一种在钢的铸态组织中控制夹杂物形态的方法技术

一种在钢的铸态组织中控制夹杂物形态的方法，其包括如下步骤：１）冶炼过程钢水硫含量控制，钢坯中硫含量降低至０．００３０ｗｔ％以下；２）分步脱氧，通过氧位控制和采用钛脱氧来实现；３）顶渣控制，通过精炼渣成分控制使钢液中终形成ＭｎＯ－Ｔｉ２Ｏ３复合型夹杂物；４）钙处理和夹杂物微细化；５）冷却控制；６）得到的夹杂物为内外层复合结构，内层夹杂物以ＭｎＯ和Ｔｉ２Ｏ３为主要成分，外层包裹为ＭｎＳ薄膜的复合夹杂物，粒度０．５～５．０微米，数量为１００～２０００个／ｍｍ２，在钢中成弥散状分布。本发明专利技术方法在钢的铸态组织中形成细小弥散、以Ｔｉ２Ｏ３为主要成分的球形复合夹杂物的方法，这种特殊的夹杂物主要用于控制钢在焊接热影响区的组织，并因此显著提高钢在焊接热影响区的韧性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及冶炼工艺，尤其涉及一种在钢的铸态组织中形成细小弥散、以Ti2O3为主要成分的球形复合夹杂物的方法。
技术介绍
韧性是指材料在外载荷作用下抵抗开裂和裂纹扩展的能力，也就是材料在断裂前所经历的弹塑性变形过程中吸收能量的能力，它是强度和塑性的综合体现。对于钢铁材料，强度有余而韧性不足是比较普遍的问题，围绕材料的强韧化，国内外学者开展了大量的研究工作，提出了许多强韧化途径，基本上都是通过合金化、沉淀析出、晶粒细化等多方面的综合作用来实现。但对断裂力学的研究发现，钢的最终断裂是非金属夹杂物引起的显微孔隙不断聚集的结果。钢在受力时，必然伴随着晶粒和夹杂物的拉长或者变形。当为硬脆型夹杂物时，夹杂物和钢基体之间将因应力集中而萌生微裂纹，当为延性夹杂物时，在小变形条件下，在基体—夹杂物界面出现剥离现象，并逐渐过渡到塑性不稳定状态，最终也产生显微裂纹。因为应力集中，产生显微裂纹以后，钢会加速在夹杂物附近生成显微孔隙并随后聚集长大，最终导致断裂，并在断面上发现夹杂物。从这一过程可以看出两点：(1)不管夹杂物是塑性型还是硬脆型，均是导致显微裂纹产生的主要原因；(2)相比硬脆型夹杂物，塑性夹杂物由于存在一个变形过程，在同等粒度的条件下，塑性夹杂物显然对韧性的损害要弱。在断裂过程中，夹杂物的形态，及夹杂物的种类、大小、数量和分布对钢的断裂有很重要的影响。例如，对于钢中常见氧化铝夹杂物，它是脆性的夹杂物，由于它常常为带尖锐棱角的形状，在尖角处容易形成微裂纹，这在夹杂物直径大于5微米时非常明显。对于延性的硫化锰，也是钢中很常见的夹杂物，当MnS因轧制而拉长时，则轧向的韧性要明显高于横向，造成钢的轧向和横向的性能差异。这也是钢在冶炼过程中需要进行钙处理的重要原因，即通过钙处理，钢中的MnS球化，避免形成长条型的MnS，从而改善其横向性能。故从提高钢材韧性来考虑，必须尽可能的降低钢中的夹杂物含量，同时，需要控制夹杂物的形态，即尽可能地将钢中的夹杂物控制为细小弥散的球形夹杂物。比较典型的例子是适用于高强高韧性结构钢的氧化物冶金技术。1990年代，研究发现某些细小弥散的氧化物颗粒可以显著改善钢材的某些性能。其基本原理是在铸态钢中形成细小弥散的以Ti2O3为主要成分的氧化物颗粒，这些颗粒生成于1400℃以上温度，其后，钢在冷却至1200℃左右时，钢中的MnS夹杂物以这些Ti2O3氧化物作为形核核心析出，结果形成Ti2O3+MnS型复合夹杂物，即外层为延性的MnS，内层为硬质的球形以Ti2O3为主要成分的氧化物。进一步的研究证实，这种氧化物的成分中不仅仅包含Ti和O，还包含有元素Mn，物相鉴定主要为Ti2O3和MnO。