超低溫LNG儲罐用鋼的煉鋼生產實踐

劉文飛，李超，趙雷，徐國義，馬寧，尹宏軍（鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司，遼寧營口115007）

超低溫LNG儲罐用鋼的煉鋼生產實踐

劉文飛，李超，趙雷，徐國義，馬寧，尹宏軍
（鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司，遼寧營口115007）

介紹了超低溫LNG儲罐用鋼的煉鋼生產實踐。采用轉爐雙渣、雙聯低溫冶煉脫磷技術實現了轉爐終點磷含量≤0.002 0%；鋼水扒渣與LF脫硫實現了硫含量≤0.001 0%；RH真空度≤200 Pa，循環時間30 min，使鋼中氮、氫含量分別控制在0.003 0%和0.000 1%以下；采用連鑄全程保護澆鑄工藝、鑄坯高溫矯直工藝以及鑄坯緩冷工藝，抑制了鑄坯表面和皮下裂紋的產生。

煉鋼；儲罐用鋼；鑄坯；缺陷

超低溫LNG（Liquefied Natural Gas）儲罐用鋼是一種可以在-196℃服役的鐵素體型結構材料［1］，是目前低溫韌性最好的實用材料之一。日本1999年之前就能生產厚度達50 mm的低Si/Nb比的超低溫儲罐用鋼寬厚板［2］。目前國內太鋼、武鋼、鞍鋼等都開始研發并試生產超低溫儲罐用鋼，盡管此類鋼種在國外已經普遍生產，但國內鋼廠在此類鋼種的生產中經常遇到轉爐終點深脫磷程度不夠、轉爐終點溫度控制過低、精煉工序回磷嚴重、LF爐處理增氮量過大以及鑄坯容易出現裂紋等問題，因此尚處在工業化生產的摸索階段。鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司經過一年多超低溫儲罐用鋼的生產，該鋼的各項技術經濟指標已經接近國際先進水平，本文對該鋼種的冶煉情況進行介紹，從而給我國生產此類鋼種提供參考。

1　生產工藝流程及化學成分

超低溫儲罐用鋼生產工藝流程：鐵水預處理脫硫→260 t復吹轉爐脫磷→260 t復吹轉爐脫碳→LF升溫→鋼水扒渣→LF脫硫→RH脫氣→連鑄→緩冷及修磨。該鋼化學成分見表1。

表1　超低溫儲罐用鋼

2　超低溫儲罐用鋼冶煉難題

2.1P、S、A1、N含量

P是導致鋼冷脆性元素，S對焊接不利，要防止P和其它元素在鐵素體晶界上偏聚造成晶粒間的強度提高，從而產生脆性；同時還要防止硫化物等有害夾雜降低鋼板韌性。由于鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司的鐵水為中磷鐵水，平均鐵水P含量為0.12%，S含量0.050%，為保證出鋼P 在0.003%左右，須進一步提高轉爐雙聯脫磷工藝的脫磷效率，采用LF爐鋼水深脫硫控磷技術控制鋼水回磷率。

由于該鋼種在轉爐需半鎮靜出鋼 （即控制爐后酸熔鋁不大于0.020%），且Si、Mn含量較高，使得合金化后的鋼水氧含量相對于其它半鎮靜鋼較低，另外，出鋼后進行鋼水扒渣，扒渣后鋼水渣層較薄，甚至有部分鋼水裸露，上述原因造成了轉爐出鋼過程中以及在LF爐處理過程中鋼液極易吸收N2。氮在鋼液中的溶解度遠高于其在室溫下的溶解度，如果鋼水吸氮過多，在低溫下呈現過飽和狀態。在鋼液凝固時，一部分以氣泡形式留在鑄坯內部，一部分呈彌散的固態氮化物析出，結果引起金屬晶格的扭曲并產生巨大的內應力，引起鋼的硬度、脆性增加，塑性韌性降低，在鑄坯矯直時容易產生裂紋等缺陷。因此，在冶煉、精煉和連鑄過程中必須采取有效的控氮措施。

