D01:10.13374/i.issnl001053x.2010.11.008 第32卷第11期 北京科技大学学报 Vol 32 N911 2010年11月 Journal ofUniversity of Science and Technobgy Bejjing Noy 2010 基于氧化物冶金技术的钛铝脱氧技术应用研究 尚德礼李德刚吕春风康磊邓伟 鞍钢股份有限公司技术中心.鞍山114009 摘要通过实验分析了钛脱氧的钢液再采用铝终脱氧后钢中夹杂物的形态和成分，并研究了钢的组织形貌和力学性能.结 果表明：A质量分数为0015%时，钢中仍然存在大量的T氧化物，T氧化物具有促进针状铁素体形核的能力，从而使组织得 到细化，其冲击功比不加铝脱氧钢提高了33%，证明了铝终脱氧的可行性. 关键词炼钢：针状铁素体；夹杂物：脱氧 分类号TF7035 Applied research of alum inum and titan im deoxdation based on oxdem etallur gy technology SHANG Deli LIDegang II Chun fng KANG Lei DENG Wei Techn ical Center Angang SteelCo Ld.Anshan 114009 Chna ABSTRACT The morphology and chm ical compositon of nclus pns were anayaed w ith experin ent inmolten steel deoxd ized by Al after Tideoxidatpn he stucues and mechanicalpopertes of this steelwere ako sudied It is shon that the tpe of ncuspns in the seel sm ainly titan im cxide when the mass fraction of aluminum is0 015%.Titanim oxide coul promoe he fomation of acicu lar errite which refines temcrostrucure of the seel Compaed w ith he steel without Al deoxilation he ipact pughness of he seel deoxdized by Al increases by 33%.Proving the feasbilit of final alum inum deoxidation KEY WORDS steemaking acicular ferrite incusia deoxidaton 氧化物治金技术是近年来炼钢领域采用的一项 脱氧剂之一，但若钢液中存在较高的铝含量，由于铝 特殊技术，其原理是通过加入合适的脱氧剂和采用 的脱氧能力要强于钛，其必定要影响生成氧化钛的 合理的脱氧制度来控制氧化物的性质，使钢中形成 数量一9，因此在钛氧化物治金过程中，加钛脱氧时 超细的（颗粒直径为0.2~3.0μ四、均匀分布的、成 钢液中不含铝或者不允许含有较高的铝，所以整个 分可控的高熔点氧化物夹杂，利用它们作为凝固时 炼钢过程中钢液采用不加铝脱氧.但是，目前生产 或固一固相变时的结晶核心，以改变钢的组织和晶 的低碳微合金钢，为了保证将钢液中的氧含量降到 粒度.使钢材具有良好的韧性、较高的强度和优良的 极低的水平，几乎都采用铝脱氧，通常熔炼低碳微 可焊性，这一技术开创了一条提高钢材质量的新途 合金钢时，铝终脱氧后钢液中氧的质量分数在15× 径-4.在已研究的各种TA和Z等氧化物中， 10以下.