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油套管钢是高技术含量、高附加值、高风险的冶金产品,对钢材的强度、韧性、焊接性能、抗氢致裂纹(HIC)、抗硫化物应力腐蚀断裂(SSCC)等性能有较高要求。这就对钢中的硫、氧、磷、氮、氢等杂质元素和夹非金属杂物的控制提出了严格的要求。目前攀钢集团攀枝花钢钒有限公司(以下简称攀钢)生产油套管钢过程中存在钙处理效果不稳定、钢水浇铸性能差和成品抗硫化物应力腐蚀性能不达标的问题。上述问题均与石油套管钢中的非金属夹杂物密切相关,因此,本文以BOF→LF→RH→CC流程生产的27CrMoV石油套管钢为对象,对不同钙处理工艺路线钢、精炼渣和夹杂物变化进行对比,并对钢中夹杂物的生成和控制机理、钙处理中间产物及夹杂物演变机理进行研究,在此基础上,提出改进措施,并在工业验证试验和批量生产中取得了理想效果。本文的主要创新点和工作如下：对三种钙处理工艺路线的钢、精炼渣和夹杂物进行分析,其中夹杂物的研究借助FactSage平衡模块和CaO-Al2O3-MgO-CaS四元相图,结果表明：三种路线钢中总氧、氮、钙、硫等成分含量控制较为理想,但保护浇铸仍存在问题,易发生二次氧化现象。精炼渣各成分变化相似,精炼渣碱度为8-27,曼内斯曼指数为0.38～0.96,熔化温度为1300～1375℃,主要物相为12CaO·7Al2O3。路线A中间包钢样中多为高CaS含量的Al2O3-CaO-CaS系、Al2O3-CaS系和CaO-CaS系固态夹杂物,易引起水口堵塞；路线B中包钢样中多为Al2O3-CaO-CaS和Al2O3-CaO-MgO-CaS系夹杂物,多数位于50%-100%液相区域之内；路线C中包钢样中除Al2O3-CaO-MgO-CaS系和Al2O3-CaO-CaS系夹杂物,还存在大量二次氧化生成的A1203和Al2O3-MgO系夹杂物。针对现存评价方法的局限性,提出一种以夹杂物改性指数评估钙处理改性夹杂物效果的方法,并据此确定最优钙处理工艺路线。针对攀钢生产27CrMoV石油套管钢的工艺特点和钢水成分,同时考虑活度二次相互作用系数和平衡元素的浓度变化对钢中氧化物夹杂的生成和控制机理进行热力学研究,并利用格缪尔吸附方程对氧硫复合夹杂物的生成机理进行研究,结果表明：[A1]s=0.05%,若要将夹杂物成分控制在12CaO·7Al2O3附近,则[Ca]=27×10-6, [Ca]/[Al]s=0.054。当MgOAl2O3活度为1,钢液中[A1]s=0.05%-0.07%时,溶解镁只要达到0.34×10-6和0.38×10-6,钢中便可生成MgOAl2O3尖晶石。当[A1]s=0.05%,[Mg]=4×10"6-8×10-6时,钢中[Ca]含量只要分别达到2.2×10-6和8.0×10-6,钢液中的MgOAl2O3便开始向CaOAl2O3转变。夹杂物观测结果同上述热力学计算结果较吻合。钙处理后钢液中的溶解钙对后续工序中二次氧化产物具有一定的改性作用,为了将二次氧化产物改性为液态,应降低二次氧化过程中的增氧量,并提高钢液中的溶解钙含量。硫含量为0.003%时,硫在12CaO·7Al2O3夹杂物表面的覆盖度达到90%以上,易生成CaS外壳,钢样中观测到的氧硫复合夹杂物多基于此机理生成。建立钙处理中间产物生成动力学模型,对钙处理中间产物CaS、CaO的生成机理进行研究,并详细阐述了钙处理中间产物对氧化物的改性机理。对精炼前期MgO-Al2O3系或高熔点的CaO-Al2O3系夹杂物的生成次序,尚未见文献报道的CaO-Al2O3-MgO(环状)系夹杂物的生成机理进行了研究。结果表明：在钙处理后的短时间内,根据不同的氧、硫含量会生成不同的中间产物,当钢中溶解氧为4×10-6时,临界硫含量为11×10-6。钙处理中间产物CaO、 CaS均可将氧化铝夹杂改性为液态钙铝酸盐夹杂物,不同的钙处理中间产物对氧化铝夹杂有着不同的改性机理。钙处理中间产物CaO对氧化物的改性速率快于CaS,且CaS、CaO对MgO·Al2O3夹杂物进行改性的难度低于对A1203的进行改性。精炼渣CaO/Al2O3=1.4为A1203生成MgO-Al2O3系或高熔点CaO-Al2O3系夹杂物的临界值。当钢液中的[Mg]含量较高时,[Mg]将夹杂物外围的CaO或A1203成分还原出来,形成CaO-Al2O3-MgO(环状)系夹杂物。精炼过程钢液中夹杂物的演变路径为：Al2O3→Al2O3-MgO系和高熔点Al2O3-CaO系夹杂物→Al2O2-CaO-MgO系或Al2O3-CaO系液态夹杂物→点块状或环状MgO、CaS为外壳,低熔点钙铝酸盐或钙镁铝酸盐为核心的复合夹杂物。改进和优化脱氧制度、造渣制度、钙处理工艺和连铸保护浇铸制度后,进行工业验证试验和批量生产,结果表明：试验炉次精炼过程脱硫脱氧效果较好,中间包中主要为Al2O3-MgO-CaO系、Al2O3-CaO-CaS系复合夹杂物,大多数位于50%-100%液相区域内,夹杂物改性指数大幅提高至0.77。工业生产中因水口堵塞造成的流次断浇率降至2.0%以下,单中间包连浇炉数由小于5炉提高到7-10炉。氧含量、氮含量、硫含量、非金属夹杂评级和耐硫化物应力腐蚀破裂等性能完全满足产品标准的要求。