技术领域
[0001] 本
发明属于高级别抗酸管线钢的
冶炼生产领域，涉及利用转炉炼钢和VD-LF-VD精炼准确控制钢中成分的冶炼工艺，该工艺既能大大减轻转炉脱
碳负担，降低
钢水氧化性和出钢
温度，延长转炉炉龄，又能充分发挥LF炉精炼
脱硫功效，VD
真空二次处理消除LF过程增碳的不利影响，减少强
脱氧剂加入量，降低钢中脱氧夹杂物，提高纯净度，炉次成分均匀，生产工艺稳定，可操作性强，满足抗酸（抗HIC和SCC）管线钢对低碳、低硫和高纯净度的成分控制要求。
背景技术
[0002] 管道输送是长距离输送石油、
天然气最经济、合理的运输方式，具有高效、经济、安全等特点。目前输送管道正向大口径、高压
力方向发展。管线钢在要求高强度的同时还要求具有高的低温止裂韧性和良好
焊接性。而且20世纪70年代以来，各国石油、天然气的开
发条件发生了明显变化，目前虽然天然气在输送前进行了
净化处理，但H2S及水的存在引起管道
腐蚀仍然不可避免。还有一些特殊油、气输送地区的管线钢也会发生腐蚀现象。因此近年来管线钢对抗腐蚀能力，特别是抗氢致裂纹（HIC）和硫化物
应力腐蚀（SCC）的要求越来越高。
[0003] 氢致裂纹(Hydrogen Induced Crack-HIC)是由腐蚀生成的氢
原子进入钢中，聚集在MnS与
母材的界面上，沿着碳、锰和磷偏析的异常组织扩展或沿着带状组织相界扩展，当氢原子结合成氢分子，产生较大压力，于是形成平行于
轧制面，沿轧制方向的裂纹。
[0004] 硫化物应力腐蚀(Stress Corrosion Cracking-SCC)是在H2S和CO2等腐蚀介质、
土壤和
地下水中各种酸离子的作用下，腐蚀生成的氢原子经钢材表面进入钢材内部，并逐步富集于应力集中区域，使钢材脆化并沿垂直于拉伸力方向扩展而开裂。
[0005] 具有高抗HIC和SCC能力的管线钢成分设计思想为低碳、低硫、低磷、适宜锰含量、微
合金化、高纯净度。同时结合热控轧控冷（TMCP）工艺，降低宏观偏析和带状组织，获得稳定的双相组织，保证管线钢具有优良的力学性能和抗酸腐蚀性能。
[0006] 碳是钢中传统的强化元素，也是最经济的元素强化元素。然而碳对钢的韧性、塑性、焊接性等有不利影响。并且随着碳含量的增加，HIC敏感性增加。当碳含量低于0.11%时管线钢可具有良好的焊接性。当碳含量超过0.05%时，将导致锰和磷的偏析加剧，当碳含量小于0.04%时，能有效防止HIC的产生。近代管线钢的发展过程是不断降低碳含量的过程，一般要求小于0.10%，对需要高韧性或抗酸（抗HIC和SCC）管线钢则采用碳小于0.06%的超低碳含量设计。钢水深
脱碳主要是利用真空精炼处理，靠钢水中的氧进行脱碳，通过降低[C]+[O]={CO}反应的CO气体分压，促进脱碳反应进行，生产低碳或超低
碳钢。钢水真空脱碳最主要的设备为RH真空循环精炼和VD真空搅拌精炼。VD精炼是一种应用广泛的真空精炼方式，同样具有良好的脱碳条件，国内外已有很多钢厂开始采用VD处理来生产极低碳或超低碳钢，而且已获得了很好的处理效果。
[0007] 硫是危害管线钢
质量的主要元素之一，它严重恶化管线钢的抗酸（抗HIC和SCC）性能。研究表明：随着钢水中硫含量增加，裂纹敏感性显著增加；只有当钢中硫<0.0012%时，HIC明显降低。另外，硫还导致管线钢
各向异性，在横向和厚度方向上韧性恶化。管线钢对硫含量的要求很苛刻，对于X60及以上级别抗酸管线钢，要满足制管后得到优良地抗酸（抗HIC和SCC）性能，钢中C<0.04%，同时钢中S<0.0010%。目前超深脱硫技术主要应用了系统控制的思想，从控制原辅材料中的硫含量着手，从
铁水预处理脱硫开始加强各个工序的脱硫，整体控制，分步实施，取得了很好的脱硫效果。铁水预脱硫是一种较经济、有效的脱硫方法，在工业生产中得到广泛的采用。转炉的脱硫能力相当有限。特别在铁水原始硫含量很低的情况下，由于入炉的造渣料、废钢及耐火材料等
