BOF-LF-VD冶炼非调质N80钢工艺

D0L:10.13374f.issn1001-053x.2011.s1.016 第33卷增刊1 北京科技大学学报 Vol.33 Suppl.1 2011年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2011 BOF-LF-VD冶炼非调质N80钢工艺 高金涛)李士琦”关勇2) 刘润藻”王玉刚” 1)北京科技大学治金与生态工程学院，北京1000832)鞍钢股份有限公司，鞍山114021 ✉通信作者，E-mail:t070@163.com 摘要对鞍钢采用氧气顶吹转炉(BOF)治炼、非调质工艺开发的N80级油井管用钢进行了系统的工艺设计、实验室研究、 工业实验及工业生产研究.提出了V、N微合金化取代常规淬火和回火工艺，设计了非调质N80的化学成分，确定了符合鞍钢 氧气转炉大规模生产非调质80的治炼工艺以及各工序的工艺控制要点，特别是确定了实际工况下氧气转炉终点碳、氧、温 度的回归公式以及VD底吹增氨动力学模型等关键工艺要点.连续生产的实测数据分析结果表明：非调质N80冶炼工艺稳定 可行，化学成分、冶炼工艺设计合理，力学性能和使用性能均满足API Spec5CT及油井管生产的特殊要求. 关键词氧气转炉：炼钢：微合金化 分类号TF724 Smelting technology of non-quenched and tempered N80 steel by BOF-LF-VD GA0Jim-taoD☒，lShi-gi,GUAN Yong,LIU Run-zao》,WANG Yu--gamg 1)School of Metallurgical and Ecological Engineering.University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Angang Steel Company Limited.Anshan 114021.China Corresponding author,E-mail:gjt070@163.com ABSTRACT The smelting of non-quenched and tempered N80 steel for oil well piping by basic oxygen furnace BOF)in Angang was investigated by systematic process design,laboratory experiments,industrial test and manufacturing production.Instead of conven- tional quenching and tempering process,the chemical composition of the steel was designed by V and N microalloying.Then the smel- ting process and the process control points of the steel for mass production in Angang steel were determined,especially the regression e- quation of endpoint carbon content,oxygen content and temperature under actual conditions as well as the VD dynamic model of in- creasing nitrogen by bottom-blowing.Analysis results of data measured from continuous production show that the non-quenched and tempered smelting process is stable,the chemical composition and metallurgical process were reasonable,moreover the mechanical properties and service performance can meet the specific requirements of oil well pipe production and the standard of API Spec 5CT. KEY WORDS basic oxygen furnace (BOF);steelmaking:microalloying 我国石油工业迅速发展，油井管市场需求逐年 的氨气作原料，通过向钢液吹氨气进行氨的合金化 增多.随着油井深度、地质情况复杂程度的增加，对 因此，在基础研究和生产实践各方面都有较大难度. 油井管的质量提出了更高的要求，原来J55、K55级 本文基于鞍钢非调质N80的开发，进行了系统的工 油井管逐步被N80级所取代[1-) 艺设计、实验室研究、工业实验以及工业生产研究， N80级油井管要求具有高强度、高塑韧性、低屈 开发出适合鞍钢工装设备的产品成分、生产工艺路 强比以及一定的耐腐蚀性能和硬度[4].目前国内 线及技术参数 主要由电弧炉流程治炼6，采用淬火加回火的调质 工艺生产)，氮的合金化一般采用直接向钢液加入 1工艺参数设计 钒氨合金侧，钒氨合金价格昂贵，且钢液中氨含量 1.1N80油井管用钢规范 难于精确控制9-).在国内鞍钢首次采用氧气顶吹 N80油井管用钢应符合美国石油学会标准套管 转炉冶炼和非调质工艺生产，利用资源丰富且廉价 和油管规范API Spec5CT以及相应的中国石油天 收稿日期：201108-22

