电炉连铸短流程生产油井管坯钢的方法 【技术领域】
本发明属于钢铁冶炼领域，涉及电炉连铸短流程工艺生产油井管坯钢的集成技术。
技术背景
圆管坯钢的生产有两条途径，一是用连铸坯经轧机轧制成圆坯；另一种是直接由连铸机生产圆管坯。由于连铸圆管坯生产无缝钢管可以大大提高钢水收得率，并且能够节约能源，因此，发展圆管坯连铸是以后发展趋势。
1991～2001年10年间，无缝钢管消费量由350万吨增加到509力吨，2001～2004年的四年间，无缝钢管消费量由509万吨增加到902万吨，估计2008年我国无缝钢管消费量约在1200万吨以上。
采用电弧炉冶炼、LF炉外精炼、VD真空处理、全保护浇注连铸圆管坯、轧制成管材，被认为是当今国际先进的无缝钢管生产工艺短流程，采用此工艺流程可以生产诸如石油专用管、高压锅炉管、高中低合金管等。
方圆坯兼用连铸工艺技术现在已经很成熟，国内有很多厂家使用此种模式，主要用于生产直径为180毫米、230毫米、270毫米、300毫米和350毫米的圆坯，也可以生产280毫米×325毫米等断面尺寸的大方坯。方圆坯兼用连铸机是目前世界上方坯连铸机和圆坯连铸机的一个发展方向。
但以上生产工艺均没有将方圆坯兼用连铸机生产油井管坯钢技术集成，应用不全面，因此，油井管坯钢生产水平还有待于进一步提高。
中国专利申请200810303506.4公开号CN101333579A提供一种核电用管坯钢的生产方法，主要涉及一种核电用WB36CN1管坯钢的生产方法，具体工艺流程为转炉冶炼、LF精炼炉精炼、圆坯连铸机浇铸、铸坯表面检查、铸坯表面喷砂、电渣重熔钢锭、钢锭缓冷，制得的管坯钢的化学成分按重量百分比计：0.08％≤C≤0.19％，0.21％≤Si≤0.54％，0.75％≤Mn≤1.25％，0＜P≤0.020％，0＜S≤0.006％，0.14％≤Cr≤0.35％，0.95％≤Ni≤1.35％，0.45％≤Cu≤0.85％，0.20％≤Mo≤0.45％，0.010％≤Nb≤0.030％，0＜N≤0.021％，0＜Al≤0.055％，Fe为余量，管坯钢成品纯净度高、性能稳定。该方法使用的是转炉冶炼和圆坯连铸机浇铸。未涉及电炉冶炼和方圆坯兼用连铸机，并且所得产品也非油井管坯钢。
发明内容：
针对现有技术的不足，本发明提供一种电炉连铸短流程生产油井管坯钢的方法。
术语说明
UHP：超高功率电弧炉冶炼，
EBT：偏心炉底出钢，
LF：钢包精炼炉，
VD：真空脱气精炼炉，
3机3流：含义为同一台连铸机具有3个机组又分别浇注3根铸坯，
R11米：铸机基本圆弧半径为11米。
发明概述：
本发明采用电弧炉冶炼、LF炉外精炼、VD真空处理、连铸短流程集成技术生产油井管坯钢，解决连铸油井管坯钢表面质量及内部质量问题，满足油井用管坯轧管质量要求，并节能降耗、缩短圆管坯生产周期、提高金属收得率。
本发明生产油井管坯钢集成技术包括以下内容：
1、采用超高功率电弧炉冶炼(偏心炉底出钢)、LF精炼、VD真空精炼处理、方圆坯连铸机短流程生产工艺。
2、连铸机方圆坯共线生产。
3、快换结晶器总成。
4、结晶器液压非正弦振动。
5、中间包连续测温技术。
6、结晶器电磁搅拌和凝固末端电磁搅拌技术。
7、二次冷却系统动态控制气-雾冷却。
8、二冷段快速更换技术。
9、二冷区轴承集中油气润滑冷却。
