石油套管用37Mn5钢全流程洁净度分析及工艺改进.pdf
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1、第 44 卷第 4 期2023 年 8 月Vol.44.No.4August 2023特殊钢SPECIAL STEEL石油套管用37Mn5钢全流程洁净度分析及工艺改进宋景凌,周旋,李恒华(衡阳华菱钢管有限公司,衡阳,421001)摘 要:为探究某钢厂当前冶炼37Mn5钢过程中所存在的问题,对生产中连续两个炉次进行全流程取样分析,包括金相样、氧氮棒以及精炼渣样,经优化改进,最终得到的结论如下:(1)在LF精炼阶段以及VD钙处理阶段有不同程度的二次氧化现象产生,尤其喂钙线阶段反应较为剧烈,容易引起钢液二次氧化,导致Ds类夹杂物增加,通过优化精炼脱氧操作,钙线喂入量由1.41.7 m/t降低至0.9
2、5 m/t,各类夹杂物均1.5级,合格率100%;(2)精炼渣的成分分析得出,三元相图中渣成分点都在液相区以外,导致精炼渣熔化性能不好,流动性较差,通过提高渣中SiO2至 9%12%,Al2O3至25%30%,将二元碱度控制在58,可提高渣的熔化性、流动性,渣的覆盖能力加强,有效防止二次氧化;(3)中间包浇注阶段相比于VD阶段,氧氮含量基本稳定,但夹杂物数量有一定的提升,夹杂物增长速率远超夹杂物内生速率,因此,其来源为卷渣,应保持中间包平稳浇注,同时避免钢包下渣现象发生。关键词:37Mn5钢;全流程分析;石油套管钢;工艺优化;渣系优化DOI:10.20057/j.1003-8620.2022-
3、00216 中图分类号:TF741Whole Process Cleanliness Analysis and Process Improvement of Petroleum Casing Steel 37Mn5Song Jingling,Zhou Xuan,Li Henghua(Hengyang valin Steel Tube Co.,Ltd.,Hengyang 421001,China)Abstract:In order to explore the problems and improvement methods of the current production process o
4、f 37Mn5 steel for oil casing smelting in a steel mill,in this paper the whole process sampling analysis of two consecutive heats in the industrial production of the steel plant,including metallographic specimen,oxygen and nitrogen rod and refined slag sample,was conducted.After optimization and impr
5、ovement,the final conclusions are as follows:(1)secondary oxidation occurs in different degrees in the LF refining and VD calcium treatment stage,specially feeding calcium line stage reaction is more violent,which is easy to cause the secondary oxidation of the liquid steel and increasing of Ds incl
6、usions.By optimizing the refining deoxyoperation,the amount of calcium line feeding is reduced from 1.4-1.7 m/t to 0.95 m/t,and all kinds of inclusions are grade 1.5,and the qualified rate is 100%;(2)the composition analysis of refining slag shows that the residue components in the ternary phase dia
7、gram are all outside the liquid phase region,which results in poor melting performance and poor liquidity of the refining slag.By increasing SiO2 in the slag from to 9%-12%,Al2O3 to 25%-30%,and controlling the binary alkalinity at 5-8,it can improve the melting and fluidity of the slag,strengthen th
8、e coverage capacity of the slag,and effectively prevent secondary oxidation;(3)compared to the VD stage,the oxygen and nitrogen content in the tundish casting stage is basically stable,but the number of inclusions has been increased to a certain extent,and the growth rate of the inclusions is far hi
9、gher than the endogenous rate of the inclusion,therefore,the source is from slag rolling,the smooth casting of the tundish shall be kept,at the same time to avoid the occurrence of dropping off slag phenomenon of the ladle.Key Words:37Mn5 Steel;Whole Process Analysis;Petroleum Casing Steel;Process O