第 33 卷 增刊 1 2011 年 12 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 33 Suppl． 1 Dec． 2011 BOF--LF--VD 冶炼非调质 N80 钢工艺 高金涛1) 李士琦1) 关 勇2) 刘润藻1) 王玉刚1) 1) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083 2) 鞍钢股份有限公司，鞍山 114021 通信作者，E-mail: gjt070@ 163． com 摘 要 对鞍钢采用氧气顶吹转炉( BOF) 冶炼、非调质工艺开发的 N80 级油井管用钢进行了系统的工艺设计、实验室研究、 工业实验及工业生产研究． 提出了 V、N 微合金化取代常规淬火和回火工艺，设计了非调质 N80 的化学成分，确定了符合鞍钢 氧气转炉大规模生产非调质 N80 的冶炼工艺以及各工序的工艺控制要点，特别是确定了实际工况下氧气转炉终点碳、氧、温 度的回归公式以及 VD 底吹增氮动力学模型等关键工艺要点． 连续生产的实测数据分析结果表明: 非调质 N80 冶炼工艺稳定 可行，化学成分、冶炼工艺设计合理，力学性能和使用性能均满足 API Spec 5CT 及油井管生产的特殊要求． 关键词 氧气转炉; 炼钢; 微合金化 分类号 TF724 Smelting technology of non-quenched and tempered N80 steel by BOF-LF-VD GAO Jin-tao 1) ，LI Shi-qi 1) ，GUAN Yong2) ，LIU Run-zao 1) ，WANG Yu-gang1) 1) School of Metallurgical and Ecological Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) Angang Steel Company Limited，Anshan 114021，China Corresponding author，E-mail: gjt070@ 163． com ABSTRACT The smelting of non-quenched and tempered N80 steel for oil well piping by basic oxygen furnace ( BOF) in Angang was investigated by systematic process design，laboratory experiments，industrial test and manufacturing production． Instead of conven￾tional quenching and tempering process，the chemical composition of the steel was designed by V and N microalloying． Then the smel￾ting process and the process control points of the steel for mass production in Angang steel were determined，especially the regression e￾quation of endpoint carbon content，oxygen content and temperature under actual conditions as well as the VD dynamic model of in￾creasing nitrogen by bottom-blowing． Analysis results of data measured from continuous production show that the non-quenched and tempered smelting process is stable，the chemical composition and metallurgical process were reasonable，moreover the mechanical properties and service performance can meet the specific requirements of oil well pipe production and the standard of API Spec 5CT． KEY WORDS basic oxygen furnace ( BOF) ; steelmaking; microalloying 收稿日期: 2011--08--22 我国石油工业迅速发展，油井管市场需求逐年 增多． 随着油井深度、地质情况复杂程度的增加，对 油井管的质量提出了更高的要求，原来 J55、K55 级 油井管逐步被 N80 级所取代［1--3］． N80 级油井管要求具有高强度、高塑韧性、低屈 强比以及一定的耐腐蚀性能和硬度［4--5］． 目前国内 主要由电弧炉流程冶炼［6］，采用淬火加回火的调质 工艺生产［7］，氮的合金化一般采用直接向钢液加入 钒氮合金［8］，钒氮合金价格昂贵，且钢液中氮含量 难于精确控制［9--10］． 在国内鞍钢首次采用氧气顶吹 转炉冶炼和非调质工艺生产，利用资源丰富且廉价 的氮气作原料，通过向钢液吹氮气进行氮的合金化． 因此，在基础研究和生产实践各方面都有较大难度． 本文基于鞍钢非调质 N80 的开发，进行了系统的工 艺设计、实验室研究、工业实验以及工业生产研究， 开发出适合鞍钢工装设备的产品成分、生产工艺路 线及技术参数． 1 工艺参数设计 1. 1 N80 油井管用钢规范 N80 油井管用钢应符合美国石油学会标准套管 和油管规范 API Spec 5CT 以及相应的中国石油天 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2011.s1.016

