淺論氧化物冶金工藝的新進(jìn)展

韋士琨

（江蘇 南鋼 210035）

淺論氧化物冶金工藝的新進(jìn)展

韋士琨

（江蘇 南鋼 210035）

摘要：本文主要闡述了氧化物冶金的基本概念和原理，并結(jié)合氧化物的特征與分布機(jī)理，對(duì)JFE EWEL技術(shù)、新日鐵HTUFF技術(shù)以及TMCP與氧化物冶金工藝相結(jié)合技術(shù)在氧化物冶金工藝中的應(yīng)用進(jìn)行了一系列分析，最后對(duì)氧化物冶金工藝的實(shí)際應(yīng)用與展望做了一定的探討。

氧化物冶金；非金屬夾雜物；晶粒細(xì)化；析出相

從20世紀(jì)60年代發(fā)現(xiàn)焊接金屬中的球形夾雜物，到20世紀(jì)70年代研究得出該夾雜物可使焊接縫發(fā)生改變，再到1990年，日本的冶金研究者根據(jù)焊接縫中夾雜物的作用機(jī)理，提出“氧化物冶金”的思想，氧化物冶金工藝不斷發(fā)展。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，工程、機(jī)械結(jié)構(gòu)開(kāi)始往巨型化、高參量的方向發(fā)展，如大型海洋鉆井平臺(tái)、大型跨海大橋、長(zhǎng)距離油氣輸送管道等。這類(lèi)大型工程結(jié)構(gòu)對(duì)鋼的材料性能要求越來(lái)越高，即要在使用盡量少的合金元素前提下，保證鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、韌性以及可操作性。而氧化物冶金技術(shù)正是通過(guò)在鋼中夾雜熔點(diǎn)可控、分布均勻、粒徑微小（直徑＜3μm）的氧化物，從而改變鋼的組織結(jié)構(gòu)，提高鋼的韌性、強(qiáng)度以及可焊度，使得鋼中的夾雜物變廢為寶。因此，氧化物冶金技術(shù)為鋼材性能和質(zhì)量的提高提供了一種新的有效途徑，具有巨大的潛在價(jià)值和發(fā)展前景，本文正是在此背景下對(duì)氧化物冶金工藝的進(jìn)展做了相應(yīng)的研究和探討。

1.氧化物冶金概述

氧化物冶金（Oxide Metallurgy）的概念，最早是于1990年，由日本的高村仁一和溝口莊三等提出。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，非金屬夾雜物會(huì)導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部的缺陷，是有害的。然而，對(duì)于較大的非金屬夾雜物而言是有害的，但對(duì)于微米級(jí)的氧化物而言，可通過(guò)控制其大小尺寸、排列分布和組成，從而讓鋼的性能得到一個(gè)質(zhì)的提升和改善。所以，在煉鋼的工藝流程中，通過(guò)控制氧化物組成、形態(tài)、大小以及數(shù)量等，從而達(dá)到控制材料性能目的的技術(shù)，就稱(chēng)為氧化冶金。

而就氧化冶金的思路而言，主要分為4步（如圖1所示）：

（1）由于鋼鐵中鐵素體晶粒粒徑粗大，容易導(dǎo)致材料韌性不高，通過(guò)細(xì)化奧氏體晶粒提高韌性。

（2）利用控軋-控冷技術(shù)防止奧氏體晶粒的粗化。

（3）由于晶體內(nèi)的鐵素體擁有較好的細(xì)化能力，可有效抑制焊接對(duì)晶粒粗化的影響，可在奧氏體晶粒內(nèi)形核，從而得到大量晶內(nèi)鐵素體。

（4）由于鋼材存在大量非金屬夾雜物，在一定的條件下，這類(lèi)非金屬夾雜物會(huì)導(dǎo)致晶體內(nèi)鐵素體形核，從而實(shí)現(xiàn)鋼體晶粒的細(xì)化。

2.氧化物的特征與分布

對(duì)于細(xì)小的彌散化的氧化物而言，在鋼中會(huì)起不同的作用，然而，并非所有的氧化物都能析出核心，不同的氧化物與不同的析出相之間存在不同的兼容性質(zhì)。Shozo Mizoguchi和Jin-ichi Takamura等對(duì)Ti、Zr、Si、Mn的氧化物進(jìn)行了研究，得出以析出相為核心的氧化物總的可分為兩類(lèi)：活性氧化物和非活性氧化物。活性氧化物有：FeO、MnO·SiO2、Ti2O3等，非活性氧化物主要有：SiO2、Al2O3等。

而對(duì)氧化物的分布而言，主要影響因素有氧化物的體積密度、孕育時(shí)間以及冷卻速度等。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)隨著氧化物體積密度的增大，鋼液中氧化物粒子長(zhǎng)大的速度會(huì)明顯降低，即對(duì)應(yīng)的氧化物粒子的數(shù)目會(huì)相應(yīng)增大。同時(shí)，由于冷卻速度的增加會(huì)導(dǎo)致氧化物粒徑以及析出相粒子尺寸的減小，所以，當(dāng)冷卻速度增大時(shí)，氧化物的數(shù)目也會(huì)顯著增加。