笔者前期实验结果显示：钢液采用钛终 T氧化物被认为可诱导针状铁素体形核，在含T氧 脱氧时，若钢中T的质量分数小于500×10，则氧 化物的钢中，通常以T氧化物为核心形成取向杂 的质量分数很难降至15×10以下.若继续向钢中 乱、相互交叉连接的铁素体板条，称为晶内铁素体， 加钛，氧含量会进一步降低，但为了保证钢材的使用 又称为针状铁素体，这种针状铁素体组织能够提供 性能，含钛微合金钢中T的质量分数一般不大于 高强度和高韧性相结合的细化组织5一刀 500×10,所以仅通过钛终脱氧很难将氧的质量分 A元素的脱氧能力较强，是炼钢过程中常用的 数降至15×10以下.为了使氧化物冶金技术在低 收稿日期：2009-10一21 作者简介：尚德礼(1973-)，男，工程师，硕士，Ema1her@163.com
第 32卷 第 11期 2010年 11月 北 京 科 技 大 学 学 报 JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing Vol.32 No.11 Nov.2010 基于氧化物冶金技术的钛 /铝脱氧技术应用研究 尚德礼 李德刚 吕春风 康 磊 邓 伟 鞍钢股份有限公司技术中心, 鞍山 114009 摘 要 通过实验分析了钛脱氧的钢液再采用铝终脱氧后钢中夹杂物的形态和成分, 并研究了钢的组织形貌和力学性能.结 果表明:Al质量分数为 0.015%时, 钢中仍然存在大量的 Ti氧化物, Ti氧化物具有促进针状铁素体形核的能力, 从而使组织得 到细化, 其冲击功比不加铝脱氧钢提高了 33%, 证明了铝终脱氧的可行性. 关键词 炼钢;针状铁素体;夹杂物;脱氧 分类号 TF703.5 Appliedresearchofaluminumandtitaniumdeoxidationbasedonoxidemetallurgytechnology SHANGDe-li, LIDe-gang, L Chun-feng, KANGLei, DENGWei TechnicalCenter, AngangSteelCo.Ltd., Anshan114009, China ABSTRACT ThemorphologyandchemicalcompositionofinclusionswereanalyzedwithexperimentinmoltensteeldeoxidizedbyAl afterTideoxidation;thestructuresandmechanicalpropertiesofthissteelwerealsostudied.Itisshownthatthetypeofinclusionsin thesteelismainlytitaniumoxidewhenthemassfractionofaluminumis0.015%.Titaniumoxidecouldpromotetheformationofacicularferritewhichrefinesthemicrostructureofthesteel.ComparedwiththesteelwithoutAldeoxidation, theimpacttoughnessofthe steeldeoxidizedbyAlincreasesby33%, provingthefeasibilityoffinalaluminumdeoxidation. KEYWORDS steelmaking;acicularferrite;inclusion;deoxidation 收稿日期:2009-10-21 作者简介:尚德礼 ( 1973— ), 男, 工程师, 硕士, E-mail:sh hero@163.com 氧化物冶金技术是近年来炼钢领域采用的一项 特殊技术, 其原理是通过加入合适的脱氧剂和采用 合理的脱氧制度来控制氧化物的性质, 使钢中形成 超细的 (颗粒直径为 0.2 ～ 3.0 μm) 、均匀分布的 、成 分可控的高熔点氧化物夹杂, 利用它们作为凝固时 或固 -固相变时的结晶核心, 以改变钢的组织和晶 粒度, 使钢材具有良好的韧性、较高的强度和优良的 可焊性, 这一技术开创了一条提高钢材质量的新途 径 [ 1 -4] .