58 北京科技大学学报 第33卷 然气套管和油管的行业标准.成品材的力学性能规 示)进行限制，要求[S]≤0.030%和[P]≤0.030%， 范如表1所示.成品材的化学成分规格为：N80仅 对C、Si、Mn、Cr、Mo和Cu等元素的质量分数均无强 对钢中[S]和[P]([S]和[P]等元素以质量分数表 制性规定 表180成品材力学性能 Table 1 Mechanical properties of N80 products 材料 抗拉强度，R/MPa 屈服强度，Ras/MPa 延伸率，e 冲击性能，Akw小 油管用钢 ≥689 552~758 ≥15% 套管用钢 689 552-758 ≥15% ≥15 1.2非调质N80成分设计 (4)V在微合金非调质钢中作为强碳、氨化物 在分析非调质钢的强韧机理及微合金元素对钢 形成元素，在轧制加热过程中，V完全固溶，固溶的 性能影响的基础上，采用V、N微合金化技术取代淬 V在热加工后冷却过程中析出，起析出强化作用，其 火和回火工艺，分别对钢中常规元素及主要合金元 碳氨化合物具有细化晶粒增加强度的作用.钢中 素控制如下 [V]>0.20%时，钢的韧性降低很多：为保证用户对 (1)C是提高强度最有效的元素之一.非调质 油井管可焊接性能，要求碳当量C≤0.60%，由式 钢在生产中遇到的主要问题是强度、硬度有余而韧 1计算出[V]0.7% 氨实验后将非调质N80油井管用钢中[N]确定为 时，其冲击性能降低，钢的塑性、韧性降低[S]< 0.010%~0.015%. 0.3%时，其固溶强化作用减弱.由于N80级油井管 确定非调质N80油井管用钢的化学成分控制 对钢的塑性韧性指标要求较高，因此确定钢中[S] 范围如表2所示 为0.4%-0.6%. 表2非调质N80油井管用钢化学成分控制范围（质量分数） Table 2 Chemical composition of non-quenched and tempered N80 steel % Si Mn Ti P 0.26-0.30 0.400.60 1.50-1.70 0.10~0.15 0.01-0.020.010-0.015 ≤0.022 ≤0.010 2实验室研究 ICP一AES电感耦合等离子体原子发射光谱仪对化 学成分进行检验； 2.1实验方法 (3)将成分合格钢水铸成130mm×150mm× 在前述工艺参数设计的基础上，进行了20炉非 500mm钢锭； 调质N80冶炼实验室实验. (4)随加热炉升温至1250~1300℃（耗时约 (1)以优质废钢为熔炼原料，使用200kg真空 6h),保温0.5h: 感应炉进行冶炼，钢水温度达到目标值后，在真空状 (5)去除头尾，用D500四辊可逆热轧板轧机 态下进行合金化： 轧制成板材，空冷： (2)测温、取样后，使用CS600红外碳硫仪、 (6)取样、制样，分别使用Gleeble3800热模拟

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 然气套管和油管的行业标准． 成品材的力学性能规 范如表 1 所示． 成品材的化学成分规格为: N80 仅 对钢中［S］和［P］( ［S］和［P］等元素以质量分数表 示) 进行限制，要求［S］≤0. 030% 和［P］≤0. 030% ， 对 C、Si、Mn、Cr、Mo 和 Cu 等元素的质量分数均无强 制性规定． 表 1 N80 成品材力学性能 Table 1 Mechanical properties of N80 products 材料 抗拉强度，Rm /MPa 屈服强度，Rt 0. 5 /MPa 延伸率，e 冲击性能，Akv /J 油管用钢 ≥689 552 ～ 758 ≥15% — 套管用钢 689 552 ～ 758 ≥15% ≥15 1. 2 非调质 N80 成分设计 在分析非调质钢的强韧机理及微合金元素对钢 性能影响的基础上，采用 V、N 微合金化技术取代淬 火和回火工艺，分别对钢中常规元素及主要合金元 素控制如下． ( 1) C 是提高强度最有效的元素之一． 非调质 钢在生产中遇到的主要问题是强度、硬度有余而韧 性不足，为保证钢的塑性和韧性，通过降低钢中［C］ 来控制珠光体含量、提高铁素体含量． 故将非调质 N80 油井管用钢中［C］降至 0. 26% ～ 0. 30% ，钢的 强度下降量由增加锰和硅弥补． ( 2) Mn 一方面作为脱氧元素，另一方面作为合 金元素，对于铁素体珠光体型钢，其固溶于铁素体中 起强化作用． 因此在保证钢焊接性能的前提下将非 调质 N80 油 井 管 用 钢 中［Mn］增 至 1. 50% ～ 1. 70% ． ( 3) Si 在钢的冶炼过程中起脱氧作用，以固溶 体形态存在于钢中来提高钢的强度． ［Si］＞ 0. 7% 时，其冲击性能降低，钢的塑性、韧性降低; ［Si］＜ 0. 3% 时，其固溶强化作用减弱． 由于 N80 级油井管 对钢的塑性韧性指标要求较高，因此确定钢中［Si］ 为 0. 4% ～ 0. 6% ． ( 4) V 在微合金非调质钢中作为强碳、氮化物 形成元素，在轧制加热过程中，V 完全固溶，固溶的 V 在热加工后冷却过程中析出，起析出强化作用，其 碳氮化合物具有细化晶粒增加强度的作用． 钢中 ［V］＞ 0. 20% 时，钢的韧性降低很多; 为保证用户对 油井管可焊接性能，要求碳当量 Ceq≤ 0. 60% ，由式 1 计算出［V］＜ 0. 020% ; 同时考虑 V 成本较高，所 以将非调质 N80 油井管用钢［V］确定为 0. 10% ～ 0. 15% ． Ceq =［C］+［Mn］/6 +( ［Cr］+［Mo］+ ［V］) /5 +( ［Ni］ +［Cu］) /15 ( 1) ( 5) N 在钢中与 V 结合成氮化物，促进 V 的析 出，使 V 的析出强化作用得到充分发挥． 在含钒碳 钢中，钢中氮的质量分数从 40 × 10 － 6 增至160 × 10 － 6 ，屈服强度提高 110 MPa，抗拉强度提高60 MPa， 若非调质钢中 V、N 按摩尔比为 1∶ 1进行配比，会导 致钢中［N］过高而引起表面质量降低，进行多次降 氮实验后将非调质 N80 油井管用钢中［N］确定为 0. 010% ～ 0. 015% ． 确定非调质 N80 油井管用钢的化学成分控制 范围如表 2 所示． 表 2 非调质 N80 油井管用钢化学成分控制范围 ( 质量分数) Table 2 Chemical composition of non-quenched and tempered N80 steel % C Si Mn V Ti N P S 0. 26 ～ 0. 30 0. 40 ～ 0. 60 1. 50 ～ 1. 70 0. 10 ～ 0. 15 0. 01 ～ 0. 02 0. 010 ～ 0. 015 ≤0. 022 ≤0. 010 2 实验室研究 2. 1 实验方法 在前述工艺参数设计的基础上，进行了 20 炉非 调质 N80 冶炼实验室实验． ( 1) 以优质废钢为熔炼原料，使用 200 kg 真空 感应炉进行冶炼，钢水温度达到目标值后，在真空状 态下进行合金化; ( 2) 测温、取样后，使用 CS600 红外碳硫仪、 ICP--AES 电感耦合等离子体原子发射光谱仪对化 学成分进行检验; ( 3) 将成分合格钢水铸成 130 mm × 150 mm × 500 mm钢锭; ( 4) 随加热炉升温至 1 250 ～ 1 300 ℃ ( 耗时约 6 h) ，保温 0. 5 h; ( 5) 去除头尾，用 D500 四辊可逆热轧板轧机 轧制成板材，空冷; ( 6) 取样、制样，分别使用 Gleeble 3800 热模拟 ·58·