10、无氧化全程保护浇注技术。
11、大容量T型中间包技术。
12、专用连铸中间包空心颗粒无碳覆盖剂。
13、结晶器液位自动控制。
14、专用圆管坯结晶器保护渣。
15、快速更换中间包及异钢种连浇。
16、连铸坯自动打号技术。
本发明生产油井管坯钢方法适用于各种管坯钢，管坯钢的化学成分均按现有技术。
发明详述：
一种电炉连铸短流程生产油井管坯钢的方法，包括电弧炉冶炼、LF炉外精炼、VD真空处理、全保护浇注连铸圆管坯。其特征在于，钢水从钢包注入中间包及从中间包到结晶器的整个浇注过程，均采用密封保护无氧化浇注；二次冷却采用动态气-雾冷却方式；采用方圆坯兼用连铸机，方坯、圆坯交替生产时，仅更换结晶器总成和二冷一段、二冷二段及二冷三段喷嘴，引锭杆本体不动，只更换头部杆。所述的结晶器总成中结晶器铜管锥度为抛物线，保证了铸坯坯壳和铜管的良好接触，使得管坯在结晶器长度方向上热传导均匀，并在结晶器出口处有足够的坯壳厚度。结晶器下带有足辊冷却段，该冷却段为全水喷淋强制冷却。圆坯结晶器采用弧形铜管式结晶器，在结晶器上装有结晶器钢水液位检测装置，采用不锈钢水套，保证水缝均匀；足辊及足辊架均采用不锈钢材质，优选采用可拆装结构。
所述的结晶器采用液压非正弦振动，振幅0毫米～±5毫米，振动频率40次/分钟～360次/分钟，非正弦波最大偏斜率40％。
为适应多品种，高质量铸坯的生产条件，结晶器采用液压非正弦振动系统，结晶器液压振动系统采取两个振动单元，结构简单可靠；采用成熟可靠的进口液压缸和相关控制元件，系统稳定性高；采用高精度的预应力板簧导向，使各方向的偏差小于0.1毫米；采用独立的结晶器液压振动液压站，抗干扰性好；连铸坯表面振痕明显减轻，振痕均匀；可在线自动调整振幅、波形，实现正弦和非正弦振动；满足不同钢种的连铸工艺要求。
下面是本发明方法的优选技术方案：
大容量T型中间包技术
本发明方法中，中间包为T型并设置挡渣墙，中间包工作液位750毫米，容量20吨，溢流液位800毫米。
中间包设计成T型结构，并设置挡渣墙，可将钢水注入区与浇注工作区分开，既保证了浇注工作区的液面稳定，又避免了钢液卷渣。增大中间包容量使钢液在中间包内有较长的停留时间，从而有利于夹杂物的充分上浮。增加中间包深度，降低了旋涡的产生，改善铸坯超声波探伤缺陷。中间包工作液位750毫米，容量20吨，溢流液位800毫米。采用大容量中间包，换钢包时可以不减拉速，保证浇注稳定，钢包容积大可以减少钢水散热，稳定浇注温度。
中间包连续测温技术
为了LF和VD精炼炉准确控制中间包钢液温度，本发明采用中间包钢液连续测温技术，连续测温和手动铂铑热电偶相比，误差控制在±3℃。
快速更换中间包及异钢种连浇技术
在多炉浇注或异钢种连浇时，需要经常更换中间包，应用快速更换中间包技术，可以节省由于换中间包而引起的重装引锭杆所需时间及浇注前准备时间，提高了铸机作业率及连铸坯收得率。
结晶器电磁搅拌技术
所述的结晶器电磁搅拌器配置为外置式结晶器电磁搅拌器，电磁搅拌器的搅拌区域位于结晶器下部与足辊之间。其优点是安装位置离结晶器中钢液弯月面足够远，不会因强烈的搅拌引起弯月面大的波动。同时能够搅拌钢水、碎晶，增加等轴晶率，加快热交换，均匀结晶器内的钢水温度，减少缩孔，同时有效的减少中心偏析，改善铸坯中心质量的作用。
凝固末端电磁搅拌技术
