管線鋼工藝設計

1、冶煉管線鋼的工藝設計冶煉管線鋼的工藝設計學學 院：院： 機 械 工 程 學 院專專 業(yè)：業(yè)： 機 械 裝 備 2 班 指導老師：指導老師： 高 新 亮小組組長：小組組長： 王 攀小組成員：小組成員：王 攀（100101010312） 張 春（100101010306） 劉 同 旺（100101010322） 閆 美 加（100101010337） 王 宇（100101010304） 李 祥（100101010307） 關 云 蛟（100101010239） 李 揚（100101010236） 黃 勝（100101010313）一、一、管線鋼管線鋼的概述的概述1.1概念 管線鋼主要用于石油、天然

2、氣的輸送。制造石油天然氣集輸和長輸管或煤炭、建材漿體輸送管等用的中厚板和帶卷稱為管線用鋼（LPS）。管線鋼可分為高寒、高硫地區(qū)和海底鋪設三類。目前管線鋼的型號主要有X60、X65、X70、X80等。從油氣輸送管的發(fā)展趨勢、管線服役條件、主要失效形式和失效原因綜合評價看，不僅要求管線鋼有良好的力學性能，還應具有耐負溫性、耐腐蝕性、抗海水和HSSCC性能等，在成分和組分上要求“超高純、超均質(zhì)、超細化”。1.2技術要求（1）高強度。管線鋼的強度指標主要有抗拉強度和屈服強度。在要 求高強度的同時，對管線鋼的屈強比（屈服強度與抗 拉強度）也提出了要求，一般要求在0.85-0.93的范 圍內(nèi)。（2）高沖擊

3、韌性。管線鋼要求材料應具有足夠高的沖擊韌性（起裂、 止裂韌性）。對于母材，當材料的韌性值滿足止 裂要求時，其韌性一般也能滿足防止起裂的要求。（3）低的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。嚴酷地地域、氣候條件要求管線鋼應具有 足夠低的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。DWTT的剪切面 積已經(jīng)成為防止管道脆性破壞的主要控制 指標。一般規(guī)范要求在最低運行溫度下試 樣斷口剪切面 積極85%。（4）優(yōu)良的抗氫致開裂（HIC）和抗硫化物應力腐蝕開裂（SSCC）性能。（5）良好的焊接性能。鋼材良好的焊接性對保證管道的整體性和 野外焊接質(zhì)量至關重要。 這其中難點和重點是高韌性。高強度、高韌性是通過控冷技術得到貝氏體、貝氏體鐵素體組織來保證的。煉鋼應用

4、高強度厚壁管低溫管傳輸腐蝕氣體管純凈度S0.005% S0.001%P0.010%P0.005% H1.510 %N4010 %鈣處理Ca=0.001%0.0035%低碳鋼C0.10%C0.005%夾雜控制中心偏析控制化學成分精度調(diào)整表1優(yōu)質(zhì)管線鋼中有害元素含量的要求注：必不可少的；必要的；理想的管線鋼對各種元素和夾雜物都有很嚴格的要求，具體成分要求如下表11.3各種元素在管線鋼中的控制與工藝手段 高級管線鋼各成分控制為滿足管線鋼高強度、高韌性、良好的焊接性能及抗HIC、SCC性能的要求，對應相應的技術要求，要采取相應的工藝手段，具體如下表2所示：表2 生產(chǎn)高質(zhì)量管線鋼技術保證與工藝手段二、管

5、線鋼工藝設計 鋼水凈化，特別是硫含量的降低，是高韌性管線剛不可缺少的前提條件。 鋼水鈣處理，確保夾雜物球化、變性是提高橫向沖擊韌性的重要保證；微鈦處理是保證管線鋼晶粒細化、橫向沖擊值穩(wěn)定的有效手段；而冶煉工藝的優(yōu)化是高韌性管線鋼生產(chǎn)的關鍵。 管線鋼的生產(chǎn)路線分為兩條：（1）鐵水預處理轉(zhuǎn)爐路外精煉連鑄或模鑄；（2）電爐路外精煉連鑄或模鑄國外管線鋼生產(chǎn)工藝圖如下表3所示：表3 國外一些生產(chǎn)廠家管線鋼的生產(chǎn)工藝流程2.1轉(zhuǎn)爐冶煉超低硫鋼的生產(chǎn)工藝 生產(chǎn)超低硫鋼，應包括鐵水預處理、轉(zhuǎn)爐冶煉和鋼水精煉3個基本功序。爐外精煉出鋼深磷脫技術脫氮技術前期脫磷轉(zhuǎn)爐冶煉磷技術硫技術鐵水脫鐵水脫鐵水預處理 爐外精煉