增刊1 高金涛等：BOF-LF-VD冶炼非调质N80钢工艺 ·59· 拉伸试验机、Z12W-1200KN拉伸材料试验机和 PSW750冲击试验机分别进行抗拉强度、屈服强度、 20 △一A,R 6 延伸率和冲击强度等力学性能检测. 。 2.2实验结果及分析 01 实验室冶炼的20炉非调质N80轧材力学性能 30 如图1所示.可以看出：其轧材力学性能均很理想， 20 仅个别样品的冲击值偏低，符合API Spec5CT及中 国石油天然气油套管的行业标准. 10 g=10% 实验室冶炼非调质N80的铸坯和轧材的表面 9X00 000 00 宏观照片如图2所示.其中图2()为酸洗铸坯表 8004 000 000 面照片；为检查铸坯皮下质量，将其表层磨去2mm 700 R=689MP1 后酸洗，表面照片见图2(b);图2(c)和(d)为轧材 酸洗后的表面照片.由图2可以看出实验室冶炼的 ■ 7(0L 非调质N80的铸材和轧材表层及皮下质量良好，无 600) 552<R,0<7581a 明显缺陷 500 0 5 10 15 20 3工业实验研究 试样号 基于前述非调质N80的成分设计和实验室研 图1非调质N80实验轧材力学性能 Fig.1 究结果，以鞍钢现有设备和生产工艺为基础，从治炼 Mechanical properties of non-quenched and tempered N80 steel 成分控制、冶炼工艺技术优化方面开展研究，以设计 10 mm Ke) (d) 0m四 图2非调质N80实验铸坯、轧材的表面照片.(a)铸坯表面：(b)表面磨去2mm后的铸坯表面：(c),(d)酸洗后轧坯表面 Fig.2 Surface photos of casting blanks and mill bars:a)slab surface:(b)slab surface after 2 mm abrading:(c).(d)continuous rolled slab after pickling 形成一套符合氧气转炉大规模生产非调质N80油 整备场、3座钢包精炼炉(LF)、1座真空精炼炉 井管用钢的冶炼工艺. (VD)、2台大方坯连铸机、1台厚板坯连铸机、1套 鞍山钢铁集团公司第一炼钢厂主要设备包括 950mm轧机和3架连轧机组等，其工装条件如 3座90t氧气顶吹转炉、1座脱硫扒渣站、1座大罐 图3所示 一 混铁炉 铁水预处理 转炉 LF VD 连铸 图3鞍钢一炼钢工装条件 Fig.3 Process route of No.I steelworks in Angang Steel

增刊 1 高金涛等: BOF--LF--VD 冶炼非调质 N80 钢工艺 拉伸试验机、Z12W--1200KN 拉 伸 材 料 试 验 机 和 PSW750 冲击试验机分别进行抗拉强度、屈服强度、 延伸率和冲击强度等力学性能检测． 2. 2 实验结果及分析 实验室冶炼的 20 炉非调质 N80 轧材力学性能 如图 1 所示． 可以看出: 其轧材力学性能均很理想， 仅个别样品的冲击值偏低，符合 API Spec 5CT 及中 国石油天然气油套管的行业标准． 实验室冶炼非调质 N80 的铸坯和轧材的表面 宏观照片如图 2 所示． 其中图 2( a) 为酸洗铸坯表 面照片; 为检查铸坯皮下质量，将其表层磨去 2 mm 后酸洗，表面照片见图 2( b) ; 图 2( c) 和( d) 为轧材 酸洗后的表面照片． 由图 2 可以看出实验室冶炼的 非调质 N80 的铸材和轧材表层及皮下质量良好，无 明显缺陷． 3 工业实验研究 基于前述非调质 N80 的成分设计和实验室研 究结果，以鞍钢现有设备和生产工艺为基础，从冶炼 成分控制、冶炼工艺技术优化方面开展研究，以设计 图 1 非调质 N80 实验轧材力学性能 Fig． 1 Mechanical properties of non-quenched and tempered N80 steel 图 2 非调质 N80 实验铸坯、轧材的表面照片． ( a) 铸坯表面; ( b) 表面磨去 2 mm 后的铸坯表面; ( c) ，( d) 酸洗后轧坯表面 Fig． 2 Surface photos of casting blanks and mill bars: ( a) slab surface; ( b) slab surface after 2 mm abrading; ( c) ，( d) continuous rolled slab after pickling 图 3 鞍钢一炼钢工装条件 Fig． 3 Process route of No． 1 steelworks in Angang Steel 形成一套符合氧气转炉大规模生产非调质 N80 油 井管用钢的冶炼工艺． 鞍山钢铁集团公司第一炼钢厂主要设备包括 3 座 90 t 氧气顶吹转炉、1 座脱硫扒渣站、1 座大罐 整备场、3 座钢包精炼炉( LF) 、1 座真空精炼炉 ( VD) 、2 台大方坯连铸机、1 台厚板坯连铸机、1 套 950 mm 轧机和 3 架连轧机组等，其工装条件如 图 3所示． ·59·

·60· 北京科技大学学报 第33卷 3.1铁水脱硫预处理 考虑到熔池温度的影响，做二元回归，得到经验 为控制非调质N80油井管用钢中的[S],采用 公式（复相关系数R=0.994、显著性水准为2.21× 钝化镁粉进行铁水深脱硫预处理，金属镁气化并熔 10-7): 于铁水，与铁水中的硫迅速反应生产固态的硫化镁 lnao=-3831.775/T-3.908-1.001n[c] 后进入渣中.设计该工序将高炉铁水中[S] (5) (0.03%左右)控制到≤0.006%水平，以满足氧气 转炉冶炼对铁水中[S]的要求 由式(5)得到氧气转炉吹炼终点熔池中的氧活 3.2氧气顶吹转炉冶炼 度、终点碳与熔池温度的对应关系，见表3 较以废钢为主要原料的电弧炉炼钢，转炉炼钢 表3治炼终点氧活度a[o的预报值 的主要原料是高炉铁水，其残余元素及有害元素含 Table 3 Forecast values of oxygen activity at the smelting end point 量低，同时非调质N80用钢中[C]、[Mn]较高，纯净 T/℃ [C]/% 度要好.