根据中间包钢水过热度和拉坯速度及冷却强度，计算钢坯液相穴深度，确定末端电磁搅拌器的位置。将末端电磁搅拌器安装在液相穴长度的末端，此处已是凝固末期，钢液过热度消失，处于糊状区；由于偏析作用，糊状区液体富集溶质浓度较高，易形成较严重的中心偏析。采用末端电磁搅拌器，通过搅拌作用，使液相穴末端区域富集的溶质液体分散在周围区域，降低连铸坯中心偏析，减少中心疏松和缩孔，改善铸坯中心质量。
结晶器液位自动控制技术
本发明所采用的结晶器液位检测装置是利用铯137放射元素发出的射线检测结晶器钢水液位，并通过控制系统对结晶器钢水液位进行自动控制。控制精度高，液面波动小，保证连铸机稳定浇注，改善铸坯质量。
无氧化全程保护浇注技术
钢水从钢包注入中间包及从中间包到结晶器的整个浇注过程，如果没有密封保护就会使钢液发生二次氧化，使钢水质量发生变化。因此本发明采用无氧化浇注技术，步骤如下：
首先，钢包加盖并在钢水上加覆盖剂以防止钢包内钢液散热及表面钢液氧化。从钢包到中间包的钢流用长水口保护，并吹氩密封，使钢水与大气隔绝，防止氧化。中间包的钢水采用专用连铸中间包空心颗粒无碳覆盖剂，防止中间包钢水散热及表面氧化。在中间包与结晶器之间采用浸入式水口，结晶器选择专用保护渣，防止钢水从中间包注入结晶器过程中的氧化及结晶器内钢液氧化，保证连铸坯质量。所述结晶器专用保护渣均为公知产品，可市场购买。
二次冷却系统动态控制气-雾冷却技术
本发明的方法，在二次冷却中采用动态控制气-雾冷却方式，保证铸坯进拉矫机前温度大于950℃，二次冷却区域采用弱冷方式，以确保铸坯表面回温控制在不超过80℃。
所述二次冷却区域分成6个区：足辊0区、二冷一段1区、二冷一段2区、二冷二段3区、二冷二段4区、二冷三段5区，采用动态控制气-雾冷却配水。根据不同的钢种，断面尺寸和其他工艺参数，根据热传导理论编制的凝固数学控制模型计算出二次冷却水量要求，根据现场采集到的工艺参数进行实时计算、控制，同时根据采集到的实际拉坯速度对配水量进行补偿和修正，动态地计算出最佳的冷却水水量，保证铸坯进拉矫机前温度大于950℃，从而提高了铸坯的内部质量及自动化控制程度。气-雾冷却方式，冷却均匀，效果好，效率高，水量调节范围大，而且便于采用动态控制。
按照钢种和拉速的不同，确定各区配水量，通过专门的计算方法对各冷却区冷却参数进行自动调节，以使不同的冷却区之间热传导基本达到平衡并使铸坯到达拉矫区域时有适当地表面温度。为确保在冷却过程中不至于因热应力而产生裂纹，整个二次冷却区域采用弱冷方式，以确保铸坯表面回温控制在不超过80℃的范围。
二冷段快速更换技术
本发明方法中所述的二冷一段、二冷二段设为可从振动框架中快速吊出，便于更换、维修。采用线外分段精确对弧，在线整体吊装，保证对弧安装精度。浇注不同的断面，更换二冷一段，二冷二段仅更换喷淋管和气雾喷嘴型号，二冷三段更换气雾喷嘴型号。
二冷区轴承集中油气润滑冷却技术
本发明方法中，二次冷却区域所有支撑辊均采用滚动轴承，滚动轴承全部采用集中油气润滑冷却，以确保二冷段辊子转动。
连铸坯自动打号技术
传统的铸坯标识方式为人工用漆描号，缺点就是对环境有污染，描号不清，易产生混钢现象；本发明采用自动打号技术，打印深度为1～3mm，标记清晰、可靠，不易脱落，避免混钢，利于数据存储，以便查询、分析，且无污染。