炉料带入的硫，往往出现转炉过程回硫现象。因此、在转炉出钢后必须对钢水进行炉外脱硫。利用LF炉
电极加热、钢包底吹氩、造高
碱度渣进行深脱硫，成品硫含量可降低至0.0005%。
[0008] 为了满足抗酸管线钢对钢水成分的要求，目前国内各钢厂主要生产流程为铁水预处理-顶底复吹转炉冶炼-炉外精炼（LF精炼和RH或VD真空处理组合）-
连铸的一次真空精炼（只经过一次真空精炼）工艺过程。LF脱硫能力比较强，冶炼管线钢时脱硫率可达到70%~90%。但LF脱硫同时存在增碳矛盾。RH或VD真空精炼，具备脱碳、脱气等功效，但造成钢水温度降低。因此生产过程中钢水脱碳和脱硫及钢水保温存在矛盾和生产限制。例如LF-RH工艺，LF脱硫升温工艺在RH之前，而脱硫的必要条件是钢中氧要控制在非常低的水平，因此在转炉出钢和LF处理前期要加入脱氧剂对钢水进行深脱氧才能保证LF的深脱硫效果，这导致后续RH真空精炼氧脱碳时，钢中氧含量不足以将碳脱除至钢种要求的水平，只能通过向钢水中吹氧进行强制脱碳，之后再向钢中加入脱氧剂控制氧含量在规定的范围内。这不仅消耗了过多的脱氧剂，而且使钢中的夹杂物增多，去除难度加大。另外由于RH工序在后，要求LF炉终点时钢水温度较高，以保证RH精炼过程的温降，而且由于LF精炼过程不可避免地使钢水增碳，因此也要求转炉出钢时碳含量要脱至较低水平。而对于RH-LF工艺，由于LF精炼过程使钢水增碳，因此要求RH精炼过程要将钢水中碳含量脱至比较低的水平，才能保证成品钢水中碳含量控制在要求的范围内，RH处理过程难度加大，而且钢水温降也较大。为减小LF升温时间（LF电极加热过程越长，钢水增碳较多）就要求转炉出钢时温度更高，碳含量更低。LF-VD或VD-LF工艺也存在相同的问题。以上工艺都只有一次RH或VD真空精炼过程，即增加转炉冶炼负担、降低炉龄，钢水纯净度较差，同时对于LF和RH或VD真空精炼过程的要求也比较苛刻，即对整体
冶金工艺流程各各环节的原料、设备、操作水平的要求都比较高，钢中碳和硫含量同时达到低或超低水平的稳定生产难度较大。成品钢中碳、硫成分控制不稳定，抗酸（抗HIC和SCC）性能不能稳定达标。
[0009]
专利“一种采用VD+LF+VD工艺生产低碳、超低碳钢的方法（专利号：201010598281.7，公布日：2011.05.18）”提供了一种利用VD-LF-VD二次真空精炼生产低碳、超低碳钢的方法。在钢水成分控制上只进行低碳或超低碳的设计，没有对硫含量控制加以严格限定，因此无法完成高级别管线钢抗HIC和SCC成分设计要求。
发明内容
[0010] 为了解决上述问题，本发明的目的为了消除现有一次真空精炼（只经过一次真空精炼）的LF与RH配合或LF与VD配合工艺生产低碳低硫钢的不足，采用二次真空精炼（经过二次真空精炼）的VD-LF-VD工艺生产抗酸（抗HIC和SCC）管线钢的冶炼工艺，稳定生产，更好地满足抗酸管线钢对低碳、低硫和高纯净度的成分控制要求。
[0011] 本发明的技术方案是：一种VD-LF-VD精炼生产抗酸管线钢的工艺，该工艺的流程为：铁水预脱硫-转炉冶炼-VD真空脱碳-LF升温脱硫-VD再次真空脱碳-
钙处理-软吹-连铸-
热轧；具体步骤如下：铁水预脱硫：
高炉铁水首先经铁水预处理进行脱硫，根据各生产单位现有铁水预脱硫工艺设备，采用搅拌法或铁水包喷吹法脱硫，铁水预脱硫操作结束后，脱硫渣中富含硫，为避免铁水回硫，将渣扒除干净，铁水脱硫率达到90%，硫含量小于0.003%的入炉铁水，备用；
转炉冶炼：将步骤2得到的铁水加入到顶底复吹转炉进行冶炼，加入量占铁水总量的10~15%的低磷、低硫废钢，冶炼过程进行全程底部吹氩气，对钢水进行充分搅拌，转炉终点钢水的碳含量0.08%~0.12%，氧含量在0.06%~0.08%，磷含量≤0.008%，出钢温度