故围绕非调质N80冶炼成分的控制，在氧 1640 1660 1680 1700 1720 气顶吹转炉治炼环节主要从终点碳温协调等方面进 0.05544×10-6555×10-6566×10-6578×10-6589×10-6 行控制. 0.10272×10-6277×10-6283×10-6289×10-6294×10-6 基于氧气转炉吹炼过程碳氧反应的平衡常数： 0.20136×10-6139×10-6141×10-6144×10-6147×10-6 lgK=1168/T+2.07 (2) 取转炉冶炼终点温度为1600℃，计算得到该温 由表2可知，根据非调质N80对[C]的要求，氧 度下的平衡常数K,确定出转炉冶炼终点碳氧反应 气顶吹转炉治炼采用高拉碳加点吹工艺，将终点 平衡时的碳氧积： [C]控制在0.1%左右，为精炼工序保留0.15%左 [%C][%0]=0.0025 (3) 右的调整余量.同时采用精料原则、挡渣出钢等操 使用MLCX/EL在线分析定氧仪对90t氧气 作来保证钢水质量 顶吹转炉炼钢终点实测氧活度、终点碳和熔池温度 3.3LF精炼 进行测量（共60炉），将所测氧活度和碳浓度的数 非调质N80要求C、Mn等成分均匀稳定，要严 据取对数后得到lnao和h[%C].可以看出， 格控制钢中夹杂物含量，因此LF精炼工序主要围 lnao和n[%C]之间的相关关系接近一条直线（如 绕调整和均匀化学成分、进一步脱硫以及对钢中夹 图4所示)，故采取双对数模型来拟合，回归处理后 杂物的变性和去除进行控制.在完成精炼任务的同 得到： 时，配加钒铁来控制钢中的钒含量，将钢水成分按目 lnao=-5.951-1.018ln[%C] (4) 标值调整好除氮外)，以保证VD工序吹氮增氨的 专一性 因此，LF精炼过程中选择高碱度(R=4)、低氧 化性和流动性良好的Ca0Si02-A山，0，Mg0四元精 炼渣系，以提高成渣速度和精炼效果，造发泡白渣， 3.5 稳定精炼操作，尽可能脱除钢中夹杂 3.4VD精炼 4.0 利用VD承接LF炉钢水对其进行吹氨处理来 控制钢中的氨含量，既能满足钢水中氨的成分要求， -4.5 又替代氩气对钢水进行搅拌，满足了对钢水均匀化 -30-2.8-2.6-2.4-2.2-2.0-1.8-1.6 和夹杂物上浮的要求. 1ml经 氨可以以原子和化合物的形式溶解于钢中，钢 图4实测lna[o与n[%C】的关系 水吸氨是自发过程.由氮的溶解热力学分析可知， Fig.4 Relationship between Inato)and In [%C]in the practical 真空条件下钢液中氨的溶解度明显低于常压条件下 case 的溶解度，故设计VD工序通过吹N,进行增氨在真 按碳氧积公式（式(3）)变换得到实际工况下的 空处理完破空后进行 碳氧积模型为[%C][%0]=0.0027. 钢液吸氮过程的反应级数受钢液氧位影响，低

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 3. 1 铁水脱硫预处理 为控制非调质 N80 油井管用钢中的［S］，采用 钝化镁粉进行铁水深脱硫预处理，金属镁气化并熔 于铁水，与铁水中的硫迅速反应生产固态的硫化镁 后进入 渣 中． 设 计 该 工 序 将 高 炉 铁 水 中［S］ ( 0. 03% 左右) 控制到≤0. 006% 水平，以满足氧气 转炉冶炼对铁水中［S］的要求． 3. 2 氧气顶吹转炉冶炼 较以废钢为主要原料的电弧炉炼钢，转炉炼钢 的主要原料是高炉铁水，其残余元素及有害元素含 量低，同时非调质 N80 用钢中［C］、［Mn］较高，纯净 度要好． 故围绕非调质 N80 冶炼成分的控制，在氧 气顶吹转炉冶炼环节主要从终点碳温协调等方面进 行控制． 基于氧气转炉吹炼过程碳氧反应的平衡常数: lgK = 1 168 /T + 2. 07 ( 2) 取转炉冶炼终点温度为 1 600 ℃，计算得到该温 度下的平衡常数 K，确定出转炉冶炼终点碳氧反应 平衡时的碳氧积: ［% C］［% O］= 0. 002 5 ( 3) 使用 ML--CX/EL 在线分析定氧仪对 90 t 氧气 顶吹转炉炼钢终点实测氧活度、终点碳和熔池温度 进行测量( 共 60 炉) ，将所测氧活度和碳浓度的数 据取对数后得到 lna［O］ 和 ln［% C］． 可以 看 出， lna［O］和 ln［% C］之间的相关关系接近一条直线( 如 图 4 所示) ，故采取双对数模型来拟合，回归处理后 得到: lna［O］ = － 5. 951 － 1. 018ln［% C］ ( 4) 图 4 实测 lna［O］与 ln［% C］的关系 Fig． 4 Relationship between lna［O］ and ln［% C］ in the practical case 按碳氧积公式( 式( 3) ) 变换得到实际工况下的 碳氧积模型为［% C］［% O］= 0. 002 7． 考虑到熔池温度的影响，做二元回归，得到经验 公式( 复相关系数 R = 0. 994、显著性水准为 2. 21 × 10 － 57 ) : lna［O］ = － 3 831. 775 /T － 3. 908 － 1. 001ln ［C］ ( 5) 由式( 5) 得到氧气转炉吹炼终点熔池中的氧活 度、终点碳与熔池温度的对应关系，见表 3． 表 3 冶炼终点氧活度 a［O］的预报值 Table 3 Forecast values of oxygen activity at the smelting end point ［C］/% T /℃ 1 640 1 660 1 680 1 700 1 720 0. 05 544 × 10 － 6 555 × 10 － 6 566 × 10 － 6 578 × 10 － 6 589 × 10 － 6 0. 10 272 × 10 － 6 277 × 10 － 6 283 × 10 － 6 289 × 10 － 6 294 × 10 － 6 0. 20 136 × 10 － 6 139 × 10 － 6 141 × 10 － 6 144 × 10 － 6 147 × 10 － 6 由表 2 可知，根据非调质 N80 对［C］的要求，氧 气顶吹转炉冶炼采用高拉碳加点吹工艺，将终点 ［C］控制在 0. 