油管用钢洁净度的研究

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摘要：为了解管坯的洁净度水平，对衡钢炼钢分厂EAF→LF→HCC工艺生产的36Mn2V、37Mn5油管用水平连铸坯，通过采取示踪剂示踪、系统取样、综合分析等方法，对LF处理前后及中间包钢水和连铸坯中ω(T．0)、显微夹杂及大型夹杂物的数量及变化情况进行了研究，并对夹杂物的产生原因进行了分析。研究结果表明，目前工艺条件下36Mn2V、37Mn5连铸坯的洁净度水平一般。

关键词：36Mn2V及37Mn5连铸坯；洁净度；大型夹杂物；显微夹杂物

石油油管主要用于从油井井下向地面输送原油。由于油井地质条件较复杂，因而对钢的质量要求严格。湖南衡阳钢管(集团)有限公司(以下简称衡钢)采用电炉→水平连铸→Φ89半浮芯棒连轧工艺路线生产油井管。管坯采用自产的水平连铸坯，先后开发生产了36Mn2V、37Mn5、P110等品种。现管坯存在的最大问题是质量不太稳定，钢管的成材率较低。鉴于此，衡钢与武汉科技大学联合开展了油管用钢的洁净度研究项目。

1 试验研究方法

1．1 生产工艺

36Mn2V、37Mn5管坯的生产工艺流程为：EAF—LF—HCC。电弧炉采用全冷炉料冶炼出合格粗炼钢水，采用LF工艺进行精炼，对钢水进行还原及调整钢的成分和温度。吊包前钢水进行钙处理。大包钢水采用套管进行保护浇注，通过水平连铸机铸造成圆管坯。

1．2 试验方法

1．2．1 示踪剂跟踪法

在钢包渣中加入ω(LaO)为1％～2％(每吨钢加入量为0．25 kg)；在中间包保护渣中配入4％的ω(SrO)；在中间包涂料中配入4％的ω(CeO)。通过以上3种示踪剂跟踪钢包渣、中间包保护渣和中间包涂料对管坯中夹杂物的影响。

1．2．2取样方法

分别在LF处理前后、中间包钢水及连铸坯上取大样和小样，在钢管上取小样，重点是对连浇钢水和连浇坯进行了取样。

1．2．3 分析方法

运用TC一500氮／氧测定仪对钢中气体含量进行分析；采用金相显微镜和扫描电镜、EDAX能谱仪对钢中显微夹杂物的尺寸、形貌及成分组成进行研究；运用大样电解法、扫描电镜和电子探针对钢中大型夹杂物的形貌和成分组成进行研究。

2 试验结果与分析

2．1 钢水ω(T．O)及分析

钢中总氧含量包括自由氧和结合氧(固定氧)。自由氧是指溶解于钢液中的氧，结合氧是指存在于钢中各种氧化物中的氧。一般用钢中总氧即ω(T．O)来评估钢中夹杂物的数量。本次试验钢各工序的ω(T．O)变化情况见表1。

由表1可知，LF精炼后钢液的脱氧率为51．2％，说明LF精炼去气效果较好。中间包钢水的ω(T．O)值较LF上升了7．0×10^-6，主要是浇注过程存在二次氧化现象，以及钢水中进入了一些外来夹杂物。

2．2 显微夹杂物检测结果及分析

2．2．1 显微夹杂物平均个数

36Mn2V、37Mn5试验钢检测显微夹杂平均个数的变化见表2。

由表2可以看出，LF吊包时钢中显微夹杂平均个数最少，说明LF精炼去除显微夹杂物的效果较明显。中间包钢水的显微夹杂物平均个数较LF大幅度增加，说明3个问题：(1)有钢液裸露在空气中被二次氧化；(2)中间包工作层存在侵蚀现象，(3)存在大包下渣或中间包保护渣卷渣现象。

2．2．2显微夹杂物类型

钢中显微夹杂物主要有以下几种类型：

(1)硅铝酸盐夹杂，该类夹杂数量较多，尺寸较大。在显微镜下为不透明状，颜色较深，通常呈暗灰色或深灰色。

(2)硅酸盐夹杂，在显微镜下为透明球状，颜色较浅，多为群状、片状或块状。

(3)SiO₂夹杂，在金相显微镜下呈透明块状，颜色为浅亮黄色。

(4)硫化物夹杂，在金相显微镜下为不透明状，浅灰色，通常呈球状或块状。主要有MnS、CaS等。

(5)A1₂O₃夹杂，该类夹杂尺寸范围大，主要呈块状和群落状，颜色为白色或灰白色。

(6)镁铝尖晶石夹杂，在显微镜明场下呈透明状，尺寸较大。

2．2．3显微夹杂物粒径分布

试验钢种铸坯和钢管显微夹杂物粒径分布情况见表3。

由表3可以看出，铸坯及钢管中93％以上的显微夹杂粒径在15μm以下。一部分夹杂物在轧制工序破碎为5μm以下夹杂，致使钢管中5μm以下夹杂物的比例增加。

2．2．4显微夹杂物来源分析

LF座包时钢中显微夹杂主要有MnS、CaS、硅酸盐、A1₂O₃镁铝尖晶石等。硫化物夹杂主要是钢中合金元素与硫的结合产物，硅酸盐、A1₂O₃主要是脱氧产物。由于精炼前期钢水硫含量较高，故硫化物夹杂较多。

LF吊包时钢中显微夹杂主要有硅铝酸盐、SiO₂：、镁铝尖晶石、硅酸盐、Al₂O₃，MnS等。硅铝酸盐主要是Si、Al脱氧产物聚集而成。镁铝尖晶石的产生原因是镁质耐火材料侵蚀脱落产物MgO与钢中Al₂O₃形成的复合夹杂。