當鋼中鋁的殘存含量超過0.026%時，脫氧產物可認為全部是熔點非常高的Al2O3，而Al2O3夾雜顆粒通常都在10～100 μm之間，其析出物容易造成局部應力集中而成為裂紋源，這對低溫韌性要求非常高的超低溫儲罐用鋼影響非常顯著，因此，精煉過程中必須精確控制鋁的加入量。

2.2鑄坯中心疏松、矯直裂紋與相變應力

超低溫儲罐用鋼在凝固過程中不易補縮，易形成孔洞和裂紋。超低溫儲罐用鋼脆化溫度區間為700～900℃，采用正常冷卻制度進行冷卻矯直時，鑄坯表面易產生裂紋。該鋼種對裂紋的敏感性非常高，如果不采用緩冷而直接空冷，鑄坯容易形成馬氏體和貝氏體，產生較大的相變應力，此種情況下板坯內部應力釋放不及時，鑄坯容易產生表面和皮下裂紋而報廢。

3　超低溫儲罐用鋼冶煉工藝

3.1P、S、Al、N的控制

3.1.1煉鋼工序

為了控制鋼水罐的回磷，要求生產此鋼種的鋼水罐無鋼底、渣底、側壁無粘渣鋼、吹氬管路無漏氣、使用次數5～20次、透氣磚不大于3次且在前5次內未生產加磷鐵鋼種。鐵水脫硫目標按0.001%設定，要求脫硫后S含量≤0.002%，脫硫后渣要徹底扒凈，以減輕LF工序脫硫的壓力。

轉爐煉鋼工藝采用雙渣、雙聯低溫冶煉脫磷技術，以最大限度脫磷。前半鋼的保碳深脫磷操作技術要求生產該鋼種的前兩爐不進行濺渣護爐，冶煉過程槍位 200～260 cm，吹氧流量47 000 m3/h，放渣前的白灰單耗按23 kg/t鋼加入，礦石等依照溫度富余情況加入。吹煉到5～6 min爐渣活躍時抬槍，抬槍后加入0.5 t礦石，然后放渣。放渣后的白灰單耗按10 kg/t鋼加入，并加入適量的礦石以及化渣劑，繼續吹煉至半鋼終點（約9 min）抬槍。吹煉的關鍵為冶煉過程爐渣不返干，半鋼終點溫度控制在1 350～1 400℃，終點碳控制在2.2%～2.4%。采用此技術后前半鋼的脫磷情況如圖1所示。由圖1可以看出，半鋼平均脫磷率達86.81%。

為了不影響后半鋼的脫磷，要求后半鋼兌鐵前兩爐不允許濺渣護爐且不能生產磷含量大于0.025%的鋼種。鎳板在后半鋼兌鐵后加入，依照成分中上限配加鎳板，避免后道工序補加鎳板。由于半鋼基本沒有硅、錳元素，且入爐的鐵水溫度為1 340～1 380℃，在加入100 kg/t鋼的鎳板情況下，如果依照正常冶煉工藝冶煉，當終點碳含量拉到0.02%～0.03%時，終點溫度基本都在1 530℃左右，達不到目標要求的出鋼溫度（1 600℃）。如果進行長時間的補吹，鋼水過氧化嚴重，后道工序脫氧后氧化物夾雜超標，鋼種的質量不合格，如果不進行長時間補吹，這勢必要求LF爐工序進行大幅度的升溫操作，從而極大的延長了總工序的處理時間，不僅限制了該鋼種的連澆罐數，而且鋼水氮含量以及夾雜物含量增加，鋼質的純凈度下降，質量風險增加。因此對該鋼種后半鋼的轉爐冶煉溫度制度進行優化，即在轉爐冶煉前期，根據入爐半鋼條件在冶煉前期，即吹煉的5 min內加入增碳劑 （依照0.30 kg/t鋼增碳劑增加終點溫度1℃計算）。采用半鋼碳化升溫技術后，轉爐終點出鋼溫度控制在1 580～1 620℃，出鋼碳控制在0.020%～0.030%。為了抑制回磷及增氮，出鋼前保證大罐吹氬1 min以上，出鋼過程全程吹氬，半鎮靜出鋼，所需合金在出鋼2 min以后加入，并且禁止出鋼前期及后期下渣。后半鋼的脫磷情況如圖2所示。由圖2可以看出，轉爐終點平均磷含量0.001 4%，平均脫磷率達90.22%。

