含量小于0.03％。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述转炉冶炼的终渣碱度控制在R＝2.8-3.5，转炉冶炼终点的碳含量控制在[C]<0.08％，转炉冶炼出钢温度目标控制在1630-1680℃之间，挡渣出钢，转炉渣下渣量不大于7kg/吨钢。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，LF精炼时间为48-60min，软吹时间为12-15min。

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述LF精炼渣的四元碱度为1.7-1.8。

9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，LF精炼炉钢包顶渣的渣量为25-35kg/吨钢。

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