氧化物冶金在高强度低合金钢生产中的试验研究

氧化物冶金在高强度低合金钢生产中的试验研究杨俊胡振华肖强健李玉路王小军张青学杨云清1（湖南华菱集团湘潭钢铁有限公司，湘潭411101）摘要通过对氧化物冶金技术在高强度低合金钢生产中的试验研究，探索采用氧化物冶金技术冶炼过程中转炉终点及LF精炼过程钢中的氧含量控制、正确的脱氧方式、脱氧合金元素的加入时机等，通过调节钢液成分，确保形核诱导粒子的生成；同时，利用扫描电镜分析了钢中夹杂物的成分、形貌、尺寸及夹杂物周围的组织形貌，并对试验钢板的性能进行了取样检测，结果表明，试验炉次氧化物冶金的效果良好且试验钢板性能很好。关键词氧化物冶金高强度低合金钢晶内铁素体针状铁素体ExperimentalStudyofOxideMetallurgyintheProductionofHighStrengthLowAlloysSteelYangJunHuZhenhuaXiaoQiangjianLiYuluWangXiaojunZhangQingxueYangYunqing(HunanValinXiangtanIron&SteelCo.,Ltd.,Xiangtan,411101)AbstractExperimentalstudyofoxidemetallurgytechnologyintheproductionofhighstrengthlowalloysteelswascarriedouttoinvestigatethecontrolofoxygeninsteelatBOFend-point,duringLFrefiningprocesses,withdifferentdeoxidationpracticesandthetimingofalloyadditionsetc.Inordertoensuretheformationofinducementparticles,thecompositionofmoltensteelwasproperlyadjustedduringLFrefining.Inthemeantime,thecompositions,shapeandsizeofinclusionsandthemicrostructureofsteelsurroundingtheinclusionswereanalyzedbySEM-EDS.Themechanicalpropertiesofplatesfromtheexperimentalheatsweretested.Theresultsshowthattheoxidemetallurgyhasapositiveeffectontheexperimentalheats,andtheplatesfromtheseheatsperformverywell.Keywordsoxidemetallurgy,highstrengthlowalloyssteel,intra-granularferrite,acicularferrite高强度低合金钢是被广泛应用的结构钢，在大多数情况下不仅要求其具有很高的强度、韧性，而且也要求其具有优良的焊接性能。近半个世纪以来，通过微合金的固溶强化和析出强化、洁净钢冶炼及控轧控冷等技术的采用，高强度低合金钢的强度、韧性及焊接性能都得到了很大的提高。近年来，随着管线、桥梁、海上采油平台、高层建筑钢结构、压力容器等越来越多地采用大规格、高强度钢板，从而对这些钢板的强度、韧性及焊接性能等提出了更高的要求[1~4]。众所周知，非金属夹杂物对钢的延展性、强度、疲劳寿命及抗腐蚀性能等有很大的影响，但是，在冶炼过程钢液中非金属夹杂物无法完全去除，特别是在钢液凝固过程中形成的二次氧化物夹杂和钢液凝固后析出的硫化物及氮化物夹杂基本上是无法去除的[5~7]。氧化物冶金就是利用钢中无法去除的二次氧化物夹杂，使它们成为形核核心来钉扎晶界、细化晶粒、诱导生成晶内铁素体或针状铁素体[8~11]。