3.1.2精煉工序

該鋼種進站鋼水的氧化性低，鋼水容易吸氮，特別是鋼中Als過高時會生成大量氮化鋁，從而導致鑄坯晶界脆化產生裂紋。另外，頂渣改質充分且Als含量過高時，也容易回磷。因此LF爐進行脫硫改質操作時，分批加料，精準控鋁，中流量底吹氬是LF爐處理過程中防鋼水增氮、回磷的關鍵。

鋼水在轉爐爐后出站后，如轉爐出鋼有下渣現象，在鋼渣粘度及鋼水溫度符合鋼水直接扒渣條件時，將鋼水罐直接吊至鋼水扒渣位進行鋼水扒渣。如果不符合則先入LF爐進行稠渣、加白灰操作，并適當升溫，但不允許進行頂渣改質。鋼水扒渣后，入LF工序進行鋼水脫硫處理。如轉爐出鋼無下渣現象，則不需要鋼水扒渣處理，鋼水進站后直接進行鋼水脫硫處理。在脫硫處理過程中，鋼包底吹氬流量以鋼水面不劇烈翻騰為標準，造渣材料不允許加電石、助熔渣等助熔材料，防止影響鋼種性能的其它元素例如硼等進入鋼水中。控制頂渣改質過程中Als的生成量確保在0.015%～0.020%，使鋼水既能實現深脫硫目標又能抑制Al2O3夾雜物的生成。

通過采用以上措施，LF爐將鋼中S脫到不大于0.001%，Als控制在0.015%～0.020%，N控制不大于0.003 5%，回磷量低于0.001 5%。

鋼中氫含量過高，鑄坯會產生氫致裂紋，導致軋后鋼板探傷不合，并且LF爐處理時間過長，鋼水有時增氮比較明顯，需要有后續的鋼水脫氮操作。利用RH既有脫氫功能，對于氮含量超過0.002 5%的鋼水又有脫氮功能的特點，通過RH深真空操作脫除鋼水中的氫和氮。由于該鋼種對磷成分要求非常嚴格，RH工序防止鋼水回磷也是RH工序處理的關鍵點，因此需要提前對真空室涮管（保證真空室內無殘渣）。同時，真空室首次使用，它的烘烤時間長，室內儲氧嚴重，處理過程中鋼水二次氧化嚴重，因此也不允許使用真空室首罐生產此類鋼種。該鋼種在RH真空精煉脫氣處理過程中，需真空度≤200 Pa，循環時間30 min，破空后，鋼水小流量底吹氬（保證鋼液面微動的流量）15～20 min。通過RH真空脫氣處理，鋼中N和H含量分別控制在0.003%和0.000 1%以下，鋼水回磷量控制在0.000 3%以內。

3.1.3連鑄工序

澆鑄全程控N、H，中包烘烤要求小火3 h以上，長水口與鋼包下水口連接處以及中間包頂部全部實施Ar封保護。通過這些措施，連鑄工序基本抑制了鋼水增氮、增氫。

通過上述各工序的控制，該鋼種的有害元素得到了有效的控制，其中P含量可穩定控制在0.003%以下，P、S、Al、N含量均符合鋼種的內控要求，滿足了該鋼種的純凈化要求。

3.2動態輕壓下及高溫矯直

由于該鋼在凝固過程中不易補縮，必須采用動態輕壓下以防止出現中心疏松和縮孔。為了避開此鋼種的脆化溫度區間，應在950℃以上進行高溫矯直。因此生產該鋼種時二冷水采用最弱的包晶鋼冷卻制度，并關閉5～8區的邊部冷卻水，避開脆化溫度區，實現高溫矯直。