在已研究的各种 Ti、Al和 Zr等氧化物中, Ti氧化物被认为可诱导针状铁素体形核, 在含 Ti氧 化物的钢中, 通常以 Ti氧化物为核心形成取向杂 乱 、相互交叉连接的铁素体板条, 称为晶内铁素体, 又称为针状铁素体, 这种针状铁素体组织能够提供 高强度和高韧性相结合的细化组织 [ 5 -7] . Al元素的脱氧能力较强, 是炼钢过程中常用的 脱氧剂之一, 但若钢液中存在较高的铝含量, 由于铝 的脱氧能力要强于钛, 其必定要影响生成氧化钛的 数量 [ 8 -9] , 因此在钛氧化物冶金过程中, 加钛脱氧时 钢液中不含铝或者不允许含有较高的铝, 所以整个 炼钢过程中钢液采用不加铝脱氧.但是, 目前生产 的低碳微合金钢, 为了保证将钢液中的氧含量降到 极低的水平, 几乎都采用铝脱氧 .通常熔炼低碳微 合金钢时, 铝终脱氧后钢液中氧的质量分数在 15 × 10 -6以下.笔者前期实验结果显示 :钢液采用钛终 脱氧时, 若钢中 Ti的质量分数小于 500 ×10 -6 , 则氧 的质量分数很难降至 15 ×10 -6以下 .若继续向钢中 加钛, 氧含量会进一步降低, 但为了保证钢材的使用 性能, 含钛微合金钢中 Ti的质量分数一般不大于 500 ×10 -6 , 所以仅通过钛终脱氧很难将氧的质量分 数降至 15 ×10 -6以下 .为了使氧化物冶金技术在低 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2010.11.008
第11期 尚德礼等：基于氧化物冶金技术的钛铝脱氧技术应用研究 1419° 碳微合金钢生产上得以应用，采用先加钛脱氧，使钢 影响，同时满足钢液低磷、低硫成分的要求，确定精 中形成大量含钛氧化物，避免了钢液中铝与钛竞争 炼渣的成分见表1所示.待渣料全部熔化后，加入 与氧反应，最后再加铝进行终脱氧，将钢液中氧降到 锰铁、硅铁合金和增碳剂，反应均匀后，测定钢液的 极低的水平.根据热力学分析，在平衡态时，铝可以 氧含量，如果钢液的氧含量高，则向钢中加适量硅铁 还原钛氧化物，但在炼钢过程中的反应很少达到平 粉脱氧，如果钢中氧含量低可向钢中加入适量氧化 衡态，同时有动力学条件等制约，铝还原钛氧化物的 铁增氧，将钢液的氧含量控制到目标含氧量（质量 情况非常复杂，因此钛脱氧的钢液再采用铝终脱氧 分数为0.002%~0.003%).然后加钛铁，反应均 后钢中能否存在钛氧化物还需通过实验验证.本文 匀后，加铝粒终脱氧，测定钢液氧含量，在加铝后的 通过200k真空感应炉熔炼和500mm轧机的轧制 5101520和30m用石英管吸取钢样，同时测定 实验，研究了钛铝脱氧钢中夹杂物形貌、成分和数 钢液的氧含量，石英管试样采用空冷的方式进行冷 量以及钢的组织形貌和力学性能. 却.按实验计划取完全部试样后，出钢，浇铸成钢 锭.另一炉不加铝脱氧钢的熔炼过程与前者基本一 1实验钢熔炼 致，所不同的是加钛后没有加铝脱氧，在加钛后的 在200k堕空感应炉中进行两炉钢熔炼实验， 510.15.20和30m用石英管吸取钢样，同时测定 一炉钢采用加钛后再加铝终脱氧方式熔炼，另一炉 钢液的氧含量.实验钢的化学成分见表2 钢作为对比分析，加钛后不加铝脱氧.