3.氧化物冶金工藝的新進(jìn)展

3.1 JFEEWEL技術(shù)

JFEEWEL（Excellent Quality in Large Heat Input welded Joints）技術(shù)工藝也叫做大線能量焊接熱影響區(qū)性能優(yōu)異，由日本的JFE公司研制開(kāi)發(fā)。主要是通過(guò)抑制焊接時(shí)影響區(qū)內(nèi)的γ晶體粒子的生長(zhǎng)，促進(jìn)γ晶體粒子的晶內(nèi)鐵素體的生長(zhǎng)和設(shè)計(jì)低碳當(dāng)量的合金3個(gè)方面，解決焊接區(qū)韌性降低的問(wèn)題。JFE EWEL工藝的主要內(nèi)容包括（如圖2所示）：

（1）利用Super OLAC技術(shù)，降低碳當(dāng)量，并將碳當(dāng)量控制在合理的下限范圍內(nèi)，從而提高鋼的強(qiáng)度。

（2）合理控制Ti和N的添加量，保持鈦氮比在一定范圍，將TiN的固熔溫度提高到1450℃，從而使得HAZ區(qū)奧氏體晶粒保持合理增長(zhǎng)。

（3）為細(xì)化HAZ組織，必須合理控制好鋼材里B、N與O、Ca的量，可采用BN與S的夾雜物誘導(dǎo)焊接過(guò)程中晶內(nèi)鐵素體的形核。

3.2 新日鐵HTUFF技術(shù)

HTUFF技術(shù)，即通過(guò)細(xì)小粒子得到微細(xì)組織和超高的HAZ韌性技術(shù)，屬于新日鐵的第二代氧化物冶金技術(shù)。主要使用對(duì)象為490MPa～590MPa的結(jié)構(gòu)，如船舶、鋼結(jié)構(gòu)管道等的焊接工藝。對(duì)HTUFF鋼而言，當(dāng)溫度穩(wěn)定在1400℃時(shí)，可利用粒徑較小（一般在10nm～100nm范圍內(nèi)）且呈彌散分布的夾雜物（含有硫化物、鈣鎂氧化物等）來(lái)釘扎奧氏體晶粒的長(zhǎng)大，并利用夾雜物對(duì)IGF的形核作用，達(dá)到細(xì)化HAZ組織的目的，從而提高鋼的韌性。

3.3 TMCP與氧化物冶金工藝相結(jié)合

TMCP（Thermo Mechanical Control Process，簡(jiǎn)稱(chēng)TMCP）也叫熱機(jī)械控制工藝，主要是指：通過(guò)控制熱軋過(guò)程中的溫度和壓量，并在此基礎(chǔ)上實(shí)施冷卻工藝技術(shù)的總稱(chēng)。將TMCP與氧化物冶金技術(shù)進(jìn)行融合，最早是由新日鐵提出，首先是調(diào)節(jié)控制熱量和加工變形量，控制冶金工藝的結(jié)晶、析出以及相變，其次才是通過(guò)調(diào)節(jié)硫化物和氮化物量，實(shí)現(xiàn)相變控制。但是，由于產(chǎn)品規(guī)格的差異，TMCP工藝效果的差異也較大，這種技術(shù)工藝比較適合于細(xì)、薄鋼材產(chǎn)品的加工，而對(duì)于超厚鋼板的工藝效果不是很理想，對(duì)鋼強(qiáng)度、韌性的提高不理想。

4.氧化物冶金工藝的實(shí)際應(yīng)用與展望

圖2　 JFE EWEL工藝改善HAZ韌性的基本原理示意圖

在實(shí)際的生產(chǎn)活動(dòng)中，氧化物冶金主要應(yīng)用在以下兩個(gè)方面：一是針對(duì)低碳鋼在焊接區(qū)韌性的提高，由于在焊接過(guò)程中存在大量的能量輸入，記憶導(dǎo)致影響區(qū)內(nèi)的奧氏體晶粒的粗化，從而導(dǎo)致鋼體韌性的降低。當(dāng)采用氧化物冶金技術(shù)后，利用氧化物的穩(wěn)定性，可保證在高能量輸入的情況下，熱能影響區(qū)的鋼體性能不會(huì)降低。二是在特定機(jī)械結(jié)構(gòu)中，高韌性熱鍛微合金鋼的運(yùn)用。由于這類(lèi)鋼材的Mn、S含量高，可利用氧化物促使生成大量細(xì)小的MnS結(jié)晶，形成晶內(nèi)鐵素體的形體核心，從而大大細(xì)化組織，簡(jiǎn)化整個(gè)熱處理工藝流程。

氧化物冶金工藝是超級(jí)鋼的主要技術(shù)手段之一，它的優(yōu)勢(shì)有：

①由于這種工藝無(wú)須添加其他的添加劑，不會(huì)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程造成影響，類(lèi)似于去除雜質(zhì)的作用，對(duì)鋼性能的提高有利。

②由于加入的Ti、Ce、Zr等元素，它們具有很強(qiáng)的脫硫能力，同時(shí)其自身也屬于微合金元素，一定程度上能提高鋼材性能。

③氧化物冶金工藝能有效提高冷卻速度。因此，氧化物冶金具有非常廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。

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