氧化物冶金技术是近十杨俊（1975—），男，博士，工程师，主要从事洁净钢的冶炼和夹杂物的控制研究。第八届（2011）中国钢铁年会论文集8-124多年被国际国内冶金材料学术界和产业界高度关注的前沿技术，并且取得了很多种理论成果，由于到目前为止对氧化物冶金技术的机理还没有形成统一的观点，因此，各企业对这一技术在生产中的应用研究都非常谨慎而且严格保密，但是这一技术对于改善高强度低合金钢的焊接热影响区韧性，推动超细晶粒钢种的开发以及在焊接以外的凝固、压力加工、非调质钢和厚板钢生产等有着非常重要的意义。本研究主要通过对氧化物冶金技术在高强度低合金钢生产中的试验研究，探索采用氧化物冶金技术冶炼过程中转炉出钢及LF精炼过程钢中的氧含量控制、正确的脱氧方式、脱氧合金元素的加入时机等，同时，对铸坯进行取样分析钢中夹杂物的成分、形貌、尺寸及夹杂物周围的组织，确认氧化物冶金的效果及对钢板性能的影响。1试验方法本次试验共进行了一个浇次的两个炉次，采用的工艺路线：铁水预处理—120t转炉—LF钢包精炼—VD真空处理—软吹—宽厚板连铸—五米轧制。为确保试验的成功，对试验炉次各工序进行了严格控制，本项目组对试验过程每个环节进行了全程跟踪。转炉终点严格[C]、[O]含量，出钢过程采用Si-Mn脱氧，根据炉况可适当添加改质剂，除FeAl以外的合金都按正常操作加入。LF精炼进站时对钢液进行定氧，当钢液中的氧含量达到一定水平的时候向钢液中加入FeTi合金进行脱氧，确保钢中的钛氧平衡，精炼过程对钢液进行定期定氧，精炼后期进行合金化操作，精炼出站前喂入一定铁钙线，出站前定氧以保证钢中一定氧含量。钢液进入VD炉进行真空脱气处理，在60Pa的真空度下保真空15min，破空后对钢液进行软吹12min。连铸对试验炉次铸坯分别切取低倍样，研究低倍样中的组织及偏析情况，同时从低倍样中心的厚度方向二分之一及四分之一处分别切取金相试样，在扫描电镜下对铸坯的组织及夹杂物进行观察分析，同时对试验钢板的轧态样及回火样进行组织和性能检测。2试验结果2.1高强度低合金钢成分控制情况表1为试验炉次的中间包钢水的化学成分。从表中可看到，虽然钢中的碳含量较低，但是其碳当量达到了0.44。表1试验炉次中间包钢水的化学成分（质量分数/%）成分CSiMnPSNb+V+TiCr+MoBAlSCeq炉次10.080.221.530.0090.002≤0.12≤0.5≤0.004≤0.0200.44炉次20.080.181.560.0070.004≤0.12≤0.5≤0.004≤0.0200.442.2钢中夹杂物检测结果对铸坯厚度方向二分之一和四分之一处的试样中的夹杂物进行了扫描电镜观察及能谱分析（SEM-EDS）发现，铸坯中的夹杂物极大部分为内部为氧化物，外部被硫化锰包裹的复合夹杂物，这些夹杂物的尺寸较小，基本上都集中在2μm左右，如图1所示。图1a、图1b为铸坯四分之一厚度处的典型夹杂物，图1c、图1d为铸坯二分之一厚度处的典型夹杂物。从图中可看到，四分之一厚度处的内部氧化物夹杂尺寸比二分之一厚度处的内部氧化物夹杂大，但是氧化物外围析出的硫化锰比二分之一厚度处的要少。图2为用2%的硝酸酒精对金相试样抛光面进行腐蚀后在扫描电镜下观察到的夹杂物及夹杂物周围的组织。从图中可看到，夹杂物主要由钙铝酸盐、钛的氧化物及硫化锰所组成，夹杂物周围的组织主要为晶内铁素体和极少量的珠光体。电磁冶金8-125图1试验炉次铸坯中夹杂物的形貌图2试验炉次铸坯中的夹杂物及其周围的组织第八届（2011）中国钢铁年会论文集8-1262.3钢板性能检测结果本次对氧化物冶金的铸坯采用两种不同的工艺进行轧制，中间坯厚度都控制为90mm，精轧开轧温度都为900℃，钢板A采用DQ轧制工艺，具体为：粗压下率展宽后保两道次不小于15%，中间坯厚度控制为90mm，精轧开轧温度控制为900℃，MULPIC直接入水，返红温度为200℃；钢板B的轧制工艺为：粗压下率展宽后保两道次≥15%，中间坯厚度控制为90mm，精轧开轧温度控制为900℃，MULPIC直接入水，返红温度为480℃。