加铝脱氧钢 表1精炼渣成分（质量分数） 的熔炼过程是：先将待熔化钢料（工业纯铁）放在感 Table Conposition of refining slag % 应炉中，真空状态下通电加热，待钢液温度达到 CaO sQ M8 ALQ C死 1600℃，加入适量造渣料，将钢液液面覆盖.综合 40 30 10 15 考虑渣的熔点、碱度、渣对炉衬及其对钢中夹杂物的 表2低碳钢的化学成分（质量分数） Table 2 Chem ical composition of the low carbon steel % 脱氧方式 Si Mn P 手 Nb Ti Al 加铝 0.06 030 1.50 0015 ≤0007 004 0.020 0015 不加铝 006 030 1.50 0015 ≤0007 004 0.020 将上述试样加工，清洗、打磨和抛光制成金相 0.0030 样，用金相显微镜结合图像分析仪测定试样中的夹 0.0025 ·加铝 ◆不加铝 杂物颗粒尺寸和分布.用配有能谱仪的扫描电子显 ￥0.0020 微镜(SM对夹杂物进行成分分析，并观察形貌. 运用化学分析方法测定原始钢料和试样中常规元素 (CSiM9 P SNb TiA含量. 深0.0010 2实验结果及分析 0.0005F 0 2.1钢液氧含量分析 5 1015202530 定氧时间min 加铝脱氧钢在加铝后的5.10.15.20和30mn 图1氧含量随时间的变化趋势 的氧含量值和不加铝脱氧钢加钛后51015、20和 F1 Change ofoxygen conentwith tme 30m的氧含量值的变化情况如图1所示. 从图1可以看出，由于钢液吸氧，加铝脱氧钢和 步增加钢中钛含量，但是钛含量过高会严重影响钢 不加铝脱氧钢中氧含量随时间变化呈逐渐上升趋 的性能.可见，为了保证钢液氧含量在较低的水平， 势，但铝脱氧钢的氧含量始终低于不加铝脱氧钢，最 采用铝进行终脱氧可以得到较好的脱氧效果 终在30m时铝脱氧钢中氧的质量分数仅为 22夹杂物粒径分析 0.0015%,而不加铝脱氧钢中氧的质量分数达到了 将反应30m后的终点试样磨抛后在金相显 0.00289%.本次实验两炉钢中钛的质量分数同为 微镜下进行观察研究，然后利用图像分析软件系统 0.02%,为了降低不加铝脱氧钢的氧含量，可以进一 对夹杂物的数量和尺寸进行统计分析.为了得到较
第 11期 尚德礼等:基于氧化物冶金技术的钛 /铝脱氧技术应用研究 碳微合金钢生产上得以应用, 采用先加钛脱氧, 使钢 中形成大量含钛氧化物, 避免了钢液中铝与钛竞争 与氧反应, 最后再加铝进行终脱氧, 将钢液中氧降到 极低的水平 .根据热力学分析, 在平衡态时, 铝可以 还原钛氧化物, 但在炼钢过程中的反应很少达到平 衡态, 同时有动力学条件等制约, 铝还原钛氧化物的 情况非常复杂, 因此钛脱氧的钢液再采用铝终脱氧 后钢中能否存在钛氧化物还需通过实验验证 .本文 通过 200 kg真空感应炉熔炼和 500 mm轧机的轧制 实验, 研究了钛 /铝脱氧钢中夹杂物形貌、成分和数 量以及钢的组织形貌和力学性能. 1 实验钢熔炼 在 200 kg真空感应炉中进行两炉钢熔炼实验, 一炉钢采用加钛后再加铝终脱氧方式熔炼, 另一炉 钢作为对比分析, 加钛后不加铝脱氧.加铝脱氧钢 的熔炼过程是:先将待熔化钢料 (工业纯铁 )放在感 应炉中, 真空状态下通电加热, 待钢液温度达到 1 600℃, 加入适量造渣料, 将钢液液面覆盖 .综合 考虑渣的熔点、碱度、渣对炉衬及其对钢中夹杂物的 影响, 同时满足钢液低磷、低硫成分的要求, 确定精 炼渣的成分见表 1所示 .待渣料全部熔化后, 加入 锰铁 、硅铁合金和增碳剂, 反应均匀后, 测定钢液的 氧含量, 如果钢液的氧含量高, 则向钢中加适量硅铁 粉脱氧, 如果钢中氧含量低可向钢中加入适量氧化 铁增氧, 将钢液的氧含量控制到目标含氧量 (质量 分数为 0.002% ～ 0.003%) .