1630~1660℃，采用挡渣操作出钢，严格控制下渣量，以防止回磷；其中，挡渣造渣料成分包括石灰50~65kg/t和轻烧白
云石15~25kg/t，炉渣碱度为3.5~4.0；
第一次VD真空精炼脱碳脱氧：利用步骤2中转炉出钢后钢水中富余氧含量，通过抽真空降低[C]+[O]={CO}反应的CO气体分压，在真空压力小于100Pa，采用大的环流气体流量
1200~1400L/min进行真空循环，处理时间15min，终点时钢水碳含量为0.01%~0.03%；
LF炉精炼深脱硫：将上述步骤的钢水进行LF炉精炼，LF炉渣采用CaO-Al2O3-SiO2三元碱性渣系脱硫，碱度控制在4.0-6.0，渣中的FeO和MnO含量小于0.8%，采用电极埋弧加热，钢水加入LF炉后，提高钢包底部吹氩流量至400~600NL/ min，，处理时间为35~45min，LF炉精炼终点出钢时钢水硫含量在≤0.0008%，碳含量为0.03%~0.05%，钢水温度为
1620~1630℃；
第二次VD真空精炼脱碳脱气：将上述步骤的钢水进行VD真空精炼，在真空压力小于
100Pa，采用大的环流气体流量1200~1400L/min进行真空循环，处理时间20~25min，进行真空脱碳、脱气，得到碳含量为0.03%~0.04%，硫含量为≤0.0010%的钢水，经RH处理合格的钢水进行钙处理和软吹，软吹时间为12min以上，得到达到管线钢抗酸性能的成分要求的抗酸管线钢。
[0012] 按目标成分要求，利用此工艺流程生产，成品钢中碳含量可以稳定控制在0.03%~0.04%，同时硫含量可以稳定控制在≤0.0010%，满足抗酸（抗HIC和SCC）管线钢对低碳、低硫和高纯净度的成分控制要求。
[0013] 在钢水冶炼过程结束后，厂家可根据自身连铸设备和用户要求将钢水浇注成
铸坯（
板坯、薄板坯或圆坯），经控轧控冷（TMCP），生产组织和性能满足要求的抗酸（抗HIC和SCC）管线钢坯。
[0014] 本发明的特别之处在于：钢水经过VD-LF-VD的二次真空精炼过程，即经转炉冶炼钢水先进入VD进行真空搅拌精炼脱碳、脱氧；之后进行LF炉精炼脱硫；随后再一次进入VD进行真空搅拌精炼，由于第一次的VD真空精炼已经脱除了钢中绝大部分的碳，因此第二次VD真空精炼主要目的是脱除LF精炼过程碳的增量，同时脱气、去除夹杂物，最后进行浇铸。
[0015] 本发明的优点在于：利用VD-LF-VD的二次真空精炼工艺控制钢中成分，大大减轻转炉脱碳负担，降低钢水氧化性和出钢温度，提高炉龄；消除LF炉精炼过程增碳的不利影响，减轻了LF炉生产负担；减少强脱氧剂的使用，降低钢中非金属夹杂物含量；稳定全流程生产过程，保证钢水成分控制在生产目标以内，满足抗酸（抗HIC和SCC）管线钢对低碳、低硫和高纯净度的成分控制要求。
[0016] 高级别抗酸管线钢市场需求巨大，仅2012年中东地区规划抗酸X60~X65管线钢为30万吨。高级别抗酸管线钢生产难度大，市场价格高，抗酸管线钢比同级别普通管线钢市场价格高2000元每吨，VD-LF-VD工艺在稳定生产高级别抗酸管线钢工艺保证生产质量的前提下，多工序综合匹配，经生产实践，VD-LF-VD工艺生产成本在增加100元前提下，钢种生产成材率由单真空工艺的70%提高到90%以上，按照抗酸管线钢吨钢生产成本6500元计算，吨钢获得直接经济效益(6500/70%-6500/90%)-100=1964元。本发明工艺应用将实现经济效益和社会资源节约的双丰收。
[0017] 本发明工艺流程同时适合生产其它要求低碳（超低碳）同时低硫（超低硫）的钢种。
[0018] 本发明工艺生产管线管的工艺参数与单真空精炼工艺对比如下表。
