内容简介

本研究报告介绍了东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室在大线能量焊接用钢氧化物冶金工艺研究方面的进展。报告分为6个部分。其中，第1章介绍了大线能量焊接用钢研发进展和现状；第2章介绍了氧化物冶金工艺实验研究；第3章介绍了粗晶热影响区组织演变规律及其机理；第4章介绍了大线能量焊接用钢实验研究与工业开发；第5章介绍了氧化物冶金低碳钢热轧态组织性能调控；第6章为结论。本书可供从事材料、冶金、焊接、机械等领域的科研人员及高等院校相关专业师生参考。

前言概述

1.研究项目背景与立题依据在船舶、建筑等领域的大型钢制结构建造中，采用大线能量焊接工艺可显著提高工程施工效率，节约制造成本。常规钢材在大热输入条件下热影响区（HAZ）韧性严重恶化以致无法满足使用要求，因此必须研发出具备耐大线能量焊接特性的钢材。氧化物冶金是开发大线能量焊接用钢的有效工艺手段，但其涉及炼钢、连铸、轧制、焊接全流程的技术研发与精确控制，工艺复杂，技术难度大。国内外相关企业和机构已开展了大量研究工作，我国近年已取得显著研究进展，但由于其工艺复杂性和技术保护等原因，国内仍未实现成熟的工业化应用，整体上仍处于研发阶段。综合对大线能量焊接用钢研发与应用现状的分析，目前仍存在以下问题和不足之处。日本较早开展了大线能量焊接用钢研发工作，目前已开发出不同特色的焊接韧性改善技术，但在应用中仍存在不足之处。新日铁第三代氧化物冶金采用纳米级MgO粒子钉扎奥氏体晶粒，但MgO钢中HAZ奥氏体晶界面积增加，晶界和侧板条铁素体转变趋势增加，晶内铁素体形核能力下降，阻碍了低温韧性的大幅提高。JFEEWEL钢需同时精确控制TiN、BN析出以及氧、硫、钙元素的比例，这种易烧损、气体性及杂质元素的精确控制给工业生产带来困难，BN析出易产生铸坯质量和钢板低温性能稳定性的问题，另外还需采用特殊焊材通过焊缝金属向热影响区扩散硼元素，不利于工业推广。神户制钢采用的多位向贝氏体技术通过极低碳设计降低MA岛含量，导致基体淬透性显著降低，为使大线能量HAZ缓慢冷却条件下生成全部贝氏体组织，即使低强度级别钢中也需添加大量合金元素，合金成本显著增加，同时易产生铸坯质量问题。在氧化物冶金工艺和机理研究方面，基于氧化物冶金的冶炼凝固过程中脱氧反应热力学和动力学，以及不同脱氧条件下夹杂物的成分、数量、尺寸分布特征和全流程演变规律有待于深入系统研究。钢中常用合金元素对大线能量焊接HAZ组织性能的影响规律，不同强度级别大线能量焊接用钢合金元素的合理选择和成分体系优化设计需进一步完善。大线能量焊接粗晶热影响区脆化和韧化机制及夹杂物诱导针状铁素体形核机理存在不同的阐述，各组织调控机制和夹杂物形核机制的综合利用对提高HAZ性能等方面的研究亟需开展。国外少数企业虽已实现了氧化物冶金工艺的工业化生产，但在成本和生产效率、产品合格率方面还未达到常规产品的控制水平，并且核心技术手段和实施方法未进行公开报道。国内已开展了基于氧化物冶金工艺的大线能量焊接用钢工业化研发工作，但所研发产品的级别及性能稳定性较低，还无法满足各领域的迫切需求。研究项目概述研究项目概述另外，目前对氧化物冶金工艺的研究，大多关注焊接热影响区性能的改善，而氧化物冶金在轧态组织性能调控中的作用未得到关注。氧化物广泛分布于钢材基体中，如果能够充分利用其对组织的细化作用，将对厚板、管型材等不适于低温大变形工艺的产品生产具有特殊意义。目前国内在该方面的研究仍未开展。本项目针对氧化物冶金大线能量焊接用钢研发的迫切需求和不足之处开展研究。通过本项目研究，将进一步明确大线能量焊接用钢组织性能调控机理与氧化物冶金关键控制技术，为工业化生产提供理论指导和研究基础，对促进国内大线能量焊接用钢领域的发展具有重要意义。