然后加钛铁, 反应均 匀后, 加铝粒终脱氧, 测定钢液氧含量, 在加铝后的 5、10、15、20和 30 min用石英管吸取钢样, 同时测定 钢液的氧含量 .石英管试样采用空冷的方式进行冷 却.按实验计划取完全部试样后, 出钢, 浇铸成钢 锭.另一炉不加铝脱氧钢的熔炼过程与前者基本一 致, 所不同的是加钛后没有加铝脱氧, 在加钛后的 5、10、15、20和 30 min用石英管吸取钢样, 同时测定 钢液的氧含量 .实验钢的化学成分见表 2. 表 1 精炼渣成分 (质量分数 ) Table1 Compositionofrefiningslag % CaO SiO2 MgO Al2O3 CaF2 40 30 10 15 5 表 2 低碳钢的化学成分 (质量分数 ) Table2 Chemicalcompositionofthelowcarbonstee1 % 脱氧方式 C Si Mn P S Nb Ti Al 加铝 0.06 0.30 1.50 ≤0.015 ≤0.007 0.04 0.020 0.015 不加铝 0.06 0.30 1.50 ≤0.015 ≤0.007 0.04 0.020 — 将上述试样加工、清洗、打磨和抛光制成金相 样, 用金相显微镜结合图像分析仪测定试样中的夹 杂物颗粒尺寸和分布 .用配有能谱仪的扫描电子显 微镜 ( SEM)对夹杂物进行成分分析, 并观察形貌 . 运用化学分析方法测定原始钢料和试样中常规元素 ( C, Si, Mn, P, S, Nb, Ti, Al)含量 . 2 实验结果及分析 2.1 钢液氧含量分析 加铝脱氧钢在加铝后的 5、10、15、20 和 30 min 的氧含量值和不加铝脱氧钢加钛后 5、10、15、20和 30 min的氧含量值的变化情况如图 1所示 . 从图 1可以看出, 由于钢液吸氧, 加铝脱氧钢和 不加铝脱氧钢中氧含量随时间变化呈逐渐上升趋 势, 但铝脱氧钢的氧含量始终低于不加铝脱氧钢, 最 终在 30 min时铝 脱氧钢中 氧的质量分 数仅为 0.001 5%, 而不加铝脱氧钢中氧的质量分数达到了 0.002 8%.本次实验两炉钢中钛的质量分数同为 0.02%, 为了降低不加铝脱氧钢的氧含量, 可以进一 图 1 氧含量随时间的变化趋势 Fig.1 Changeofoxygencontentwithtime 步增加钢中钛含量, 但是钛含量过高会严重影响钢 的性能.可见, 为了保证钢液氧含量在较低的水平, 采用铝进行终脱氧可以得到较好的脱氧效果 . 2.2 夹杂物粒径分析 将反应 30 min后的终点试样磨抛后在金相显 微镜下进行观察研究, 然后利用图像分析软件系统 对夹杂物的数量和尺寸进行统计分析.为了得到较 · 1419·
。1420 北京科技大学学报 第32卷 准确的统计结果，每一个试样上取五个视场分别统 夹杂物的数量作为最后的统计结果.实验钢中夹杂 计，再求其平均值，得到该试样在单位面积上分布的 物粒径分布和数量情况见表3 表3试样中各个尺寸范围内夹杂物的数量和总数量 Tabl3 Number and ptal number in the different sizes of inclusians in specm ens 02μmk1.0μm1.0k20Hm20mk3.02m d3.0μm 02μkk30um 脱氧 平均粒 夹杂物总数/ 夹杂物总数/ 夹杂物总数/ 夹杂物总数/ 夹杂物总数/ 方式 径肚m mnr-2 mmr-2 mmr-2 m-2 mnr2 加铝 1070 670 100 20 1840 1.39 不加铝 560 690 190 120 1440 21 从表3可以看出，加铝脱氧钢中，粒径小于3μ的 加铝脱氧不仅可以将钢液氧含量降到较低水平，而 夹杂物含量较高，达到1840nT2,而大于3μ的夹杂 且还可以细化钢中的夹杂物，但如果这些超细夹杂 物数量较少，仅为20m2.