1% 左右，为精炼工序保留 0. 15% 左 右的调整余量． 同时采用精料原则、挡渣出钢等操 作来保证钢水质量． 3. 3 LF 精炼 非调质 N80 要求 C、Mn 等成分均匀稳定，要严 格控制钢中夹杂物含量，因此 LF 精炼工序主要围 绕调整和均匀化学成分、进一步脱硫以及对钢中夹 杂物的变性和去除进行控制． 在完成精炼任务的同 时，配加钒铁来控制钢中的钒含量，将钢水成分按目 标值调整好( 除氮外) ，以保证 VD 工序吹氮增氮的 专一性． 因此，LF 精炼过程中选择高碱度( R = 4) 、低氧 化性和流动性良好的 CaO--SiO2--Al2O3--MgO 四元精 炼渣系，以提高成渣速度和精炼效果，造发泡白渣， 稳定精炼操作，尽可能脱除钢中夹杂． 3. 4 VD 精炼 利用 VD 承接 LF 炉钢水对其进行吹氮处理来 控制钢中的氮含量，既能满足钢水中氮的成分要求， 又替代氩气对钢水进行搅拌，满足了对钢水均匀化 和夹杂物上浮的要求． 氮可以以原子和化合物的形式溶解于钢中，钢 水吸氮是自发过程． 由氮的溶解热力学分析可知， 真空条件下钢液中氮的溶解度明显低于常压条件下 的溶解度，故设计 VD 工序通过吹 N2进行增氮在真 空处理完破空后进行． 钢液吸氮过程的反应级数受钢液氧位影响，低 ·60·

增刊1 高金涛等：BOF-LF-VD冶炼非调质N80钢工艺 61· 氧位条件下，氨在液相边界层的扩散是吸氨的控制 量分数，[N]。为钢中原始N的质量分数，[N]为钢 环节. 中实际N的质量分数 [N]-[N]o. 进行VD底吹增氨实验，钢液含N量的实测值 血-=a (6) 如图5(a)~(d)所示.可见，钢液中[N]随吹氮时 式中，k为综合速度常数，[N]为气泡表面N的质 间呈线性增加，终点[N]为0.009%~0.013%. 0.014 0.009) 0.012 0.008 芝0.010 0.007 三c.008 0.006 0.006 0.005 0.004L上上1上 -20246810121416 -20246810121416 时间min 时间/in 0.00954c A 0.090L(d 0.0085 0.0080 空075 0.0070 0.065 0.060 U.0055 .05o。。 20246810121416 -20246810121416 时f白/min 时i间min 图5钢液含N量随温度变化曲线 Fig.5 Curves of N content in molten steel with temperature 由钢水温度1575℃、氨平衡溶解度0.0327% 0.16F 和初始[N]均值0.005%确立边界条件，将实验数 02 据回归处理得到k=0.011min-1,带入式(6)建立 VD工序吹氨过程增氨动力学模型： 012 0.10 [N]IN]o 0.08 In- N-N叮 =0.011t (7) 兰0.02 端 依据非调质N80对钢液氨含量的需求，确定 0.(0 VD工序底吹增氨的工艺参数为：控制氨气流量为 0.05 " 120~200L·min-1,增氮处理时间20~30min,钢中 三0.00 2 [N]可达到0.009%~0.014%，能满足非调质N80 w 氨含量的要求 0 3.5工业实验结果及分析 1.0 0.5 按前述非调质N80油井管用钢冶炼工艺流程 0.0 4 和主要工艺控制要点进行了45炉工业实验，各工序 成分控制情况如图6所示.可见成品成分能满足非 0上 调质N80对目标成分的要求. 铁水预处理转护 图6工业实验各工序成分控制 4工业生产研究 Fig.6 Composition control during melting operating in industrial test 在前述实验室和工业实验研究的基础上，进行 25811t生产数据的统计结果表明：非调质N80的冶 了大规模工业生产研究，获得了良好的效果.取鞍 炼工艺稳定可行，化学成分、冶炼工艺设计合理，力 钢非调质N80油井管用钢连续冶炼340炉、共计 学性能和使用性能均满足油井管生产的特殊要求并 25811t的实测数据进行分析，如图7所示. 符合使用单位的标准，工艺控制水平已能满足非调 鞍钢非调质N80油井管用钢连续340炉、共计 质N80油井管的生产要求

增刊 1 高金涛等: BOF--LF--VD 冶炼非调质 N80 钢工艺 氧位条件下，氮在液相边界层的扩散是吸氮的控制 环节． ln ［N］eq －［N］0 ［N］eq －［N］ = kt ( 6) 式中，k 为综合速度常数，［N］eq为气泡表面 N 的质 量分数，［N］0为钢中原始 N 的质量分数，［N］为钢 中实际 N 的质量分数． 进行 VD 底吹增氮实验，钢液含 N 量的实测值 如图 5( a) ～ ( d) 所示． 可见，钢液中［N］随吹氮时 间呈线性增加，终点［N］为 0. 009% ～ 0. 013% ． 图 5 钢液含 N 量随温度变化曲线 Fig． 5 Curves of N content in molten steel with temperature 由钢水温度 1 575 ℃、氮平衡溶解度 0. 032 7% 和初始［N］均值 0. 005% 确立边界条件，将实验数 据回归处理得到 k = 0. 011 min － 1 ，带入式( 6) 建立 VD 工序吹氮过程增氮动力学模型: ln ［N］eq －［N］0 ［N］eq －［N］ = 0. 011t ( 7) 依据非调质 N80 对钢液氮含量的需求，确定 VD 工序底吹增氮的工艺参数为: 控制氮气流量为 120 ～ 200 L·min － 1 ，增氮处理时间 20 ～ 30 min，钢中 ［N］可达到 0. 009% ～ 0. 014% ，能满足非调质 N80 氮含量的要求． 3. 5 工业实验结果及分析 按前述非调质 N80 油井管用钢冶炼工艺流程 和主要工艺控制要点进行了 45 炉工业实验，各工序 成分控制情况如图 6 所示． 可见成品成分能满足非 调质 N80 对目标成分的要求． 4 工业生产研究 在前述实验室和工业实验研究的基础上，进行 了大规模工业生产研究，获得了良好的效果． 取鞍 钢非调质 N80 油井管用钢连续冶炼 340 炉、共计 25 811 t的实测数据进行分析，如图 7 所示． 鞍钢非调质 N80 油井管用钢连续 340 炉、共计 图 6 工业实验各工序成分控制 Fig． 6 Composition control during melting operating in industrial test 25 811 t 生产数据的统计结果表明: 非调质 N80 的冶 炼工艺稳定可行，化学成分、冶炼工艺设计合理，力 学性能和使用性能均满足油井管生产的特殊要求并 符合使用单位的标准，工艺控制水平已能满足非调 质 N80 油井管的生产要求． ·61·

