劉曉明，張慈

（天津鋼鐵集團有限公司技術中心，天津，300301）

37Mn氣瓶鋼連鑄圓管坯的開發(fā)

劉曉明，張慈

（天津鋼鐵集團有限公司技術中心，天津，300301）

天鋼通過采用“鐵水→轉爐→LF→VD→圓坯連鑄”流程，開發(fā)出37Mn氣瓶鋼連鑄圓管坯，并較好地控制了P元素、S元素、氣體元素和夾雜物。生產實踐表明，37Mn氣瓶鋼連鑄圓管坯成分穩(wěn)定，有害元素含量低，鑄坯質量良好，性能指標穩(wěn)定，完全能夠滿足使用要求。

氣瓶；連鑄；圓坯；雙渣；低磷；低硫

1　引言

高壓氣瓶作為一種氣體儲存容器，廣泛用于工業(yè)、礦業(yè)、建筑、交通、海洋、航空、醫(yī)療、軍事等國民經濟各部門［1-3］。目前國內普遍使用的為鋼制無縫氣瓶，采用無縫鋼管做坯料，通過熱旋壓收口收底成型制成［4］。由于氣瓶所充裝的介質種類很多，且具有易燃、易爆、劇毒或腐蝕特性，加之氣瓶重復充裝和流動性大，一旦發(fā)生爆炸或泄漏，往往并發(fā)火災或中毒，引起災難性事故發(fā)生。因此，氣瓶的質量對于生產安全極為重要。近些年來，隨著煉鋼連鑄工業(yè)技術的不斷進步，引入了轉爐留渣雙渣工藝、LF爐外精煉、VD真空處理、連鑄電磁攪拌等技術，采用連鑄技術生產的圓管坯質量得到了大幅度的提高，能夠生產出低有害元素、較少夾雜物的連鑄圓坯，而且解決了偏析、縮孔、疏松等嚴重影響連鑄圓坯質量的問題。采用連鑄生產的圓管坯與傳統(tǒng)的軋制坯相比較，具有成材率高，生產成本低等特點。越來越多的廠家更傾向于采購連鑄圓管坯進行加工制造。天津鋼鐵集團有限公司（以下簡稱天鋼）近些年通過裝備升級，具備了鋼水爐外精煉、真空脫氣等精煉手段，工藝水平有了大幅度的提高，通過市場調研和技術儲備，開始了高壓氣瓶用鋼的研制開發(fā)工作。

2　質量要求

根據標準《GB18248-2008氣瓶用無縫鋼管》中規(guī)定的氣瓶鋼牌號，同時結合天鋼生產設備和技術的實際情況，確定開發(fā)牌號為37Mn的氣瓶鋼。其生產流程為鐵水→轉爐→LF→VD→圓坯連鑄。由于氣瓶鋼內部加壓儲存氣體，其對鋼中的有害元素如P、S、氣體元素等控制要求較高，對夾雜物的要求較為嚴格，同時要求鑄坯的內部和外部質量良好。

磷（P）：對于氣瓶鋼來說，較高的磷含量會使其低溫沖擊功顯著降低，并且更容易產生細小裂紋，導致充裝時開裂、爆炸等嚴重后果。為了提高氣瓶鋼的質量，需更采取手段嚴格的控制鋼中磷含量，要求［P］≤0.020%。

硫（S）：硫在鋼中形成帶狀分布的MnS和FeS夾雜物，使鋼在熱加工時容易脆裂，形成“熱脆”；硫還會降低鋼的延展性和韌性，更加不利于氣瓶鋼的熱成型加工。硫化物夾雜還會產生局部的顯微組織疏松，降低鋼材的耐腐蝕性，對氣瓶在后期使用和儲存過程中均有不利影響。為了減少S元素的危害，需控制［S］≤0.010%。

氧（O）：鋼中的氧含量是衡量鋼純凈度的一個重要的標志，通常用鋼中總氧T［O］含量來衡量鋼中氧含量的高低，鋼中T［O］含量越低，則鋼就越“干凈”，鋼的綜合性能越好，要求控制T［O］≤0.003 0%。