A1、A2为钢板A的轧态样，A3、A4为钢板A的回火试样，B1、B2为钢板B的轧态样，B3、B4为钢板B的回火试样。表2为试验钢板不同工艺状态下的性能检测结果，从表中可看出，钢板A的强度高于钢板B，伸长率差不多，钢板A-20℃冲击出现了一个低值，钢板B-20℃冲击也出现了一个较低值。520℃回火后的强度和伸长率都有所降低，冲击性能都比较稳定。表2试验钢板不同工艺的性能检测结果拉伸（横向）-20℃冲击（纵向）钢板试样工艺ReH/MPaRm,/MPaA/%冲击功AKV/JA1轧态87092823248289237A2轧态8919492213935260B1轧态7397922384107267B2轧态74481023280286252A3520℃回火80min74880316210153154A4520℃回火80min76882116201203102B3520℃回火80min64875018167233165B4520℃回火80min647741191781621803分析讨论3.1二次氧化物夹杂的生成条件氧化物冶金技术的目的就是利用钢中生成的二次氧化物夹杂粒子成为晶内铁素体或针状铁素体的诱导粒子，以形成晶内铁素体或针状铁素体，从而细化组织、提高钢材的强度及焊接性能。因此，氧化物冶金的难点就在于怎么样获得这些二次氧化物粒子。细小的氧化钛粒子被普遍认为是能诱导生成晶内铁素体或针状铁素体核心粒子，因此，本次试验过程中，在转炉出钢过程采用Si-Mn脱氧，将钢液中的氧控制在合适的含量后在LF精炼炉采用FeTi脱氧，钛脱氧反应（见式（1））生成的Ti2O3上浮去除进入炉渣，从而稳定控制钢液中的[Ti]含量，为了稳定钢液中的氧含量，可以适当喂入Al线，以保持钢液中Ti-O-Al的平衡，其反应见式（2），当喂入的Al线足够多时，钛脱氧就会受到抑制，因此，试验过程只能根据钢中的氧含量适当喂入铝线。2[Ti]+3[O]=(Ti2O3)ΔG㊀=-263000+85.25T（1）[12]2[Al]+(Ti2O3)=（Al2O3）+2[Ti]ΔG㊀=-26060+8.27T（2）[12,13]当反应处于平衡时，根据ΔG㊀=-KRTln可得到钢液中钛铝平衡热力学计算模型：][%Ti=122312232[Al]TiOTiAlO[%Al]GRTefafaΔ−⋅⋅⋅⋅（3）从式（3）中可知，钢液中钛铝的平衡除与温度和ΔG㊀有关外，还与炉渣中三氧化二钛和三氧化二铝的活度比有关。在温度和钢液中酸溶铝含量一定的条件下，它们的活度比越大，与酸溶铝平衡的钛浓度越高；同时，当三氧化二钛与三氧化二铝的活度比一定时，钢中的钛含量随酸溶铝含量的增加而增加，因此，在LF精炼过程中，在炉渣中氧化铝和氧化钛活度比一定的条件下，保持适当的酸溶铝含量有利于稳定钢中的电磁冶金8-127钛含量。钢液浇注过程中，随钢液温度的下降，钢液中[Ti]、[O]的溶解度不断降低，因而在凝固前沿会发生[Ti]和[O]的反应，生成Ti2O3，这种Ti2O3夹杂即为二次氧化物夹杂，这样的夹杂物是在钢液凝固过程中生成，它的特点是尺寸小；但是，在凝固前沿除了钛氧的反应外，还会发生[Al]与[O]的反应、[Ti]与[N]的反应及[Al]与[N]反应，这些反应相互影响，相互制约，最后达到Ti-O-N-Al的平衡；在凝固前沿生成的氧化钛、氧化铝及其他氧化物在凝固过程中有可能形成复合夹杂物，这些夹杂物残留在钢中有可能成为形核核心，钉扎晶界，细化晶粒，从而对其组织和性能产生重要影响。3.2二次氧化物夹杂对组织的影响氧化物冶金技术就是利用尺寸细小的二次氧化物粒子作为形核核心，钉扎晶界，细化晶粒，同时诱导生成晶内铁素体或针状铁素体等，避免形成粗大的奥氏体组织。从图2可看到，夹杂物周围的组织主要为晶内铁素体和极少量的珠光体。说明通过氧化物冶金技术在试验钢中的应用，得到的氧化物与硫化物的复合夹杂在凝固时从奥氏体到铁素体的相变过程中成为了晶内铁素体（intra