当复合夹杂物为球形、粒度在5微米以下时，钢表现出高韧性。特别地，当钢经过焊接以后，通常钢在热影响区因为晶粒粗化，会出现明显的韧性降低，钢的在焊接接头附近出现最低的韧性，但钢中富含上述复合夹杂物时，这种Ti2O3+MnS型复合-->夹杂物将在其邻近区域形成贫锰区(即该区域的锰明显低于其它区域)，由于锰为奥氏体稳定元素，贫锰区的存在将降低奥氏体向铁素体转变的形核功，从而加速这一转变，即奥氏体以在贫锰区发生转变，最终将以Ti2O3+MnS型复合夹杂物为核心转变成铁素体组织，这是一种针状的成放射状成长的铁素体，内含高密度位错，具有高韧性。由于Ti2O3+MnS型复合夹杂物在钢基体中弥散分布，这就使得通常情况下经历焊接热循环以后的原始奥氏体晶粒优先在晶界发生的转变得到抑制，奥氏体晶粒内部可以依托复合夹杂物优先于晶界转变，形核位置和数量大大增加，而且转变以后的组织也不是通常状况下的上贝氏体、魏德曼铁素体等脆性组织，而是韧性非常高的针状铁索体组织。这样，就使钢在经历焊接以后，接头焊接热影响区仍然维持非常细小的组织和保持高韧性。这是一种新的调控钢材组织和提高韧性的手段，使通常状况下对于钢材性能有害的夹杂物成为调控性能的技术途径，因此受到广泛的关注，其核心技术是夹杂物形态控制技术。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种在钢的铸态组织中控制夹杂物形态的方法，在钢的铸态组织中形成细小弥散、以Ti2O3为主要成分的球形复合夹杂物的方法，这种特殊的夹杂物主要用于控制钢在焊接热影响区的组织，并因此显著提高钢在焊接热影响区的韧性。本专利技术的技术方案是，一种在钢的铸态组织中控制夹杂物形态的方法，其包括如下步骤：1)冶炼过程钢水硫含量控制，钢坯中硫含量降低至0.0030wt％以下；2)分步脱氧，通过氧位控制和采用钛脱氧来实现，即钢水首先采用Al或Si+Mn或Al+Si+Mn进行预脱氧，至钢水氧含量处于0.0020～0.0200wt％范围后采用钛脱氧至0.0010～0.0100wt％，最后调整C、Si、Mn、Nb、Al、Ni、Ti、Cu等元素至目标成分；3)顶渣控制，通过精炼渣成分控制使钢液中终形成MnO-Ti2O3复合型夹杂物；顶渣成分特征为碱度：1.6～2.4；MnO 1～6wt％，TiOx(x＝1.5或2)：2～8wt％；4)钙处理和夹杂物微细化，采用含Ca 15～30wt％的钙硅合金，使夹杂物进行球化和通过在钙硅合金中添加微量Mg、Ce、Zr、TiO2中的一种或者一种以上成分来使夹杂物微细化，添加物总量占合金总量的7～18％，以保证添加物在钢中的总残留量在0.0002～0.0050wt％；5)冷却控制，铸坯在二冷段冷却强度为1.2～2.2吨冷却水/吨钢；6)得到的夹杂物为内外层复合结构，内层夹杂物以MnO和Ti2O3为主要成分，外层包裹为MnS薄膜的复合夹杂物，夹杂物整体成球形，粒度在介于0.5～5.0微米，数量为100～2000个/mm2，在钢中成弥散状分布。为了得到细小弥散的(Ti2O3-MnO)+MnS型复合夹杂物，需要在冶炼过程中实施夹杂物控制技术：1、冶炼过程钢水硫含量控制从提高钢材低温韧性考虑，需要尽可能降低钢水硫含量，另一方面，高的硫含量导-->致MnS的析出温度过高和析出量过多，不利于复合夹杂物的球化和细化。对于结构钢的厚板产品，一般要求将钢坯中的硫含量降低至0.0030％(重量百分比，下文同)以下。