一种高热输入焊接船板钢中夹杂物的控制方法与流程

本发明属于冶金技术领域，涉及一种钢中夹杂物的控制方法，具体的说是一种高热输入焊接船板钢中夹杂物的控制方法。

背景技术：

焊接研究人员发现1μm 左右的夹杂物在焊接的冷却过程中可以诱发钢中晶内针状铁素体(Acicular fetrrite, AF)形核，因细化了钢的组织而显著地改善了焊缝和热影响区的强度和韧性。这一现象随后引起了研究人员的注意，因为钢中1μm 左右的夹杂物在炼钢和浇铸的过程中难以去除，而且很多此类夹杂物形成于凝固以及其后的冷却过程中。因此，能够有效改善高热输入焊接热影响区韧性的夹杂物控制技术技术引起了众多研究人员的广泛关注。

钢中的夹杂物因其尺寸、成分、形状和自身的各种属性（如硬度、熔点等）的差异而对钢的制造过程、成品的组织和性能产生各种或好或坏的影响。尺寸较大的（如20μm 或者50μm 以上的）脆性夹杂往往易于导致轧材或轧板的表面形成缺陷，因此，人们采用各种措施以尽可能地去除这些夹杂物。尺寸很小的（如100nm 或以下的）夹杂常常被称为析出相或第二相粒子，这类夹杂物往往析出于钢的固相阶段，因能提高钢的强度（析出相强化）和钉扎晶粒在高温下（如热处理和焊接过程）的长大而被人们加以充分利用。

已有的通过控制钢中夹杂物以提高高热输入焊接性能专利文献有，如CN201010207119.8（杨健、祝凯：大线能量焊接用厚钢板中纳米析出物的控制方法，2010.06.22），CN201010122508.0（杨健、祝凯：大线能量焊接用厚钢板的夹杂物控制方法，2010.03.11）介绍了钢液在浇注过程中以Mn、Si→Al→Ti→Ca→Mg顺序添加脱氧剂，中心成分为MgO或MgO+Ti₂O₃，外表面主要成份是MnS的夹杂物，但这两种方法适合在50kg真空感应炉中进行的，没有形成在现场实际生产中行之有效的夹杂物控制方法，而且Mg脱氧剂是在出钢过程中，采取在锭模底部均匀铺垫的方式添加，不适用于现场连铸生产的需要。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，如何通过钢中夹杂物的控制，使船板钢得到在钢中细小、弥散、均匀分布的细小夹杂物，有利于形成无贝氏体的焊接热影响区组织，从而提高船板高热输入焊接性能，大幅度提高焊接热影响区的韧性。

本发明解决以上技术问题的技术方案是：

一种高热输入焊接船板钢中夹杂物的控制方法，钢液在转炉出钢时留氧操作，采用弱脱氧方式，严禁用Al脱氧，采用硅锰（SiMn）脱氧，硅锰的加入量占钢液的重量百分比0.20～0.40％；精炼过程中添加脱氧剂的种类和顺序是硅铁（FeSi）—钛铁（TiFe）—Al线—Mg线—Ca线，其中各脱氧剂的添加量占钢液的重量百分比分别为：硅铁：0.10～0.40％，钛铁：0.005～0.04％，Al线≤0.04％，Mg线：0.0005～0.007％，Ca线≤0.006％；加钛铁之前使用硅铁调整氧含量，用定氧仪定氧，钢种自由氧含量要求＜150PPm，然后按照钛铁（TiFe）—Al线—Mg线—Ca线的顺序添加，一种合金添加搅拌均匀后立即加入下一种合金，且间隔时间≤5min；钢液中小于5μm的夹杂物所占比例≥90%，夹杂物面密度≥400个/mm²；夹杂物中心的主要成分为MgO或MgO·Al₂O₃，夹杂物外表面的主要成份是Ti₂O₃、MnS、CaS。

本发明主要是通过炼钢脱氧工艺控制钢中夹杂物的形成，为了得到兼具细小弥散高温热稳定性的复合夹杂物。转炉出钢采用弱脱氧方式，严禁用Al脱氧，采用SiMn脱氧，这是为了避免因Al脱氧产生的Al₂0₃夹杂，这种夹杂物容易形成树枝状和簇群状，钢液在流经水口时，上述氧化铝夹杂物极易粘附在水口壁上形成沉积层，导致水口结瘤，同时滞留于钢中会导致钢铁材料的强度、韧性及疲劳寿命降低，不利于大线能量焊接船板钢焊接热影响区性能。

