钢液凝固过程中钛基超细复合夹杂物形成机理研究

摘要

“氧化物冶金”技术是在钢中形成超细、高熔点、均匀分布的复合夹杂物。这些夹杂物在钢的后续加工过程中能够诱发针状铁素体，从而使钢材的强度和韧性具有良好的匹配。高熔点复合夹杂物在焊接过程中不会被溶解，能够在原位再次成为形核中心，细化晶粒从而提高可焊性。“氧化物冶金”技术对开发高等级管线钢、船板钢、石油用钢及需要焊接的结构钢等具有重要意义。 本文在总结前人工作的基础上，利用凝固过程中元素在液相的偏聚机制，提出了钢液凝固过程中形成超细复合夹杂物的设想。在张会全等建立的凝固过程元素偏析与夹杂物析出耦合模型基础上，引入氧化物热力学平衡作为夹杂竞争析出的判据，实现了对凝固过程超细复合夹杂析出的耦合计算。计算结果表明：当钢液凝固前氧位控制在20ppm时 TiMnO<,3>即可析出，在10K/min、100K/min、200K/min冷却速率下，夹杂物尺寸分别为2.87μmm、1.88μm、1.54μm，数量分别为0.29×104N/mm<'-3>、1.87×10<'4>N／mm<'-3>和3.15×10<'4>N/mm<'-3>。 通过单向凝固实验考察了冷却速率、凝固前氧位等因素对超细复合夹杂物析出的影响。夹杂物统计结果表明，在10K/min、100K/min、200K/min冷却速率下，夹杂物尺寸分别为2.81μm、1.86gm、1.43μm，数量分别为0.31×10<'4>N/mm<'-3>、1.98×10<'4>N/mm<'-3>和3.27×10<'4>N／mm<'-3>。单向凝固实验结果与耦合模型的计算情况基本相符。 通过改进电解方法，实现了从钢样中无损分离含MnO和MnS的复合夹杂。采用聚碳酸脂膜获得夹杂物，利用SEM、EDS等仪器进行检测，得到了复合夹杂物完整的三维立体形貌及化学成分、尺寸、数量等重要信息。复合夹杂物形貌为球形，主要成分为Ti、Mn、Si、Al、O，通过与酸溶分离夹杂物比较发现了硫化物与钛氧化物的结合形态。 通过对以上研究结果的分析，揭示出凝固过程超细复合夹杂物的析出机理，为合理控制钢中超细复合夹杂提供了技术支持，同时对利用“氧化物冶金”技术冶炼X80管线钢具有重要指导意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章文献综述

1.1钢中非金属夹杂物

1.1.1非金属夹杂物的来源和分类

1.1.2非金属夹杂物对钢材性能的影响

1.2氧化物冶金

1.2.1氧化物冶金的由来

1.2.2氧化物冶金的现状

1.3凝固过程夹杂物的析出

1.3.1凝固过程溶质元素微观偏析模型

1.3.2凝固过程夹杂物的析出和长大

1.3.3凝固过程溶质元素微观偏析和夹杂析出耦合模型

1.4钢中微观夹杂物的鉴定检测方法

1.5本文的研究内容及意义

第二章凝固过程复合夹杂物析出模型

2.1本模型的主要特点

2.2假设条件

2.3计算流程图

2.4计算条件

2.5模型参数的确定

2.5.1凝固前沿温度

2.5.2活度系数

2.5.3扩散系数和溶质分配系数

2.5.4两枝晶的间距

2.5.5局部凝固时间

2.5.6钢和夹杂的密度

2.6模型计算结果与讨论

2.6.1凝固前氧位对析出夹杂种类的影响

2.6.2凝固前氧位对夹杂生成量的影响

2.6.3凝固前沿元素的富集程度

2.6.4冷却速率对夹杂物平均尺寸的影响

2.7本章小结

第三章单向凝固实验研究复合夹杂析出

3.1实验目的

3.2实验设备

3.3实验内容

3.3.1实验原料与原料预处理

3.3.2单向凝固实验计划

3.3.3实验步骤

3.4实验结果与分析

3.4.1温度控制实验

3.4.2成分控制实验

3.4.3单向凝固组织

3.4.4试样制备、检测结果及讨论

3.5本章小结

第四章有机溶液电解分离超细复合夹杂物及检测方法研究

4.1有机溶液电解分离夹杂物实验研究

4.1.1电解分离装置

4.1.2电解液的组成

4.1.3电解主要参数的确定

4.1.4电解实验步骤

4.2超细复合夹杂物提取实验研究

4.2.1微孔过滤主要材料和装置

4.2.2检测试样的制备

4.3超细复合夹杂物的检测结果与讨论

4.3.1三种凝固前氧位下的检测结果

4.3.2硅锰含量对超细复合夹杂析出的影响

4.3.2酸溶法与电解法分离夹杂物对比

4.4电解提取超细夹杂物小结

第五章结论

参考文献

作者在攻读硕士学位期间公开发表的科研成果

致 谢