6、根據(jù)生產(chǎn)鋼種決定是否需要真空處理，可進一步劃分LF爐精煉和真空噴粉精煉兩大類。其生產(chǎn)流程如下圖所示：%0 . 3FeMnO %001. 0%002. 0%001. 0OTS %003. 0s1350T %005.0s1650T %06. 0%04. 0C 鐵水預處理轉(zhuǎn)爐冶煉清潔廢鋼 沸騰出鋼，弱脫氧真空脫氧，噴粉脫硫 爐渣改造，白渣出鋼LF加熱精煉2.2爐外精煉3.1爐外精煉原理： （1）吹氬的基本原理：氬氣是一種惰性氣體，從鋼包底部吹入鋼液中，形成大量小氣泡，其氣泡對鋼液中的有害氣體（H2、N2）來說，相當于一個真空室，使鋼中HN進入氣泡，使其含量降低，并可進一步除去鋼中的O，同時，氬氣氣泡

7、在鋼液中上沲而引起鋼液強烈攪拌，提供了氣相成核和夾雜物顆粒碰撞的機會，有利于氣體和夾雜物的排除，并使鋼液的溫度和成分均勻。 （2）真空脫氣的原理：鋼中氣體的溶解度與金屬液上該氣體分壓的平方根成正比，只要降低該氣體的分壓力，則溶解在鋼液中氣體的含量隨著降低三、爐外精煉3.2爐外精煉的任務： 爐外精煉是把由煉鋼爐初煉的鋼水倒入鋼包或?qū)Ｓ萌萜鲀?nèi)進一步精煉的一種方法，即把一步煉鋼法變?yōu)槎綗掍摲?。爐外精煉可以完成下列任務： （1）降低鋼中的硫、氧、氫、氮和非金屬夾雜物含量，改變夾雜物形態(tài)，以提高鋼的純凈度，改善鋼的機械性能； （2） 深脫碳，在特定條件下把碳降到極低含量，滿足低碳和超低碳鋼的要求； （

8、3） 微調(diào)合金成分，將成分控制在很窄的范圍內(nèi)，并使其分布均勻，降低合金消耗，提高合金元素收得率；將鋼水溫度調(diào)整到澆鑄所需要的范圍內(nèi)，減少包內(nèi)鋼水的溫度梯度。RH精煉圖：3.3 RH和其他的精煉設備相比，真空度較高，適合于精煉超低碳鋼時鋼水的劇烈沸騰3. 4RH-TOP設備組成： 鋼包提升系統(tǒng)、真空室系統(tǒng)、真空室輸送系統(tǒng)、頂槍系統(tǒng)、煤氣預熱系統(tǒng)、自動測溫取樣系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、合金加料系統(tǒng)、喂絲覆蓋劑自動加入系統(tǒng)、真空室維修及更換系統(tǒng)、真空室換襯和預熱系統(tǒng)3.5 RH-TOP爐外精煉基本原理及主要參數(shù)： 基本原理： 用鋼包車將鋼包送入處理位，使真空室下降或使鋼包提升，以便使吸嘴浸入鋼包內(nèi)的鋼液以下5

9、00mm。然后啟動真空泵。由于真空室內(nèi)壓力下降，鋼包內(nèi)鋼水被吸入真空室中。由于吸嘴中的一個噴入氬氣，另一個沒有，鋼水便開始反復循環(huán)。這時就可采取各種處理措施，例如脫氣、吹氧、化學成分及溫度調(diào)整等。處理結束時使系統(tǒng)破真空。隨后退出吸嘴，將鋼包送至后處理位置或交接位置。 主要參數(shù)： 鋼液循環(huán)速率、氬氣流量，真空室與鋼包的尺寸及真空系統(tǒng)能力等，對反應速率與最終精煉效果有極其主要的作用 RH采用大量氬氣循環(huán)，精煉強度大，目前常用的增大脫碳素的方法有： （1）增大換流量； （2）增大驅(qū)動氬氣流量； （3）增大泵的抽氣能力； （4）向驅(qū)動氬氣中摻入氫氣，在碳含量小于0.002%是可使脫碳速率增加一倍； （

10、5）減少真空室的法蘭盤數(shù)可提高真空度，減少漏氣，減少鋼水污染； （6）在真空室側墻安裝氬氣噴嘴，吹氬到真空室內(nèi)，可增大反應界面面積，尤其在碳含量小于0.003%時可顯著提高脫碳速率，該方法在10min內(nèi)可將碳從0.0021%降至0.001%。3.6 爐外精煉脫硫技術 出鋼鋼液硫含量平均值為0.004%，硫含量在較低的水平，精煉有一定的難度。爐外精煉方法主要有噴粉、真空、加熱造還原渣、喂絲和吹氣攪拌等，實踐中常常是幾種手段綜合使用3.7真空噴粉脫氮、脫氫 鋼液去氮主要靠攪拌處理、真空脫氣或兩種工藝的組合來促進氣體與金屬的反應來實現(xiàn)。管線鋼生產(chǎn)中，此時的 ，就會有較好的脫氮效果。 鋼中氫主要在煉鋼