[0019] 表1
具体实施方式
[0020] 下面结合具体
实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
[0021] 本发明一种VD-LF-VD精炼生产抗酸管线钢的工艺，该工艺的流程为：铁水预脱硫-转炉冶炼-VD真空脱碳-LF升温脱硫-VD再次真空脱碳-钙处理-软吹-连铸-热轧，具体步骤如下：铁水预脱硫：高炉铁水首先经铁水包喷吹法脱硫，脱硫剂为颗粒镁脱硫剂。颗粒镁喷
3
吹强度为8~12kg/min，用作粉剂输送的载气流量为120~150rn/h，根据铁水初始硫含量高低，金属镁消耗为0.4~0.8kg/t，渣量一般在7~17kg/t。处理周期小于22min，铁水温降为
13~20℃，铁水预脱硫操作结束后，脱硫渣中富含硫，为避免铁水回硫，必须将渣扒除干净，使铁水脱硫率达到90%左右，入炉铁水硫含量小于0.003%。
[0022] 转炉冶炼：采用顶底复吹转炉进行冶炼，整个冶炼过程进行全程底部吹氩气，对钢水进行充分搅拌，以便均匀钢水的成分和温度，转炉终点碳含量控制在0.08%~0.12%即可，氧含量在0.06%~0.08%，磷含量≤0.008%。考虑到LF精炼炉的电极埋弧加热钢水升温作用，转炉出钢温度可相对降低，转炉终点出钢
温度控制在1630~1660℃，提高转炉炉龄，防止钢水过氧化。出钢时采用挡渣操作，严格控制下渣量，以防止回磷。出钢时根据VD脱碳的需要，采用弱脱氧操作，使得氧含量和碳含量满足VD真空自然脱碳工艺需求。
[0023] 第一次VD真空精炼脱碳脱氧：VD脱碳脱氧工艺中，在大流量氩气搅拌条件下抽真空进行自然氧脱碳；通过降低[C]+[O]={CO}反应的CO气体分压，促进脱碳同时脱氧反应进行，达到终点时碳含量控制在0.01%左右。
[0024] LF炉精炼深脱硫：LF炉渣采用CaO-Al2O3-SiO2三元碱性渣系脱硫，渣中（FeO+MnO）小于0.8%。钢水到LF炉后，提高钢包底部吹氩流量至400~600NL/ min，LF炉电极埋弧加热，脱硫提高钢水纯净度，合金微调、温度调整。LF炉精炼终点钢水硫含量在≤0.0008%。由于在LF炉精炼过程钢水增碳，LF炉精炼终点碳含量控制在0.03%~0.05%。同时要求控制返回下一次VD精炼站的钢水温度为1620~1630℃，保证浇铸时钢水
过热度为15±5℃。
[0025] 第二次VD真空精炼脱碳脱气：由于LF炉精炼增碳，再利用VD抽高真空进行真空脱碳、脱气。VD真空精炼终点将钢水碳含量控制在0.03%~0.04%，同时硫含量控制在≤0.0010%，达到管线钢抗酸性能的成分要求。经VD处理合格的钢水可根据需要进行钙处理和软吹，软吹时间控制在12min以上。
[0026] 连铸：连铸过程要求全程保护浇铸。
[0027] 热轧：铸坯经控轧、控冷，生产组织和性能满足要求的抗酸管线钢坯。
[0028] 经铁水预脱硫-转炉冶炼-VD真空精炼-LF精炼-VD真空精炼-连铸-热轧工艺生产的抗酸管线钢，按目标成分要求，碳含量可以稳定控制在0.03%~0.04%，同时硫含量可以稳定控制在≤0.0010%，满足抗酸（抗HIC和SCC）管线钢对低碳、低硫和高纯净度的质量要求。
[0029] 实施实例：我国中原某钢厂应用本发明工艺流程冶炼抗酸（抗HIC和SCC）X65管线钢，具体流程：铁水预脱硫-转炉冶炼-VD精炼（脱碳脱氧）-LF精炼（升温脱硫）-VD精炼（脱碳脱气）-板坯连铸-热轧生产的25.2mm厚度抗酸X65管线钢，成品钢碳含量控制在<0.04%，硫含量小于0.0009%，钢板经轧制制管后完全达到抗酸检验要求。单真空(LF-VD)工艺与双真空(VD-LF-VD)工艺管线钢制管后取样质量对比见下表。
[0030] 表1