本发明还采用圆管坯无损探伤检验技术。
本发明的方法可实现电炉连铸短流程生产油井管坯钢无缺陷生产，解决连铸油井管坯钢表面质量及内部质量问题，满足油井用管轧管质量要求。节能降耗、缩短圆管坯生产周期、提高金属收得率，具有很好的应用前景。
【附图说明】
图1是大容量T型中间包的结构示意图。其中：1、稳流区；2、流钢口；3、溢渣槽；4、受钢区；5、挡渣墙；6、中间包包衬；7、中间包水口。
图2是结晶器总成示意图。其中：11、结晶器进水管；12、结晶器液位检测装置；13、结晶器铜管(锥度为抛物线)；14、结晶器水套；15、足辊；16、环形喷淋架；17、外置式结晶器电磁搅拌器(电磁搅拌器的搅拌区域位于结晶器下部与足辊之间)。
图3直径280毫米20钢圆坯低倍组织(1×)照片。
图4直径280毫米45钢圆坯低倍组织(1×)照片。
【具体实施方式】
以下通过实施例并结合附图对本发明电炉连铸短流程生产油井管坯钢集成技术进行进一步的说明，但本发明并不局限于此，比如管坯钢的化学成分可按现有技术根据实际需要加以调整确定。实施例中使用的结晶器液压振动系统由中冶连铸包头北雷公司制造，振幅0毫米～±5毫米，振动频率40次/分钟～360次/分钟，非正弦波最大偏斜率40％。
实施例：莱芜钢铁集团公司特殊钢厂利用3机3流R11米方圆坯连铸机生产Φ280毫米圆管坯
1、生产工艺流程：
连铸生产直径280毫米管坯钢采用的工艺流程为：原料(废钢、铁水等)→50吨UHP(EBT)→50吨LF→60吨VD→3机3流R11米方圆坯连铸机→直径280毫米管坯钢→精整→检验→判定→入库。
2、管坯钢的化学成分为：
Φ280毫米20管坯钢的化学成分按重量百分比计主要含：0.17％≤C≤0.23％，0.17％≤Si≤0.37％，0.35％≤Mn≤0.65％，0＜P≤0.30％，0＜S≤0.30％，0≤Cr≤0.25％，0≤Ni≤0.30％，0≤Cu≤0.20％，余量为Fe等成分。
3、连铸机主要工艺技术参数
连铸机类型：方圆坯共用全弧型连铸机
铸机流数：3机3流
铸机基本圆弧半径：R1100mm、R11004.5mm
结晶器振动方式：液压振动，正弦、非正弦
矫直点数：四机架三点矫直
矫直半径：方坯R11000mm、R16000mm、R32000mm、
圆坯R11004.5mm、R16004.5mm、R32004.5mm
液面检测系统：Cs-137结晶器液面自动控制装置
液面自动控制系统：数控电动缸
拉矫机：4架、3点矫直
引锭杆类型：柔性链式
二冷方式及自动配水：二冷段气雾冷却及自动配水
浇注方式：全过程保护浇注(长水口+塞棒+浸入式水口+保护渣)
电磁搅拌：外置式结晶器+凝固末端组合电磁搅拌技术(M+F-EMS)
钢液测温：中间包钢液连续测温技术
结晶器到各矫直点距离：14.7m、17.63m、20.14m
结晶器到铸坯切割机距离：32.7m
铸坯最大凝固长度：29.7m
流间距：1.60m。
4、制备方法
