高級(jí)別管線鋼鈦脫氧產(chǎn)物解析及針狀鐵素體形核機(jī)理研究.pdf

1、隨著管線鋼的強(qiáng)度和韌性的不斷提高，高級(jí)別管線鋼的焊接性能已經(jīng)成為管線鋼質(zhì)量好壞的重要判據(jù)。自新日鐵研究人員提出氧化物冶金概念以來(lái)，有關(guān)鈦的脫氧產(chǎn)物就受到了冶金和材料學(xué)術(shù)界的重點(diǎn)關(guān)注和廣泛研究。對(duì)夾雜物誘發(fā)的IGF能使HAZ保持良好的韌性和較高的強(qiáng)度，從而提高鋼材的可焊性已形成共識(shí)。但目前氧化物冶金的機(jī)理并未得到統(tǒng)一，學(xué)術(shù)觀點(diǎn)各異，對(duì)鈦氧化物的物相組成（主要是TiO，TiO，Ti2O3和Ti3O5）也存在較大爭(zhēng)議。由于這一技術(shù)由新日鐵等少

2、數(shù)廠家壟斷，有關(guān)氧化物冶金技術(shù)的機(jī)理及其工藝開(kāi)發(fā)進(jìn)展比較緩慢。為盡快推動(dòng)這一技術(shù)實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用，就必須對(duì)脫氧工藝和脫氧產(chǎn)物進(jìn)行全面認(rèn)識(shí)，從而在基本掌握IGF形成規(guī)律基礎(chǔ)上進(jìn)行精確的冶煉過(guò)程控制。 本文在調(diào)研大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)針對(duì)應(yīng)用氧化物冶金的高級(jí)別管線鋼脫氧工藝控制和脫氧產(chǎn)物析出的熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)計(jì)算，在實(shí)驗(yàn)室條件下開(kāi)展了高級(jí)別管線鋼的冶煉工作，對(duì)高級(jí)別管線鋼的脫氧工藝和氧位控制；真空下耐火材料分解向鋼液增氧的規(guī)律；有利于IG

3、F形成的Ti2O3析出的熱力學(xué)條件和動(dòng)力學(xué)因素：鈦脫氧產(chǎn)物的大小、成分，形貌、內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及物相組成；鈦脫氧產(chǎn)物對(duì)凝固組織的影響；氧化物冶金機(jī)理以及微米級(jí)夾雜物的研究方法等方面進(jìn)行了深入細(xì)致的研究和探討。 通過(guò)鈦氧化物析出的熱力學(xué)計(jì)算，在一定條件下鈦的氧化物中Ti2O3總能比其它鈦氧化物優(yōu)先析出，控制氧含量小于0.002％更有利于鈦的氧化物以Ti2O3顆粒的形式析出；通過(guò)對(duì)高級(jí)別管線鋼鈦鋁競(jìng)爭(zhēng)脫氧的理論分析，確定了實(shí)驗(yàn)室采用無(wú)鋁脫

4、氧的工藝路線，即采用真空碳脫氧再用鈦終脫氧的脫氧工藝；通過(guò)計(jì)算在煉鋼溫度和固液兩相區(qū)內(nèi)Ti2O3和TiN的競(jìng)爭(zhēng)析出表明，在不同鈦含量情況下，只要控制鋼液中初始氮含量小于0.003％，Ti2O3總比TiN優(yōu)先析出；通過(guò)建立的鈦脫氧產(chǎn)物析出的動(dòng)力學(xué)模型研究表明，要生成細(xì)小的Ti2O3夾雜，必須首先控制鋼液凝固過(guò)程中有較高的冷卻速率的基礎(chǔ)上，應(yīng)適當(dāng)控制好鋼液中的氧含量。 通過(guò)對(duì)真空碳脫氧熔煉鋼液時(shí)，MgO爐襯與CaO爐襯熱分解向鋼液供

5、氧的理論研究表明，當(dāng)鋼液中實(shí)際氧含量高于與爐襯分解反應(yīng)平衡時(shí)鋼液氧含量時(shí)，爐襯不向鋼液供氧，反之，則向鋼液供氧，相比之下，CaO爐襯的穩(wěn)定性更強(qiáng)；在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展了真空碳脫氧的實(shí)驗(yàn)研究，在CaO坩堝內(nèi)，在滿足高級(jí)別管線鋼C含量要求情況下（0.04％～0.06％），能夠?qū)撘褐械难鹾拷档?.001％～0.002％左右；通過(guò)在金相試樣和小樣電解萃取的凝固析出的鈦脫氧產(chǎn)物外部形貌觀察，凝固析出的鈦脫氧產(chǎn)物主要是Ti-O-Mn-S系形成的尺寸為1

6、～2μm球形復(fù)合夾雜物；通過(guò)夾雜物顆粒分布統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，鋼中夾雜物的數(shù)目是隨著氧含量的降低而減少，但平均尺寸卻隨著氧含量的降低是先減小后增大；通過(guò)對(duì)凝固析出的超細(xì)夾雜物的內(nèi)部形貌、結(jié)構(gòu)和物相組成的SEM+EDS+EBSD研究表明，控制氧含量在50ppm以下，夾雜物的物相組成都是有利于針狀鐵素體形核的Ti2O3和凝固過(guò)程中以Ti2O3為形核核心的MnS，并通過(guò)透射電鏡下選區(qū)電子衍射證實(shí)了EBSD的分析結(jié)果，總結(jié)歸納出了研究微米級(jí)夾雜物內(nèi)部

7、結(jié)構(gòu)和物相組成的新思路；通過(guò)對(duì)微觀組織的觀察發(fā)現(xiàn)，鈦脫氧鋼的組織為針狀鐵素體，且隨著鈦含量的增加，組織細(xì)化越明顯；誘發(fā)針狀鐵素體的夾雜物都是Ti2O3和MnS以及個(gè)別含Al2O3的復(fù)合夾雜物，同時(shí)發(fā)現(xiàn)細(xì)小的MnS也能誘發(fā)針狀鐵素體的形成。誘導(dǎo)針狀鐵素體形核的夾雜物尺寸在1～3μm左右，形成針狀鐵素體的寬度在1～3μm，長(zhǎng)度約在5～15μm之間。綜合以上分析表明，鈦含量控制在0.015％～0.02％，氧含量控制在0.002％左右時(shí)，最有利

8、于析出大量的誘發(fā)針狀鐵素體形核的Ti2O3的復(fù)合夾雜物；通過(guò)空冷組織和淬火組織的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)鈦脫氧鋼形成針狀鐵素體除了與夾雜物本身的性質(zhì)有關(guān)外，還與冷卻速度也有非常重要的關(guān)系。在金相試樣上和RTO表征法制樣的掃描電鏡元素分布分析表明，Ti、O元素主要分布在夾雜物的中心，S元素主要分布在夾雜物的外圍，而從Mn元素的分布來(lái)看，在夾雜物中心和外圍都含有Mn；通過(guò)RTO表征法制樣的夾雜物透射電鏡分析，在夾雜物最外圍有單獨(dú)的S元素存在，即夾雜物本身