2.研究进展与成果进行了氧化物冶金脱氧热力学计算分析。结果表明，在一般微合金化条件下钛的多种脱氧产物中Ti2O3稳定性最高，为避免Al2O3的析出，在0.01%Ti时需控制铝含量在0.004%以下。锆和镁脱氧能力极强，微量锆可使Al2O3和Ti2O3还原，极微量镁就可使Al2O3转化成MgAl2O4尖晶石。对TiO系和MgO系氧化物冶金工艺进行了实验研究，分析了各条件下夹杂物分布规律及HAZ组织特征。TiO钢中控制钛脱氧前氧位约0.005%，缩短浇铸时间及提高凝固冷速有利于夹杂物微细多量分布，钢中TiOx-MnS夹杂物促进针状铁素体组织转变。钛和强脱氧剂M（锆、镁、钙、稀土元素）复合脱氧进一步促进夹杂物细化，生成的TiOx-MOy（M（O，S））-MnS-TiN复相夹杂有效诱导针状铁素体形核。MgO钢中的夹杂物主要为亚微米级MgO-TiN-MnS复相夹杂，晶界钉扎效果显著，但在晶界面积增加和缺乏有效晶内形核的条件下，晶界铁素体和侧板条组织转变量增加，影响韧性的大幅提高。针对MgO钢存在的不足，采用Ti-REMZr→Mg脱氧工艺可增加钢中含钛氧化物的体积分数，提高针状铁素体组织转变程度；对MgO钢进行钒微合金化处理可促进MgO、TiN和V（C，N）的复合析出，利用界面共格机制提高夹杂物诱导铁素体形核能力，同时起到了钉扎奥氏体晶粒和促进晶内转变的两方面作用。综合采用两种处理工艺时，HAZ组织细化效果最佳，侧板条铁素体和粗大晶界铁素体基本消失，整体组织细化均匀，500kJcm线能量下-20℃冲击韧性达到200J以上。通过奥氏体连续和等温转变实验，分析了粗晶热影响区（CGHAZ）组织演变规律及夹杂物诱导铁素体转变机理。在Ti-Zr脱氧钢粗晶奥氏体连续冷却转变中，低冷速时得到晶界铁素体和针状铁素体组织，高冷速时针状铁素体分割原奥氏体晶粒，显著细化贝氏体和马氏体板条束尺寸。随等温转变温度的降低，分别得到晶内多边形铁素体、较粗大针状铁素体、细化针状铁素体、晶内贝氏体组织。温度降低时相变驱动力增加，可激发形核的夹杂物尺寸减小，并且能同时生成多个细小板条。针状铁素体转变特征与贝氏体类似，具有不完全反应现象。贫锰区机制为Ti-Zr钢中夹杂物诱导铁素体形核的主导机制，对含镍无锰钢的考察结果验证了锰元素在晶内铁素体转变过程中的关键作用。研究了钢中常用合金元素对大线能量HAZ组织性能的影响规律。结合成分优化设计，实验室条件下研制了基于不同类型氧化物冶金工艺的Q355级、EH460级、X80级可大线能量焊接原型钢，分别满足100～800kJcm大线能量焊接性能。在此基础上进行了大线能量焊接用钢工业化技术开发，通过成分优化、冶炼流程的改进和轧制工艺的控制，获得微细均匀分布的含钛氧化物粒子，有效发挥组织细化效果。工业试制钢板在200kJcm气电立焊条件下，HAZ粗晶区-60℃冲击韧性达到200J以上。为进一步实现氧化物冶金对钢板基体组织性能的改善，本研究中提出“氧化物冶金新一代TMCP”新型热轧钢材生产工艺路线。基于这一路线进行了实验探索。结果表明，氧化物冶金钢在奥氏体变形再结晶条件下仍可发生夹杂物诱导针状铁素体形核，提高变形温度和冷速有利于晶内铁素体转变量的增加。实验钢在“高温热轧超快冷”新一代TMCP工艺下获得针状铁素体型细晶组织，与常规钢相比强韧性能显著提高。该工艺的实施将对厚板、管材、型材、棒线材等不适于低温大变形的产品轧态性能的大幅提升具有特殊意义。通过对合金成分、冶炼工艺以及夹杂物类型的进一步优化控制，可获得具有不同晶内铁素体形貌特征的显微组织，满足不同钢材产品组织性能的要求。目前，这一技术已经在管材、长型材等产品生产中得到应用。

作者介绍

东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室（简称RAL）是我国轧制技术领域唯一的国家重点实验室，多年来取得了非常丰富的科研成果。本简报是该实验室2013年各项工作的总结，全面反映了实验室2013年取得的各方面的科研成果。