在不加铝脱氧钢中，夹杂 物为氧化铝，则失去了氧化物治金的意义，因为只有 物数量变化趋势与之相反，钢中粒径小于34的夹杂 超细的含钛氧化物才能诱导针状铁素体析出，所以 物含量较低，为1440nT2,而大于3μ的夹杂物数量 需要通过扫描电镜和能谱分析来分析钢中夹杂物的 多达120n2.氧化物治金技术主要是利用钢中析出 形貌和成分.反应30m的试样反应时间最长，也 的粒径为02μ飞丈3μm的超细夹杂物来诱导针状 最具说服力，如果加铝反应的试样中仍然存在大量 铁素体析出4，因此加铝脱氧钢有利于控制夹杂物的 含钛氧化物，那么说明铝没有还原钛氧化物，或者铝 过度长大，在钢的凝固组织中形成超细夹杂物， 在30m呐不能完全还原钛氧化物.加铝和不加铝 2.3夹杂物成分及形貌分析 的脱氧钢中夹杂物的形貌和组成及夹杂物周围的组 从钢液的氧含量和钢中夹杂物粒径分析可知， 织特征见图2和图3所示 32 (b) 2.6 1.9 1.3 0.6 Fe 10 20.0kVx80002m E/keV 图2加铝脱氧钢中夹杂物的形貌（网和成分(） Fg2 Morplokgy(a and compositicn (b of nc usins in the steelwithAl deoxida tion 12 1.0 07 0.5 Ti 0.2 0 10 2000 E/keV 图3不加铝脱氧钢中夹杂物的形貌（西和成分( Fg3 Mo phopgy(码nd compositin(b of incus知sn the steel withoutAl deoxdlatio知
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 准确的统计结果, 每一个试样上取五个视场分别统 计, 再求其平均值, 得到该试样在单位面积上分布的 夹杂物的数量作为最后的统计结果.实验钢中夹杂 物粒径分布和数量情况见表 3. 表 3 试样中各个尺寸范围内夹杂物的数量和总数量 Table3 Numberandtotalnumberinthedifferentsizesofinclusionsinspecimens 脱氧 方式 0.2μm<d<1.0μm 夹杂物总数 / mm-2 1.0μm<d<2.0μm 夹杂物总数 / mm-2 2.0μm<d<3.0μm 夹杂物总数 / mm-2 d>3.0μm 夹杂物总数 / mm-2 0.2μm<d<3.0μm 夹杂物总数 / mm-2 平均粒 径 /μm 加铝 1 070 670 100 20 1 840 1.39 不加铝 560 690 190 120 1 440 2.11 从表 3可以看出, 加铝脱氧钢中, 粒径小于 3μm的 夹杂物含量较高, 达到 1 840mm -2 , 而大于3μm的夹杂 物数量较少, 仅为 20 mm -2 .在不加铝脱氧钢中, 夹杂 物数量变化趋势与之相反, 钢中粒径小于 3 μm的夹杂 物含量较低,为 1 440 mm -2 , 而大于3μm的夹杂物数量 多达 120mm -2 .氧化物冶金技术主要是利用钢中析出 的粒径为 0.2μm<d<3μm的超细夹杂物来诱导针状 铁素体析出 [ 4] , 因此加铝脱氧钢有利于控制夹杂物的 过度长大, 在钢的凝固组织中形成超细夹杂物. 2.3 夹杂物成分及形貌分析 从钢液的氧含量和钢中夹杂物粒径分析可知, 加铝脱氧不仅可以将钢液氧含量降到较低水平, 而 且还可以细化钢中的夹杂物, 但如果这些超细夹杂 物为氧化铝, 则失去了氧化物冶金的意义, 因为只有 超细的含钛氧化物才能诱导针状铁素体析出, 所以 需要通过扫描电镜和能谱分析来分析钢中夹杂物的 形貌和成分 .