氮（N）：鋼中的氮含量增加，可使鋼材產生時效脆性，降低鋼的沖擊韌性，也可引起鋼的冷脆等不利影響。為了防止氮的危害，要求控制［N］≤0.008 0%。

氫（H）：鋼中的氫則是引起氫脆、白點、鼓泡等缺陷的直接原因，要防止氫致危害，需控制［H］≤0.002%。

夾雜物：氣瓶鋼對夾雜物要求較為嚴格，無論脆性夾雜物還是塑性夾雜物，對鋼材質量都有較嚴重的影響，因此在該鋼種冶煉中要重點控制夾雜物的類型、尺寸、數(shù)量以及分布，尤其要重點控制硫化物夾雜和Al2O3類夾雜。

鑄坯質量：氣瓶鋼對鑄坯原始缺陷較為敏感，鑄坯中的裂紋、白點、氣泡等缺陷在氣瓶加工過程中都會造成影響。需保證鑄坯表面不存在目視可見的裂紋、凹坑、機械劃痕、壓痕等，低倍組織達到中心裂紋≤0.5級；中間裂紋≤0.5級；縮孔≤1.0級；中心疏松≤1.0級；皮下裂紋和皮下氣泡分別≤1.0級。

3　質量關鍵控制點

氣瓶鋼質量控制主要集中在對P、S元素和氣體元素的控制、對夾雜物的去除和改性，以及對鑄坯質量的提升與改進上。

3.1P元素的控制

在轉爐煉鋼過程中有兩個脫磷的有利時機：即快速脫碳開始前的硅、錳磷氧化期和脫碳基本結束時的冶煉后期。傳統(tǒng)轉爐煉鋼過程一般是選擇冶煉后期高溫脫磷的技術路線，采用單渣操作，加大渣量，加強供氧。其優(yōu)點是鋼水成分和溫度的命中率相對較高，缺點是鋼水氧化性強，渣量大，耐材消耗高，合金回收率較低，導致生產成本高。而當鐵水［P］含量較高時，此方法的經濟性相對較差。通過研究熔池溫度、爐渣堿度和氧化性等因素對轉爐脫磷的影響，開發(fā)了一種轉爐煉鋼留渣雙渣法脫磷工藝，見圖1。

圖1　留渣雙渣法流程示意圖

留渣雙渣法是指將轉爐上爐部分或全部的高堿度、高FeO的終渣留在轉爐中，然后添加渣料進行冶煉，在轉爐冶煉前期結束后倒出大部分前期渣，再補充少部分渣料重新造渣。此方法利用了上一爐終渣的高堿度和高氧化性，提高了前期脫磷效率，前期結束后倒掉含磷量較高的爐渣，有效地防止了后期回磷，從而提高了整個轉爐流程的脫磷率，消除了鐵水［P］較高帶來的不利影響，有利于提升鋼水質量。

冶煉過程中，針對轉爐前期，堿度控制在1.8～2.0，渣中TFe控制在10%～15%，倒渣溫度控制在1 350～1 400℃，倒渣量80%以上，可達到較高的前期脫磷效率。冶煉的中后期，需控制好脫碳速度，防止爐渣返干，同時減少鋼液回磷現(xiàn)象，控制轉爐終渣堿度3.0左右，終點溫度約為1 620℃。