LF炉精炼处理时，以FeSi→Ti→Al→Mg→Ca的顺序添加脱氧剂，其中，加Ti合金之前需使用定氧仪定氧，钢种自由氧含量要求＜150PPm。在调氧加入Ti铁后，先生成的氧化钛夹杂，作为形核质点促进复合氧化物形成，在钢中生成大量的尺度为5μm以内的氧化钛、氧化铝、氧化钙复合氧化物；镁作为变性氧化物的主要元素，使氧化物尺寸减小、形态改善，最终形成弥散分布的氧化镁、氧化铝、氧化钛、氧化钙复合氧化物；钙处理变性氧化物形态趋向圆形，特别是对长条形的硫化锰夹杂，使之形态均匀；LF出站时最终形成了大量的以有镁铝尖晶石为核心的复合氧化物，同时氧化物形态更均匀。通过以上的控制，有利于微细弥散分布夹杂物的生成。钢液中小于5μm的夹杂物所占比例大于或等于90％；夹杂物面密度大于或等于400个/mm²。

本发明进一步限定的技术方案是：

前述的高热输入焊接船板钢中夹杂物的控制方法，使用喂丝机以镁合金包芯线的形式将Mg线加入到钢液深处，喂线的速度150m/min-250m/min，以保证在镁合金包芯线铁皮完全融化之前，Mg合金可以进入钢液深处。

其中镁脱氧剂是以包芯线的形式加入钢液深处，这是因为在炼钢温度下(如1873K)，镁的蒸气压很高，约为1.88×10⁶Pa，加入钢液后挥发严重，收得率很低。因此采用喂线技术，将镁合金钝化后加入至钢液深处，可以有效降低镁在加入过程中的烧损，从而提高其利用率。同时由于镁的蒸气压很高，镁以气泡的形式逸出，同时搅拌钢液，促进了夹杂物的上浮，且镁气泡在上浮的过程中，表面不断进行脱氧反应，脱氧产物吸附在气泡表面随气泡带出钢液，钢中氧含量降低，进一步提高了镁的收得率。

本发明的有益效果是：

本发明通过炼钢脱氧工艺精确控制钢中夹杂物的数量、尺寸、类型，在钢中形成细小化、弥散化、复合化的氧化物粒子，各合金脱氧剂的收得率高，可操作性强，适用于大批量现场工业化生产的需要。钢液中小于5μm的夹杂物所占比例大于或等于90％；夹杂物面密度大于或等于400个/mm²。夹杂物中心的主要成分为MgO或MgO·Al₂O₃，夹杂物外表面的主要成份是Ti₂O₃、MnS、CaS。此类组分夹杂物在钢种细小弥散化分布、并在高温下能保持稳定的第二相粒子，在焊接热循环的冷却过程中，晶内夹杂物将发挥非均匀形核质点的作用，晶内铁素体核将会以这类含钛氧化物的复合夹杂物上优先形核，将原奥氏体晶粒有效分割、细化，这将有效阻止更低温度下的贝氏体形成，从而有利于形成无贝氏体的焊接热影响区组织，大幅度提高焊接热影响区的韧性。

附图说明

图1是实施例和对比例钢板氧化物数密度与平均粒径对比图。

图2是使用电子探针对实施例和对比例面扫描结果。

具体实施方式

实施例1

本实施例是一种高热输入焊接船板钢中夹杂物的控制方法，本实施例的冶炼工艺流程是铁水预处理→150t转炉冶炼→LF炉精炼→RH炉真空处理，转炉终点碳控制在0.03%-0.05%之间，转炉出钢时留氧操作，采用弱脱氧方式，严禁用Al块脱氧，采用硅锰（SiMn）脱氧，硅锰的加入量占钢液的重量百分比0.20～0.40％，终点氧大于200ppm。LF炉先加FeSi调整合适的氧含量，用定氧仪定氧，钢中自由氧含量要求＜150PPm，然后严格按照Ti铁—Al线—Mg合金包芯线—Ca线的顺序添加，且间隔时间不超过5min；造白渣，铝粒应分多次逐渐添加，成分调整次数少于3次。RH真空处理要求在高真空度≤5.0mbar条件下保持时间≥30分钟，RH过程严禁补加任何铝合金。中包烘烤大于3小时，温度＞900℃；做好保护性浇注，[N]控制在30-50ppm之间；二冷采用弱冷工艺、恒拉速、铸机设备状态稳定。

