钙脱氧的氧化物冶金钢中夹杂物及大线能量焊接性能研究

摘要

厚钢板焊接结构件广泛用于造船、海洋平台、石油管线、高层建筑等领域。为了提高焊接效率和焊接质量，以降低建造成本、提高经济效益，急需推广大线能量焊接的应用。然而普通钢材经过大线能量焊接后，焊接热影响区的微观组织严重劣化，导致韧性急剧下降，构成严重的安全问题，必须开发专用的大线能量焊接用钢材，这也成为我国钢铁行业最为前沿的研究课题之一。通过炼钢过程中引入的微细粒子来改善厚板焊接焊接热影响区韧性的氧化物冶金技术是目前最有效的方法。本文根据氧化物冶金技术的思想，采用钙脱氧方法针对需求最为迫切的船板钢EH36，开发适用于400kJ/cm大线能量焊接的新型钢种，并研究其中夹杂物特性与HAZ韧性改善之间的关系。
　　本论文采用钙脱氧的氧化物冶金技术冶炼不同钙含量钢锭，再经TMCP工艺轧制成68 mm厚钢板;在焊接热模拟试验后进行夏比冲击试验检验厚钢板的韧性;通过金相显微镜观察断口形貌;采用金相显微镜、SEM和TEM观察分析钢中夹杂物，并进行系统性统计分析;通过热力学计算解析钢中夹杂物演变规律。
　　实验表明，常规钢的HAZ韧性低下，其组织遍布利于裂纹扩展的魏氏组织;其中微米级夹杂物多为群落状的Al2O3和线型的MnS，不利于针状铁素体的形成;亚微米级夹杂物很少，难以抑制奥氏体晶粒长大;氧化物冶金钢的HAZ韧性优良，其组织以针状铁素体为主;其中微米级夹杂物为弥散分布的复合型夹杂物，核心为钙铝酸盐，外层包覆(Ca，Mn)S，此类夹杂物有利于针状铁素体的形成;随着Ca从2 ppm增加到25 ppm，夹杂物中Al/Ca质量比从19.85降低至0.8，硫化物有增多的趋势并以MnS为主;亚微米级夹杂物数量是常规钢的6倍，能有效地抑制奥氏体晶粒长大。
　　热力学计算表明各元素脱氧能力排序依次为:Ca＞Al＞Ti＞Mn＞Si;添加Ca可以有效地使Al2O3向CaO·2Al2O3甚至CaO·Al2O3转变、提高硫化物的开始形成温度，且这些硫化物的主要成分为MnS，其次为CaS。热力学计算解释了夹杂物的成分变化规律。

目录

声明

摘要

1 文献综述

1．1 厚板钢需求的增长

1．2 大线能量焊接技术的迫切需求

1．2．1 大线能量焊接技术双丝EGW简介

1．2．2 大线能量焊接技术的优势

1．3 大线能量焊接技术推广的制约

1．3．1 专业焊工培养管理的制约

1．3．2 专用焊接材料的制约

1．3．3 专用钢材的制约

1．4 氧化物冶金技术的国内外研究及应用状况

1．4．1 国外大线能量焊接用钢应用

1．4．2 国内大线能量焊接用钢的发展

1．5 Ca处理技术的有关研究

1．5．1 Ca的基本物理化学性质

1．5．2 Ca的脱氧效果

1．5．3 Ca对Al2O3的改性

1．5．4 Ca在氧化物冶金中的应用

1．6 本文研究内容

2 试验方法

2．1 试验流程

2．2 冶炼试验钢成分

2．3 冶炼原材料

2．4 冶炼设备

2．4．1 真空感应炉炉体概况

2．4．2 冶炼流程

2．5 TMCP

2．6 焊接热模拟试验

2．6．1 焊接热模拟技术

2．6．2 焊接热模拟试验步骤

2．6．3 检测方法

2．7 高温显微镜观察试验

3 实验结果与分析

3．1 焊接热模拟后HAZ冲击韧性试验

3．1．1 夏比冲击功分析

3．1．2 断口形貌分析

3．1．3 金相组织分析

3．2 夹杂物观察与分析

3．2．1 微米级夹杂物的观察分析

3．2．2 亚微米级夹杂物的观察分析

3．3 高温显微镜原位观察试验

3．4 小结

4 夹杂物形成的热力学分析

4．1 脱氧反应的热力学计算

4．1．1 铁基体系内元素相互作用系数

4．1．2 标准生成吉布斯自由能

4．1．3 元素活度的计算

4．1．4 各元素的脱氧平衡

4．2 夹杂物的析出温度的计算

5 结论与建议

5．1 结论

5．2 下一步研究工作建议

参考文献

攻读学位期间主要的研究成果

致谢