10、ptimization;Slag System Optimization随着石油工业的发展,油井管及其管坯钢用量越来越大,石油套管是组成油井井身的主要结构,由于在恶劣环境中使用,因此,对钢材性能要求较高。37Mn5钢1-2作为一种常用合金结构钢,是生产J55级石油套管的专用钢种3。国内普遍采用“转炉或电弧炉冶炼LF精炼吹氩连铸”工艺4-5生产37Mn5钢,一些钢厂根据产品质量要求,在LF精炼后利用VD或RH对钢水进一步精炼处理。脱氧剂采用 Al-Si、Al-Mn、Al-Si-Ba、Al-Si-Ca-Ba 等。LF精炼6过程一般都是采用钙线或硅钙线进行钢液钙处理7来改性夹杂物。受脱氧剂、合金、钢
11、液钙处理和操作控制等影响,精炼过程夹杂物转变直接影响钢中夹杂物的成分、大小、数量和分布8,从而影响钢的性能。本文以37Mn5钢冶炼过程夹杂物、精炼渣9的改变为研究对象,通过对工业实际生产中,各个工位点样品进行取样分析,旨在探寻夹杂物来作者简介:宋景凌(1971-),男,硕士,高级工程师;E-mail:;收稿日期:2022-11-1658第 4 期宋景凌等:石油套管用37Mn5钢全流程洁净度分析及工艺改进源,明确夹杂物改性原因,解释夹杂物转变机理,为冶炼过程控制钢中夹杂物提供依据。1试验材料及方法37Mn5 钢的冶炼工艺为:电弧炉LF 精炼VD连铸。其中,电弧炉的容量为110 t,连铸坯规格为直
12、径330 mm的圆坯。电弧炉出钢过程中往钢包内加入铝锰铁、硅锰合金以及高碳锰铁进行成分调整;LF精炼过程中使用硅锰合金10-11、低碳锰铁以及硅铁进行合金成分微调12,故钢液内夹杂物多以镁铝尖晶石为形核中心,并逐渐长大;VD破空后喂钙线进行夹杂物变性处理;随后进行四流连铸,马艳杰等人13认为在稳态浇注下可以保证钢液有更高的洁净度。全流程取样方案见表1,针对该钢种共取两个炉次样品,分别为连浇炉次的第三、四炉。对所取样品进行加工处理,加工方式如图1所示。切割制作金相试样用于电镜观察分析以及成分检测,金相样进行打磨及抛光,为后续夹杂物自动分析14做准备。其中,每个金相样的扫描面积为5 mm5 mm,
13、加速电压选用20 kV,扫描最小夹杂物的尺寸1 m。另外,从吊桶样中切割出氧氮棒用于氧氮分析仪检测氧、氮成分。通过荧光光谱分析仪对取到的精炼渣进行成分分析检测,并利用FactSage软件对渣系的熔点、粘度进行热力学计算。2试验结果与讨论2.1钢中氧氮分析钢中夹杂物成分主要为氧化物夹杂,在一定程度上,全氧含量能反映钢中非金属夹杂物的数量,钢中氮元素主要来源于空气,即氮元素含量一定程度上能反映钢液二次氧化的情况。因此,钢中氧氮含量是评定钢液洁净度的重要指标。连浇炉次第三、四炉钢中全氧、氮含量变化如图2所示。其中,第三炉冶炼过程中,LF 进站到精炼渣成分调整以后,钢液中全氧含量基本稳定在1510-6
14、,无明显变化,而钢液中氮含量从5510-6上升到6110-6,波动较大,该阶段处于LF电极放电状态,容易受到电弧表1全流程取样方案Table 1Sampling scheme of whole process取样工位LFVD连铸取样点进站成分调整完毕吊包前破空钙处理后吊包前浇注前期浇注中期浇注后期样品吊桶样及渣样注:钢包容量为100 t、中间包容量28 t,连铸取样点为中间包内,浇注前期为浇注28 t左右,浇注中期为浇注50 t左右,浇注后期为钢包余钢量5 t时。图1吊桶样加工示意图Fig.1Schematic diagram of bucket sample processing图237Mn
15、5钢冶炼过程钢中氧氮含量变化Fig.2Changes in oxygen and nitrogen content in steel during 37Mn5 steel smelting process59第 44 卷 特殊钢增氮的影响;在LF吊包前,钢液中全氧含量以及氮含量均有所上升,因此,可以认定在该过程中,钢包内存在二次氧化的现象,若要在该阶段控制钢液洁净度,应避免钢包内钢液与空气接触;VD破空后,钢液内全氧含量以及氮含量有所下降,其中氧含量降为1510-6、氮含量降为5410-6;喂钙线后,钢液中氮含量波动幅度较大,从VD破空后的5410-6激增到6310-6,由于钢液中氮元素主要来
16、源于空气,因此认定该阶段在喂钙线过程中,钢液与空气接触较多,造成钢液洁净度下降;稳态浇注过程中,钢液内氧氮含量基本稳定。第四炉中,钢液氧氮含量变化整体与第三炉保持一致,在LF吊包前,钢液有二次氧化现象发生,VD钙处理后,钢液中氮含量依然激增,说明在此阶段,喂钙线过程反应激烈,造成部分钢液与空气直接接触,发生二次氧化。上连铸后,钢液内氮含量保持不变,氧含量有所提升,排除钢液二次氧化的原因,故判断为在浇注过程中发生卷渣,通过中间包示踪剂试验可以进一步判断出卷渣来源。2.2钢中非金属夹杂物分析各工位的夹杂物数密度如图3所示,各工位扫描面积一致,均为19.3 mm2。钢液钙处理后钢液中CaO和MgO的
17、数量均呈上升的趋势,含CaO夹杂物数量从87个上升到120个、含MgO夹杂物数量从41个上升到48个,吊包前随着夹杂物的上浮去除,含CaO、MgO夹杂物数量分别降低至92个和26个。在浇注过程中,CaO的含量逐步降低,含钙夹杂物在中间包内随着钢液流动上浮去除。从LF精炼到VD精炼,夹杂物数量降低,尺寸增加,软吹阶段夹杂物上浮时间较短,形成较大尺寸夹杂物。从VD吊包到浇注满包,钢液中夹杂物数量增加,同时伴随有卷渣现象。各工位的夹杂物尺寸分布如图4所示,从LF进站到VD破空,夹杂物尺寸逐渐增加,38 m的夹杂物占比提高了 15%。钢液钙处理后夹杂物尺寸进一步增加,38 m夹杂物占比高达22%。中间
18、包浇注过程中,夹杂物尺寸逐渐降低,在浇注末期,夹杂物尺寸在38 m的夹杂物占比降低了一半。王祎等人1认为冶炼过程中钢液夹杂物演变规图 337Mn5钢冶炼过程夹杂物数密度变化Fig.3Change of number density of inclusions in the 37Mn5 steel smelting process图 437Mn5钢冶炼过程夹杂物尺寸分布Fig.4Size distribution of inclusions in 37Mn5 steel smelting process60第 4 期宋景凌等:石油套管用37Mn5钢全流程洁净度分析及工艺改进律为:以氧化铝为形核中
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