·62· 北京科技大学学报 第33卷 1(00F 吹增氨动力学模型ln [N]-[N]o [N]-[N] =0.011t等关键 50 工艺技术要点 (4)45炉工业实验以及340炉连续生产实测 0 4,-15」 数据表明：非调质N80冶炼工艺稳定可行，化学成 30 分、冶炼工艺设计合理，力学性能和使用性能均满足 20 油井管生产的特殊要求并符合使用单位的标准. 0=10% 10上 参考文献 [1]Li X,Zhang Y,Zhang R X.Comprehensive analysis concerning 7(0上 domestic demand,production capacity and pricing of oil well 600 pipes.Steel Pipe,2000.29(1):10 (李欣，张毅，张汝忻.我国油井管需求量、生产能力及价格综 500 552<Ko<758M白 合分析.钢管，2000,29(1)：10) 900 [2]Bodyaev Y A,Nikolaev OA.Komiloy V L.et al.Evaluating the quality of new microalloy steel for large-diameter pipe.Steel 三800 Transl,2007,37(2):180 700 K.=689M1Pa [3]Krauss G.Deformation and fracture in martensitic carbon steels tempered at low temperatures.Metall Mater Trans A,2001,32 0 100 200 300 (4):861 试样号 [4]The American Petroleum Institute.API Spec 5CT/ISO11960:2004 图7非调质N80工业生产统计结果 Petroleum and Natural Gas Industries-Steel Pipes for Use as Cas- Fig.7 Industrial production statistic data of non-quenched and tem- ing or Tubing for Wells.Translated by Pipe Institution of China pered N80 steel National Petroleum Corporation.2005 (美国石油协会.API SPEC5CT/IS011960:2004石油天然气 5结论 工业一油井套管或油管用钢管.中国石油天然气集团公司 管材研究所译，2005) (1)基于API Spec5CT标准技术规范要求以 [5]Oil Tubular Goods Committee of Chinese Petroleum Society.SY/T 及非调质钢强韧机理、微合金化原理，提出V、N微 6194-2003 Petroleum and Natural Gas Industries-Steel Pipes for Use as Casing or Tubing for Wells.Beijing:Petroleum Industry 合金化取代常规的淬火和回火工艺，设计非调质 Press.2003 N80的化学成分为[C]0.26%~0.30%、[Si] (石油管材专业标准化委员会.SY/T6194一2003石油天然气 0.40%~0.60%、[Mn]1.50%~1.70%、[V] 工业标准一油气井套管或油管用钢管.北京：石油工业出版 0.10%~0.15%、[N]0.010%~0.015%、[P]≤ 社，2003) 0.022%以及[S]≤0.010%. [6]Ishikawa F.Takahashi T.The formation of intragranular ferrite plates in medium-earbon steels for hot-forging and its effect on the (2)按设计成分进行了20炉非调质N80冶炼 toughness.ISIJ Int.1995,35(9):1128 的实验室实验，所得铸件、轧材力学性能均满足API [7]Bodnar R.L.Applications of titanium nitride technology to steel Spec5CT标准要求，表层及皮下质量良好，无明显 products:symposium summary.Iron Steelmaker,1994,21(4): 19 缺陷. [8]Oikawa K,Ishida K,Nishizawa T.Effect of titanium addition on (3)以鞍钢现有设备和生产工艺为基础，设计 the formation and distribution of MnS inclusions in steel during so- 出符合氧气顶吹转炉大规模生产非调质80油井 lidification.IS/J Int,1997.37(4):332 管用钢的治炼工艺，对各工序冶炼成分的控制及工 [9]Ma Z T.Peisker D.Janke D.Grain refining of structural steels by dispersion of fine oxide particles.Steel Res,1999,70(4):178 艺控制要点进行了研究，确定了实际工况下氧气转 [10]Zajac S.Siwecki T.Hutchinson W B.et al.Strengthening 炉终点碳、氧和温度的对应关系lnao= mechanisms in vanadium microalloyed steels intended for long -3831.775/T-3.908-1.001ln[C],以及VD底 products.IS//Int.1999.38(10):1130