钢水硫含量的控制通过以下措施来保障(1)铁水预处理阶段将铁水脱硫至0.0020％以下；(2)转炉低硫废钢装入；(3)转炉、钢包、RH真空处理装置低残钢以减少残钢造成的硫污染；(4)钢包采用合适碱度(碱度为渣中碱性氧化物CaO酸性氧化物SiO2的重量百分比)顶渣，防止钢水回硫，顶渣碱度控制在1.6以上。2、分步脱氧得到(Ti2O3-MnO)+MnS型复合夹杂物的前提条件是在钢中形成Ti2O3夹杂物，这主要是通过氧位控制和钛脱氧来实现。(1)钢水首先采用Al或(和)SiMn进行预脱氧，将钢水氧位控制在0.0020-0.0200wt％范围；(2)将钢水采用钛脱氧至氧位0.0010-0.0100wt％；(3)钢水中除钛以外元素的合金化；(4)钢水采用钛终脱氧。3、顶渣控制如前所述，针状铁素体组织的形成起源于(Ti2O3-MnO)+MnS型复合夹杂物周围的贫锰区，而贫锰区的形成则是因为MnS的析出。虽然为降低界面能，MnS易于依托Ti2O3夹杂物为质点析出，但Ti2O3和MnS的亲和力并不强，必须形成具备高硫容量的MnO-Ti2O本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种在钢的铸态组织中控制夹杂物形态的方法，其包括如下步骤：１）冶炼过程钢水硫含量控制，钢坯中硫含量降低至０．００３０ｗｔ％以下；２）分步脱氧，通过氧位控制和采用钛脱氧来实现，即钢水首先采用Ａｌ或Ｓｉ＋Ｍｎ或Ａｌ＋Ｓｉ＋Ｍｎ进行预脱氧，至钢水氧含量处于０．００２０～０．０２００ｗｔ％范围后采用钛脱氧至０．００１０～０．０１００ｗｔ％，最后调整Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｕ等元素至目标成分；３）顶渣控制，通过精炼渣成分控制使钢液中终形成ＭｎＯ－Ｔｉ２Ｏ３复合型夹杂物；顶渣成分特征为：碱度，１．６～２．４；ＭｎＯ　１～６ｗｔ％，ＴｉＯｘ（ｘ＝１．５或２）：２～８ｗｔ％；４）钙处理和夹杂物微细化，采用含Ｃａ　１５～３０ｗｔ％的钙硅合金，使夹杂物进行球化和通过在钙硅合金中添加微量Ｍｇ、Ｃｅ、Ｚｒ、ＴｉＯ２中的一种或者一种以上成分来使夹杂物微细化，添加物总量占合金总量的７～１８％，以保证添加物在钢中的总残留量在０．０００２～０．００５０ｗｔ％；５）冷却控制，铸坯在二冷段冷却强度为１．２～２．２吨冷却水／吨钢；６）得到的夹杂物为内外层复合结构，内层夹杂物以ＭｎＯ和Ｔｉ２Ｏ３为主要成分，外层包裹为ＭｎＳ薄膜的复合夹杂物，夹杂物整体成球形，粒度在介于０．５～５．０微米，数量为１００～２０００个／ｍｍ２，在钢中成弥散状分布。...

【技术特征摘要】
1.一种在钢的铸态组织中控制夹杂物形态的方法，其包括如下步骤：1)冶炼过程钢水硫含量控制，钢坯中硫含量降低至0.0030wt％以下；2)分步脱氧，通过氧位控制和采用钛脱氧来实现，即钢水首先采用Al或Si+Mn或Al+Si+Mn进行预脱氧，至钢水氧含量处于0.0020～0.0200wt％范围后采用钛脱氧至0.0010～0.0100wt％，最后调整C、Si、Mn、Nb、Al、Ni、Ti、Cu等元素至目标成分；3)顶渣控制，通过精炼渣成分控制使钢液中终形成MnO-Ti2O3复合型夹杂物；顶渣成分特征为：碱度，1.6～2.4；MnO 1～6wt％，TiOx(x＝1.5或2)...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑庆，胡会军，
申请(专利权)人：宝山钢铁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]