铸坯中显微夹杂主要有硅铝酸盐、硅酸盐、MnS、CaS、镁铝尖晶石、Al₂O₃、钙镁硅铝酸盐等。硅酸盐、Al₂O₃。夹杂除来源于脱氧产物外，还有可能来源于二次氧化产物及钢水凝固过程形成的氧化物。钙镁硅铝酸盐主要来自于夹渣。在铸坯中，含示踪剂的显微夹杂出现较少，说明卷渣很少形成显微夹杂。铸坯显微夹杂的来源是：脱氧产物二次氧化产物>硫化物>耐火材料侵蚀>产物卷渣。

2．3 大型夹杂物试验结果及分析

2．3．1 大型夹杂物数量变化情况

10kg试验钢大型夹杂物数量变化情况见表4。从表4可见，LF座包钢中大型夹杂物数量很高，为66．41 mg；精炼结束后大型夹杂物数量大幅减少，LF吊包时为18．75 mg，说明LF精炼去除大型夹杂物的效果较明显；从LF吊包到中间包，大型夹杂物数量显著增加，正常浇铸连浇时中包钢水中的大型夹杂物数量分别为27．20 mg、30．82 mg。经分析，主要原因是浇铸过程中存在二次氧化和卷渣现象，而连浇时钢液面较低，且液面波动较大，卷渣量较正常浇铸要多。铸坯中大型夹杂物有所减少，说明有部分大型夹杂物在中间包内去除，但中间包去除夹杂物的能力是相当有限的。

另外，由于水平连铸的特殊结构，其中间包通过水口直接与结晶器密封连接，结晶器为水平布置方式，无钢水保护渣，不能吸收钢水中的夹杂物。因此，中间包钢水中的夹杂物一旦进入结晶器内，将无法去除，只能停留在铸坯中，因而铸坯大型夹杂物数量较高。

2．3．2 大型夹杂物形貌和成分组成

根据扫描电镜和电子探针观察结果，大型夹杂物主要有硅铝酸盐、二氧化硅、钙硅铝酸盐、三氧化二铝、钙镁硅铝酸盐、镁铝尖晶石等，见表5。

从表5可以看出，除二氧化硅、三氧化二铝外，其它几种大型夹杂物一般含有多种组分。如部分硅铝酸盐夹杂物中含有3种示踪元素，说明该夹杂物与钢包渣或中间包保护渣相结合形成了复合夹杂。

2．3．3大型夹杂物来源分析

对于冶炼过程钢水中大型夹杂物的来源，主要是根据夹杂物的组成来进行分析。对于铸坯中大型夹杂物的来源，通常是采用示踪剂跟踪分析法。本文认为对于铸坯中大型夹杂物还应结合成分分析方法，才能较准确地分析夹杂物的来源。

LF座包样中主要有二氧化硅、氧化锰、三氧化二铝、硅酸盐、镁铝尖晶石等夹杂。除镁铝尖晶石外，其余均为脱氧产物。

LF吊包样中主要有硅铝酸盐、二氧化硅、钙硅铝酸盐、镁铝尖晶石、三氧化二铝等夹杂，硅铝酸盐夹杂最多。钙硅铝酸盐主要是钢包渣进入钢水中而形成。二氧化硅颗粒仍然较多，说明采用硅脱氧其脱氧产物难以上浮。另外，三氧化二铝数量也较多，说明Ca处理效果比较差，Al₂O₃基本上没有变性。可见大型夹杂物主要为内生夹杂。

中间包试样中主要有硅铝酸盐、钙硅铝酸盐、钙镁硅铝酸盐、三氧化二铝、二氧化硅、镁铝尖晶石等夹杂。钙镁硅铝酸盐为卷人钢水中的夹渣。可见，中间包试样中外来大型夹杂物已明显增多。

铸坯试样中主要有硅铝酸盐、钙硅铝酸盐、钙镁硅铝酸盐、二氧化硅、三氧化二铝、镁铝尖晶石等夹杂，基本上与中间包试样相同。从组成来看，90%的夹杂物为复合夹杂。

另一方面，采用示踪法对铸坯中的大型夹杂物进行分析。经抽样分析357个夹杂物，示踪试验结果如下：

(1)含LaO₃，的夹杂有203个，占总测试数的56．9％，说明有钢包渣进入到钢液中；

(2)含SrO的夹杂有254个，占总测试数的71．1％，说明有中间包保护渣卷入到钢液中；

(3)含CeO的夹杂有162个，占总测试数的45．4％，说明有中间包涂料侵蚀脱落进入到钢液中；

(4)不含任何示踪剂的夹杂物个数为67个，占总测试数的18．8％，其来源于钢液中未上浮去除的脱氧产物；

(5)含2种以上示踪剂成分的夹杂物个数为252个，占总测试数的70．6％，说明大多数夹杂物有多种来源，为各类夹杂相互碰撞聚集产物。

单纯从示踪剂跟踪试验结果来看，81．2％的夹杂物含有示踪剂。从另一角度来看，部分夹杂虽然含有示踪剂，但其组成主要是脱氧产物为主的内生夹杂，应归属为脱氧产物为主或脱氧产物与外来夹杂共存。该种夹杂主要是硅铝酸盐复合夹杂。

综合成分分析和示踪剂分析结果，铸坯中大型夹杂物来源为：中包保护渣>钢包渣>脱氧产物>耐火材料侵蚀脱落产物。

3 结论

(1)36Mn2V、37Mn5管坯的ω(T．O)平均值为39．4×10^-6，显微夹杂平均个数为15．8个／mm2，10 kg试验钢大型夹杂物平均数量为16．0mg。连浇时，中间包钢水和铸坯中的大型夹杂物数量更高。