3.2S元素的控制

LF爐精煉非常適合于低硫、超低硫鋼的生產，可以創(chuàng)造極為優(yōu)越的脫硫熱力學和動力學，實現(xiàn)深脫硫工藝。

在LF精煉過程中，根據氣-渣平衡定義硫容量［5］：

式中，CS為硫容量；ω（S）為渣中硫的質量分數(shù)，%；PO2、PS2為渣-氣平衡時氣相中的氧分壓和硫分壓。

由于此式計算不便，又根據渣與鋼液的平衡定義另一種硫容量［5］：

式中，aO、aS為渣-鋼平衡時鋼液中的氧和硫的活度。

一般鋼中的硫活度系數(shù)接近1，則可以用鋼中硫的質量分數(shù)來代替其活度，則公式（2）可改寫為：

式中，LS為硫在渣和鋼中的分配比，即渣和鋼中的硫分配系數(shù)。

由公式（3）可知，硫容量增加到n倍與氧活度降低到1/n對硫分配比的影響是等效的。實際生產中，往往更傾向于提高堿度R，使Cs增大，進而使爐渣的LS增大，但是通過深脫氧、降低爐渣的氧化性從而降低ao以增大LS同等的重要。這也是LF精煉過程實現(xiàn)深脫硫的關鍵所在［6］。

在生產過程中，需提高爐渣堿度以促進脫硫反應發(fā)生，控制終渣堿度到4.0左右，同時要注重脫氧效果，降低渣的氧化性，保證爐渣中FeO+MnO≤1.0%。

3.3氣體元素的控制

3.3.1O的控制

鋼中氧的來源很大一部分是轉爐終點吹入的過量氧。因此在轉爐冶煉過程中，主要是控制鋼水中溶解氧［O］溶，轉爐的實際操作及控制水平與終點鋼水［O］溶含量的高低有直接關系，而轉爐鋼水［O］溶含量的高低，則直接影響到后續(xù)工序和成品鋼中氧含量高低。隨著轉爐終點碳含量的增加，鋼水中溶解氧含量下降。

圖2為碳氧平衡曲線。由圖可知，當轉爐終點C≤0.05%時，鋼中溶解氧含量高于560×10-6，且隨著鋼中碳含量的降低，鋼中的溶解氧含量急劇增加，鋼水處于過氧化狀態(tài)。此時出鋼，爐后合金的回收率和鋼水的潔凈度都大受影響；而當轉爐終點C≥0.10%以后，則鋼中溶解氧含量低于300×10-6，且溶解氧隨碳含量的增加而減少的幅度也比較小。在轉爐終點控制中，需要嚴格執(zhí)行“高拉碳”操作，降低鋼水中的氧含量。

圖2　碳氧平衡曲線圖

3.3.2N的控制

鋼中的氮含量增加，可使鋼材產生時效脆性，降低鋼的沖擊韌性，也可引起鋼的冷脆等不利影響。為了控制鋼中氮含量，可采取以下措施：

（1）維護好出鋼口形狀，防止出鋼時散流，減小接觸空氣面積；

（2）出鋼后期加入覆蓋劑，防止鋼水接觸空氣吸氮；

（3）LF精煉過程及時的形成泡沫渣，注意埋弧操作；

（4）選用含氮量低的覆蓋劑材料，保證中間包覆蓋劑良好覆蓋。

3.3.3H的控制

鋼中的氫是引起氫脆白點鼓泡等缺陷的直接原因。而對鋼中氫的控制，主要方法有：

（1）加強鋼包的周轉管理和烘烤，做到紅包出鋼；

（2）保證爐后合金和入爐粉料的干燥；

（3）鑄坯下線之后堆冷48 h以上，保證其中氫的充分釋放。

3.4夾雜物的控制

對氣瓶鋼來講，夾雜物對鋼的強度、韌性、抗疲勞性能、抗腐蝕性均有不利影響。因此在氣瓶鋼生產中，采用鈣處理工藝來實現(xiàn)減輕以致消除夾雜物危害的目的。

3.4.1Al2O3夾雜

氣瓶鋼中由于含鋁，脫氧過程中會形成簇狀的Al2O3，連鑄時易粘附在水口壁上、積累長大結瘤，會引起水口堵塞；在鋼材加工時，它在鋼中呈鏈狀或串狀分布，惡化鋼材內部和表面的質量［7］。精煉過程結束后，向鋼液中喂入鈣線，可使Al2O3夾雜變?yōu)榈腿埸c的鈣鋁酸鹽7Al2O3.12CaO，使其更容易上浮，從鋼液中去除。