11、初期通過CO劇烈沸騰去除，自從真空技術出現(xiàn)后鋼中氫已可穩(wěn)定控制在0.0002%水平。要杜絕在后續(xù)工序中加入的造渣劑、變性劑、合金劑、保護渣、覆蓋劑等受潮，避免碳氫化合物、空氣與鋼水接觸，這樣有助于降低鋼中的氫含量。3.8鋼包喂鈣技術 鋼包喂鈣技術是解決脫硫、脫氧、合金化、合金化微調(diào)、改變夾雜物形態(tài)、防止水口堵塞等可靠措施。其中，需要強調(diào)的是，金屬鈣處理可改變鋼中夾雜物形態(tài)和數(shù)量，使得氧化物和硫化物夾雜轉(zhuǎn)變?yōu)橥獍蚧}的低熔點鈣鋁酸鹽球狀復合夾雜物，夾雜細化且分布均勻，改善了鋼的質(zhì)量，減少連鑄時的水口結瘤。 電爐冶煉超低碳鋼需要對爐料進行調(diào)整。采用直接還原鐵代替部分廢鋼，保證電爐出鋼時 是關鍵環(huán)

12、節(jié)。電爐冶煉超低碳鋼生產(chǎn)工藝流程如下圖所示： %001. 0s %004. 0s162T%0 . 1MnOFeO %004. 0s%003. 0oTDRI球團廢 鋼電爐冶煉爐渣改質(zhì)，白渣出鋼LF白渣精煉RH-噴粉VD精煉 40% 60% 四、電爐冶煉超低碳鋼的生產(chǎn)工藝電爐冶煉超低碳鋼生產(chǎn)工藝圖五、管線鋼五、管線鋼X65冶煉工藝設計冶煉工藝設計5.1 國標X65管線管線鋼性能以及及成分要求如下表4：表4 X65化學成分表 從X 65 的成分要求可以看出, 該鋼種的主要技術難點在于:碳含量較低, 碳當量有比較嚴格的要求。5.2寶鋼X65冶煉基本思路 寶鋼X65管線鋼屬于低碳MnNbVTi系的控軋控

13、冷合金鋼，其X65高強度高韌性管線鋼基本思路為：（1）采用低的碳含量設計，以提高管線鋼的韌性和延性，并具有良好的焊接性；（2）細晶強化是目前惟一可同時提高材料強度和韌性的強化機制，為最大限度地利用晶粒細化的強化作用，采用了鈮的微合金化和控制軋制、控制冷卻的熱機械處理工藝；（3）采用微鈦處理技術以改善焊接熱影響區(qū)的韌性，結合鈮、 釩微合金化細化晶粒和沉淀強化的作用提 高管線鋼的強度； （4）通過降低硫含量和改變夾雜物形態(tài)的 鈣處理工藝，提高管線鋼板卷的橫向沖擊 韌性。5.3寶鋼X65高韌性管線鋼的工藝主要包括： 這樣的工藝確保鋼水的潔凈度、夾雜物球化、晶粒細化和微合金化的效果。5.4在冶煉工藝上

14、采取的措施： （1）原料： 將鐵水在混鐵車中噴吹石灰粉和電石粉進行深脫硫，保證入爐鐵水中 ，入爐鐵水比不小于85%，入爐前將鐵水包中鐵水面上的渣扒凈，同時入爐廢鋼全用本廠的返回廢坯，保證低硫、低夾雜物。 （2）頂吹轉(zhuǎn)爐：1）確定合適的吹止碳，控制 ，避免過吹，防止鋼水的過氧化。2）吹煉中調(diào)整供氧流量及氧槍位置，確保全程化渣，達到良好的去磷效果，使成品鋼水 。3）出鋼時，使用擋渣帽和擋渣球，確保擋渣效果良好，港包中渣層不大于100mm。4）出鋼中、后期加頂渣，每噸鋼加入46kg，用于調(diào)整鋼包的成分。確保鋼渣堿度大于3，全鐵含量5%，為提高鋼包KIP噴粉脫硫率打下基礎。 （3）RH真空循環(huán)脫氣和合

15、金微調(diào)。 RH處理過程真空度不大于1KPa，脫氣時間不小于18min，純脫氣時間不小于15min，以保證鋼中夾雜物充分上浮、去除氧、氮氣。針對鈮、釩、鈦、錳等元素的合金要求，進行合金化微調(diào)，確保元素成分控制在規(guī)定的范圍內(nèi)。 （4）KIP噴粉脫硫 根據(jù)鋼包中鋼水硫含量的高低，采用CaO和CaF2混合劑進一步降低鋼中硫含量，確保成品鋼水 ；噴吹CaSi粉，對鋼水進行鈣處理，保證夾雜物球化。 （5）連鑄吹氬 開澆前鋼包進行小流量吹氬3min，均勻鋼水成分和溫度，讓夾雜物上浮去除。同時確認鋼包到中間包浸入式水口之間氬封良好，防止?jié)茶T過程中鋼水的二次氧化和吸氮。六、結論六、結論6.1按上述工藝路線管線鋼的中間包鋼水成分可達到：的水平 %0002. 0%,0035. 0%,009. 0%,002. 0HNPS6.2得到的X65管線鋼熔煉成分（%