电炉连铸短流程生产油井管坯钢的方法，包括电弧炉冶炼、LF炉外精炼、VD真空处理、全保护浇注连铸圆管坯。采用方圆坯兼用连铸机，方坯、圆坯交替生产时，仅更换结晶器总成(如图2所示)和二冷一段、二冷二段及二冷三段喷嘴，引锭杆本体不动，只更换头部杆。所述的结晶器总成中结晶器铜管13锥度为抛物线，结晶器下带有足辊15冷却段，该冷却段有环形喷淋架16为全水喷淋强制冷却。圆坯结晶器采用弧形铜管式结晶器，在结晶器上装有结晶器钢水液位检测装置12，所采用的结晶器液位检测装置12是利用铯137放射元素发出的射线检测结晶器钢水液位，并通过控制系统对结晶器钢水液位进行自动控制。采用不锈钢结晶器水套14，保证水缝均匀；足辊及足辊架均采用不锈钢材质，为可拆装结构。所述的结晶器配置外置式结晶器电磁搅拌器17，电磁搅拌器的搅拌区域位于结晶器下部与足辊之间，末端电磁搅拌器安装在二冷区末端液相穴长度的末端。所述的结晶器采用液压非正弦振动，振幅0毫米～±5毫米，振动频率40次/分钟～360次/分钟，非正弦波最大偏斜率40％。
所用中间包为大容量T型中间包(如图1所示)，在稳流区1和受钢区4之间设置有挡渣墙5，将钢水注入区与浇注工作区分开，中间包工作液位750毫米，容量20吨，溢流液位800毫米。采用中间包钢液连续测温技术，连续测温和手动铂铑热电偶相比，误差控制在±3℃。
钢水从钢包注入中间包及从中间包到结晶器的整个浇注过程，均采用密封保护无氧化浇注技术，步骤如下：首先，钢包加盖并在钢水上加覆盖剂以防止钢包内钢液散热及表面钢液氧化。从钢包到中间包的钢流用长水口保护，并吹氩密封，使钢水与大气隔绝，防止氧化。中间包的钢水采用覆盖剂，防止中间包钢水散热及表面氧化。在中间包与结晶器之间采用浸入式水口，结晶器选择专用保护渣，防止钢水从中间包注入结晶器过程中的氧化及结晶器内钢液氧化，保证连铸坯质量。
在二次冷却中采用动态控制气-雾冷却方式，保证铸坯进拉矫机前温度大于950℃，二次冷却区域采用弱冷方式，以确保铸坯表面回温控制在不超过80℃。所述二次冷却区域分成6个区：足辊0区、二冷一段1区、二冷一段2区、二冷二段3区、二冷二段4区、二冷三段5区，采用动态控制气-雾冷却配水。二次冷却区域所有支撑辊均采用滚动轴承，滚动轴承全部采用集中油气润滑冷却。二冷一段和二冷二段设为可从振动框架中吊出的结构，浇注不同的断面，更换二冷一段，二冷二段仅更换喷淋管和气雾喷嘴型号，二冷三段更换气雾喷嘴型号。
其他技术参数如前面3连铸机主要工艺技术参数。
生产的产品采用连铸坯自动打号技术，号码打印深度为1～3mm。
5、圆管坯质量
对于本实施例制得的圆管坯进行性能测试，结果如下。
5.1表面质量
圆坯表面质量控制较好，未发现结疤、气孔、针孔、重皮、裂纹、凹坑、划痕等缺陷，圆坯表面振痕宽度窄，深度浅。
5.2铸坯外形尺寸
连铸坯外形尺寸、弯曲度检验结果均满足标注要求。通过对铸坯的分析发现：当铸坯表面有明显的压痕时，不圆度较大；没有压痕时，不圆度较小，说明辊压是圆钢产生不圆度的重要因素。20钢不圆度统计如表1。
表1 20钢不圆度统计 mm
注：长轴指平行于水平面的轴，短轴指垂直于水平面的轴
5.3低倍检验
对连铸圆坯低倍试样进行检验，铸坯检验结果表明，圆坯的横向酸浸低倍组织试片未发现缩孔、裂纹、气泡、夹杂、翻皮及晶间裂纹等缺陷；酸浸低倍组织一般疏松≤1.5级，一般点状偏析和边缘点状偏析均≤0.5级，残余缩孔≤2.0级，中心疏松≤2.0级，没有发现皮下裂纹、中间裂纹和中心裂纹，所有缺陷均在允许范围之内，直径280毫米20管坯钢坯钢连铸坯酸浸低倍组织如图3。
直径280毫米45管坯钢坯钢连铸坯酸浸低倍组织如图4所示。