实施例1中各脱氧剂的添加量占钢液的重量百分比分别为：硅锰的加入量占钢液的重量百分比0.25％，硅铁：0.10％，钛铁：0.005％，Al线≤0.04％，Mg线：0.0005％，Ca线：0.006％。

实施例2中各脱氧剂的添加量占钢液的重量百分比分别为：硅锰的加入量占钢液的重量百分比0.30％，硅铁：0.20％，钛铁： 0.01％，Al线≤0.04％，Mg线：0.0006％，Ca线：0.003％。

实施例3中各脱氧剂的添加量占钢液的重量百分比分别为：硅锰的加入量占钢液的重量百分比0.28％，硅铁：0.40％，钛铁：0.04％，Al线≤0.04％，Mg线：0.007％，Ca线：0.002％。

使用光学显微镜对试样夹杂物金相试样分别在放大200倍情况下进行100个连续视场的观察拍照，每一个试样拍照总面积为23.1875mm²。采用专业图像分析软件ipp6.0对400张氧化物照片逐张进行统计分析。根据软件分析结果，计算并统计出每个试样中氧化物的数密度(N_A-每单位面积氧化物的数目，是表征氧化物数量多少的量)、平均直径(d_A-过目标氧化物的中心，每隔两度做直线，所得所有直线的长度取平均值所得到的数值，是衡量氧化物尺寸大小的物理量)。

图1列出了实施例和对比例的数密度和平均直径对比。实施例中采用氧化物冶金工艺，转炉脱氧不加铝，LF精炼采用弱脱氧剂调节氧位后按照Ti铁—Al线—Mg合金包芯线—Ca线的顺序脱氧。对比例采用常规工艺路线，使用Al脱氧，LF炉不加Mg合金包芯线。

图2所示为使用电子探针对实施例和对比例面扫描结果。

由图1和图2可得：

实施例中的夹杂主要是以镁铝尖晶石为核心，周围附着有氧化钛、硫化锰、氧化钙、氮化钛的复合氧化物，通过SEM-EDS的线扫描和面分析发现，在MgO或MgO·Al₂O₃夹杂为核心的夹杂物表面，析出MnS夹杂。在实施例1-3中，直径小于5μm的夹杂物所占比例分别为95.7％、96.1％、96.8％，夹杂物的面密度分别为421、438、414个/mm²。

对比例中的夹杂物主要含是钙铝酸盐为主的氧化物夹杂，通过SEM-EDS的线扫描和面分析发现，在Al₂O₃为核心的部分夹杂物表面，析出了MnS夹杂。直径小于5μm的夹杂物所占比例为77.5％，夹杂物的面密度为178个/mm²。这表明在对比例中，夹杂物尺寸较大，夹杂物的面密度较小。

实施例中，夹杂物的面密度以及直径小于5μm的夹杂物所占比例均大幅度增加，夹杂物中心的主要成份为MgO或MgO·Al₂O₃，这有利于钉扎焊接热影响区奥氏体晶粒的移动，抑制奥氏体晶粒的长大。在夹杂物表面MnS的析出，将能促进晶内铁素体的形成，从而改善厚钢板的大线能量焊接性能。

综上所述，本发明提供了一种在高热输入焊接用船板钢冶炼过程中细小、弥散、高温热稳定夹杂物的控制方法，利用这些高温热稳定的细小弥散夹杂物粒子钉扎高热输入条件下焊接热影响区的奥氏体晶界，细化奥氏体晶粒。同时利用这些氧化物作为晶内针状铁素体IAF的形核点，使焊接热影响区内形成强韧性较好的IAF组织，进而显著提高热输入焊接热影响区的韧性。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。