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 图 7 非调质 N80 工业生产统计结果 Fig． 7 Industrial production statistic data of non-quenched and tem￾pered N80 steel 5 结论 ( 1) 基于 API Spec 5CT 标准技术规范要求以 及非调质钢强韧机理、微合金化原理，提出 V、N 微 合金化取代常规的淬火和回火工艺，设计非调质 N80 的 化 学 成 分 为［C］ 0. 26% ～ 0. 30%、［Si］ 0. 40% ～ 0. 60%、［Mn］ 1. 50% ～ 1. 70%、［V］ 0. 10% ～ 0. 15%、［N］0. 010% ～ 0. 015%、［P］≤ 0. 022% 以及［S］≤0. 010% ． ( 2) 按设计成分进行了 20 炉非调质 N80 冶炼 的实验室实验，所得铸件、轧材力学性能均满足 API Spec 5CT 标准要求，表层及皮下质量良好，无明显 缺陷． ( 3) 以鞍钢现有设备和生产工艺为基础，设计 出符合氧气顶吹转炉大规模生产非调质 N80 油井 管用钢的冶炼工艺，对各工序冶炼成分的控制及工 艺控制要点进行了研究，确定了实际工况下氧气转 炉 终 点 碳、氧 和 温 度 的 对 应 关 系 lna［O］ = － 3 831. 775 /T － 3. 908 － 1. 001ln ［C］，以及 VD 底 吹增氮动力学模型 ln ［N］eq －［N］0 ［N］eq －［N］ = 0. 011t 等关键 工艺技术要点． ( 4) 45 炉工业实验以及 340 炉连续生产实测 数据表明: 非调质 N80 冶炼工艺稳定可行，化学成 分、冶炼工艺设计合理，力学性能和使用性能均满足 油井管生产的特殊要求并符合使用单位的标准． 参 考 文 献 ［1］ Li X，Zhang Y，Zhang R X． Comprehensive analysis concerning domestic demand，production capacity and pricing of oil well pipes． Steel Pipe，2000，29( 1) : 10 ( 李欣，张毅，张汝忻． 我国油井管需求量、生产能力及价格综 合分析． 钢管，2000，29( 1) : 10) ［2］ Bodyaev Y A，Nikolaev O A，Kornilov V L，et al． Evaluating the quality of new microalloy steel for large-diameter pipe． Steel Transl，2007，37( 2) : 180 ［3］ Krauss G． Deformation and fracture in martensitic carbon steels tempered at low temperatures． Metall Mater Trans A，2001，32 ( 4) : 861 ［4］ The American Petroleum Institute． API Spec 5CT /ISO11960: 2004 Petroleum and Natural Gas Industries—Steel Pipes for Use as Cas￾ing or Tubing for Wells． Translated by Pipe Institution of China National Petroleum Corporation，2005 ( 美国石油协会． API SPEC 5CT /ISO 11960: 2004 石油天然气 工业———油井套管或油管用钢管． 中国石油天然气集团公司 管材研究所译，2005) ［5］ Oil Tubular Goods Committee of Chinese Petroleum Society． SY/T 6194—2003 Petroleum and Natural Gas Industries—Steel Pipes for Use as Casing or Tubing for Wells． Beijing: Petroleum Industry Press，2003 ( 石油管材专业标准化委员会． SY/T 6194—2003 石油天然气 工业标准———油气井套管或油管用钢管． 北京: 石油工业出版 社，2003) ［6］ Ishikawa F，Takahashi T． The formation of intragranular ferrite plates in medium-carbon steels for hot-forging and its effect on the toughness． ISIJ Int，1995，35( 9) : 1128 ［7］ Bodnar R． L． Applications of titanium nitride technology to steel products: symposium summary． Iron Steelmaker，1994，21 ( 4) : 19 ［8］ Oikawa K，Ishida K，Nishizawa T． Effect of titanium addition on the formation and distribution of MnS inclusions in steel during so￾lidification． ISIJ Int，1997，37( 4) : 332 ［9］ Ma Z T，Peisker D，Janke D． Grain refining of structural steels by dispersion of fine oxide particles． Steel Res，1999，70( 4) : 178 ［10］ Zajac S，Siwecki T，Hutchinson W B，et al． Strengthening mechanisms in vanadium microalloyed steels intended for long products． ISIJ Int，1999，38( 10) : 1130 ·62·