高且恒定的拉速可促進中間包和結晶器內鋼液快速穩定循環，解決結晶器內鋼液面結殼問題。拉速控制在1.0～1.1 m/min，整澆次恒速澆鑄。

3.3鑄坯緩冷

為控制鑄坯表面和皮下裂紋，鑄坯拉出后應及時入緩冷坑緩冷。具體操作：鑄坯生產前將緩冷坑內溫度升到約350℃，鑄坯熱送軋線的緩冷坑，扣蓋對板坯緩冷，在250℃左右緩冷8 h，然后升溫到510℃左右緩冷50 h，再降至400℃保溫不小于16 h,抑制了鑄坯表面和皮下裂紋的產生。

4　超低溫儲罐用鋼鑄坯質量

4.1鑄坯表面質量

經表面噴丸處理的鑄坯見圖3所示。由圖3可以看出，鑄坯表面質量良好，沒有氧化鐵皮。

4.2軋材非金屬夾雜

截取兩批次鑄坯軋制鋼板的試樣共計6個，進行非金屬夾雜物的微觀檢查，結果見表2。

表2　軋材非金屬夾雜物檢驗結果　級

由表2可以看出，鋼板無粗系夾雜物，細系夾雜物中均為氧化物（B類）夾雜，最大級別1.0級，單顆粒氧化物（Ds類）夾雜最大級別1.0級，符合國際超低溫儲罐用鋼的要求。

5　結論

（1）采用轉爐雙渣、雙聯低溫冶煉脫磷技術、LF爐精準控［Als］、深脫硫技術、RH真空脫氣以及連鑄全保護澆注，實現了該鋼種成品平均磷含量0.002 8%，平均硫含量0.001%，平均氮含量0.002 9%，氫含量0.000 12%。

（2）采用動態輕壓下、高溫矯直以及鑄坯緩冷技術，有效控制了超低溫儲罐用鋼連鑄坯的表面和皮下裂紋缺陷，鑄坯質量合格率達到了100%，并且實現了連鑄批量生產。

［1］張弗天，樓志飛.Ni9鋼的顯微組織在變形一斷裂過程中的行為［J］.金屬學報，1994，30（6）:239～246.

［2］Takahiro Kubo，Akio Ohmori，Osamu Tanigawa.Proerties of High Toughness 9%Ni Heavy Section Steel Plate and It's Applicablity to 200000Kl LNG Storage Tanks［J］.Kawasaki Steel Technical Report，1999（40）：72～79.

（編輯 許營）

Production Practice of Smelting Ultra-low Temperature Steel for Liquefied Natural Gas Tank

Liu Wenfei，Li Chao，Zhao Lei，Xu Guoyi，Ma Ning，Yin Hongjun
（Bayuquan Iron&Steel Subsidiary Co.of Angang Steel Co.,Ltd.,Yingkou 115007,Liaoning,China）

The production practice of smelting ultra-low temperature steel for liquefied natural gas tank is described.The content of phosphorus in molten steel at the end point of steelmaking in converter is controlled under 0.002 0%based on the converter duplex slag technique and duplex steelmaking technique for dephosphorization at low temperature.The content of sulphur is controlled under 0.001 0%by removing the slag from molten steel and desulfurization in LF.And the content of nitrogen and hydrogen in molten steel is controlled under 0.003 0%and 0.000 1% respectively by adjusting vacuum degree up to 200 Pa and recycling time 30 minutes.For the whole procedures of casting molten steel,technologies including the protective casting process,the straightening process for strands at high temperature and slow cooling process for strands are used so that both surface cracks and subsurface cracks of a strand are controlled.

steelmaking;tank steel;slab;defect

TF703

A

1006-4613（2015）01-0041-04

劉文飛，工程師，2000年畢業于昆明理工大學鋼鐵冶金專業。E-mail: chunxiaoning@163.com

2014-09-25