3.4.2硫化物夾雜

鋼中Mn和S易于結合產生長條形的MnS夾雜，對氣瓶鋼的后續(xù)熱加工性能、耐腐蝕性能均有不利影響。Ca與Mn相比，具有更強的親和S能力，在喂入鈣線之后，使得MnS變成CaS。由于CaS熔 ANJINMETALLURGY點更低，易于在軟吹過程中上浮去除，并且殘余在鋼中的CaS呈球狀均勻分布，消除了長條狀的MnS夾雜物的不利影響。

3.5鑄坯質量的控制

氣瓶鋼圓坯的中心疏松、偏析等缺陷容易造成較大的質量危害。為此采用以下措施改善鑄坯的質量：

合理控制鑄機二冷水比水量，保證二次冷卻的均勻，以減少甚至杜絕鑄坯表面裂紋的發(fā)生。

鋼水的過熱度控制在20～30℃范圍內，穩(wěn)定拉速，結晶器液位波動穩(wěn)定在±3 mm以內。按照不同的斷面規(guī)格設定合理的拉速范圍。

使用結晶器電磁攪拌，保證鑄坯結晶組織致密、均勻，減少鑄坯柱狀晶率，避免鑄坯裂紋、縮孔等缺陷，改善連鑄坯的表面質量

4　實物質量情況

天鋼2015年全年生產37Mn圓坯約200爐，隨機抽取了其中20爐的數(shù)據，統(tǒng)計結果見表1。

表1　成品成分統(tǒng)計wt/%

由表1可知，鋼的化學成分完全符合設計要求，并且波動范圍較小，P、S含量較低，達到了較高水平，氣體元素N、H、O含量低，鋼的潔凈度較高。

表2為低倍組織檢驗情況。可見除有0.5級的中心疏松和中心偏析缺陷外，其它缺陷均未出現(xiàn)，鑄坯實物質量良好。

表2　連鑄圓坯低倍組織檢驗情況

鑄坯低倍組織形貌見圖3。

天鋼生產的37Mn圓坯發(fā)往某無縫鋼管生產廠家，經檢測，實物力學性能常規(guī)檢驗結果見表3。

從表3結果可看出，實物力學性能檢驗結果完全符合標準的要求，且指標穩(wěn)定。

5　結論

圖3　圓坯低倍組織形貌

表3　鋼管實物力學性能要求及檢驗結果

天鋼開發(fā)了“鐵水→轉爐→LF→VD→圓坯連鑄”流程生產37Mn氣瓶鋼圓管坯，其工藝合理可行。

通過轉爐留渣雙渣工藝，降低了成品的磷含量；LF精煉通過深脫硫工藝，降低了成品的硫含量；通過N、H、O氣體控制手段降低了鋼中氣體含量，通過鈣處理工藝消除了Al2O3和硫化物夾雜的危害；連鑄采用低過熱度控制、結晶器電磁攪拌，提高了鑄坯質量。

天鋼生產的37Mn圓管坯化學成分穩(wěn)定，波動范圍小，有害元素含量低，鑄坯質量良好。

使用天鋼37Mn圓管坯生產的氣瓶鋼實物經檢測性能良好，各性能指標滿足用戶要求，且指標穩(wěn)定。

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Development of 37M n Round Billet for Gas Cylinder

LIU Xiao-ming and ZHANG Ci
（Technology Center of Tianjin Iron and Steel Group Co.，Ltd.，Tianjin 300301，China）

Continuous cast 37Mn round billet for gas cylinder was developed by Tiangang by a process of"molten iron→converter→LF→VD→round billet casting".Phosphorous，sulfur，gas elements and inclusions were well controlled.Production practice showed the above round billet possessed stable compositions and low content of detrimental elements and could completelymeet the demand by the application with its good quality and stable performance indices.

gas cylinder；continuous casting；round billet；double slag；low phosphorous；low sulfur

10.3969/j.issn.1006-110X.2016.04.001

2016-03-07

2016-04-07

劉曉明（1984—），男，吉林輝南人，碩士，工程師，主要從事產品開發(fā)和煉鋼工藝優(yōu)化工作。