反应 30 min的试样反应时间最长, 也 最具说服力, 如果加铝反应的试样中仍然存在大量 含钛氧化物, 那么说明铝没有还原钛氧化物, 或者铝 在 30 min内不能完全还原钛氧化物.加铝和不加铝 的脱氧钢中夹杂物的形貌和组成及夹杂物周围的组 织特征见图 2和图 3所示 . 图 2 加铝脱氧钢中夹杂物的形貌 (a)和成分 (b) Fig.2 Morphology( a) andcomposition(b) ofinclusionsinthesteelwithAldeoxidation 图 3 不加铝脱氧钢中夹杂物的形貌 (a)和成分 (b) Fig.3 Morphology( a) andcomposition( b) ofinclusionsinthesteelwithoutAldeoxidation · 1420·
第11期 尚德礼等：基于氧化物冶金技术的钛铝脱氧技术应用研究 1421° 从图2可以看出，加铝脱氧钢中，在一个直径为 表4钢的力学性能 Tabl4 Mechanical Propertes of the steels 1μ左右的夹杂物周围呈放射状地析出针状铁素 体组织，能谱分析证明了该夹杂物为钛铝复合氧化 脱氧 屈服强度， 抗拉强度 伸长率，冲击功(0℃)， 方式 G /MPa Gb/MPa % Av/] 物，说明铝脱氧30m迎后，钢液中的铝仍不能完全 加铝 405 689 35 206 将钛氧化物还原为钛，且在随后的冷却凝固过程中， 不加铝 377 62 32 155 这些超细的钛铝复合氧化物可诱导针状铁素体析 出.与此相反，从图3可见，不加铝脱氧钢中一个 从实验结果可以看出，加铝脱氧钢的强度和冲 直径8μm左右的粗大的含钛氧化物周围并没有 击功比不加铝脱氧钢的高，尤其是冲击功，加铝脱氧 针状铁素体析出，这与文献[4)所叙述的颗粒直径 钢比不加铝脱氧钢提高了32.90%.这是因为加铝 为0.2~3μm的氧化物有利于针状铁素体析出的 脱氧钢中含有大量超细含钛氧化物，从奥氏体到铁 情况一致.不加铝脱氧钢中同时也存在粒径小于 素体的相变过程中可以诱导针状铁素体析出，如 3μm的钛氧化物，这些钛氧化物同样可以诱导针 图所示，这种组织细化了铁素体的晶粒，同时因晶 状铁素体析出，只不过数量较少，细化组织效果不 粒交叉互锁而抑制了裂纹的延伸，可同时提高钢的 明显 强度和韧性. 2.4力学性能分析 在扫描电镜下观察了冲击试样的断口形貌，如 将200k感应炉熔炼的钢锭在实验室500mm 图4所示.不加铝脱氧钢的组织为典型的河流状解 轧机上进行轧制，钢锭经1200℃加热，轧制成18m 理形貌，解理单元的尺寸较大：加铝脱氧钢的解理单 厚钢板，轧后采用水冷方式冷却，800~500℃冷却 元尺寸明显变小；解理面尺寸大小决定着冲击韧性 速率为15℃·s,然后空冷至室温.在ZB-30B 的好坏，解理面尺寸越大，冲击韧性越小1，所以不 冲击试验机和WAW一Y5O0拉伸试验机上按照GB/ 加铝脱氧钢的冲击值偏低，而加铝脱氧钢的解理面 T228.GB/TD29进行力学性能检验.轧后钢板的力 之间存在明显的撕裂棱，所以加铝脱氧钢的冲击韧 学性能如表4所示. 性明显提高. 20m 20 um 图4加铝脱氧钢(3和不加铝脱氧钢(b的解理形貌 F4 Clavage morplokgies of the steelswiAl deoxilatin ad withoutAl deox idaticn (b 3结论 细的钛铝复合氧化物，在工业生产时，铝终脱氧后至 铸坯完全凝固可以控制在30m以内，因此工业熔 ()采用钛预脱氧的钢液再加铝脱氧，可以将 炼低碳微合金钢过程中，在加钛脱氧后，再加铝终脱 钢液中氧含量降到较低水平，并且能有效地将钢中 氧是可行的. 氧化物的平均粒径控制在1.39μ四 (2)钢液加铝后，铝与钛氧化物反应后生成的 参考文献 超细的钛铝复合氧化物在奥氏体到铁素体的相变过 [I]Lee JI Evalu tion of the nucleation potntial of intagranu lar ac 程中可以诱导针状铁素体析出，从而细化了铁素体 icular ferris in steel weldments Acta Men 1994 42(10} 的晶粒，其冲击功比不加铝脱氧钢提高了33%. 3291 (3)钢液加铝脱氧30m后，钢中仍然存在超 (下转第1446页)
第 11期 尚德礼等:基于氧化物冶金技术的钛 /铝脱氧技术应用研究 从图 2可以看出, 加铝脱氧钢中, 在一个直径为 1 μm左右的夹杂物周围呈放射状地析出针状铁素 体组织, 能谱分析证明了该夹杂物为钛铝复合氧化 物, 说明铝脱氧 30 min后, 钢液中的铝仍不能完全 将钛氧化物还原为钛, 且在随后的冷却凝固过程中, 这些超细的钛铝复合氧化物可诱导针状铁素体析 出 .与此相反, 从图 3可见, 不加铝脱氧钢中一个 直径 8 μm左右的粗大的含钛氧化物周围并没有 针状铁素体析出, 这与文献 [ 4] 所叙述的颗粒直径 为 0.2 ～ 3 μm的氧化物有利于针状铁素体析出的 情况一致.不加铝脱氧钢中同时也存在粒径小于 3 μm的钛氧化物, 这些钛氧化物同样可以诱导针 状铁素体析出, 只不过数量较少, 细化组织效果不 明显 . 2.4 力学性能分析 将 200 kg感应炉熔炼的钢锭在实验室 500 mm 轧机上进行轧制, 钢锭经 1200 ℃加热, 轧制成 18 mm 厚钢板, 轧后采用水冷方式冷却, 800 ～ 500 ℃冷却 速率为 15 ℃·s -1 , 然后空冷至室温.在 ZJB-30B 冲击试验机和 WAW-Y500拉伸试验机上按照 GB/ T228、GB/T229进行力学性能检验 .轧后钢板的力 学性能如表 4所示. 表 4 钢的力学性能 Table4 Mechanicalpropertiesofthesteels 脱氧 方式 屈服强度, σs/MPa 抗拉强度, σb/MPa 伸长率, δ/% 冲击功 ( 0℃), Akv/J 加铝 405 689 35 206 不加铝 377 622 32 155 从实验结果可以看出, 加铝脱氧钢的强度和冲 击功比不加铝脱氧钢的高, 尤其是冲击功, 加铝脱氧 钢比不加铝脱氧钢提高了 32.90%.这是因为加铝 脱氧钢中含有大量超细含钛氧化物, 从奥氏体到铁 素体的相变过程中可以诱导针状铁素体析出, 如 图 2所示, 这种组织细化了铁素体的晶粒, 同时因晶 粒交叉互锁而抑制了裂纹的延伸, 可同时提高钢的 强度和韧性. 在扫描电镜下观察了冲击试样的断口形貌, 如 图 4所示 .不加铝脱氧钢的组织为典型的河流状解 理形貌, 解理单元的尺寸较大 ;加铝脱氧钢的解理单 元尺寸明显变小;解理面尺寸大小决定着冲击韧性 的好坏, 解理面尺寸越大, 冲击韧性越小 [ 10] , 所以不 加铝脱氧钢的冲击值偏低, 而加铝脱氧钢的解理面 之间存在明显的撕裂棱, 所以加铝脱氧钢的冲击韧 性明显提高. 图 4 加铝脱氧钢 ( a)和不加铝脱氧钢 ( b)的解理形貌 Fig.4 CleavagemorphologiesofthesteelswithAldeoxidation( a) andwithoutAldeoxidation(b) 3 结论 ( 1) 采用钛预脱氧的钢液再加铝脱氧, 可以将 钢液中氧含量降到较低水平, 并且能有效地将钢中 氧化物的平均粒径控制在 1.39 μm. ( 2) 钢液加铝后, 铝与钛氧化物反应后生成的 超细的钛铝复合氧化物在奥氏体到铁素体的相变过 程中可以诱导针状铁素体析出, 从而细化了铁素体 的晶粒, 其冲击功比不加铝脱氧钢提高了 33%. ( 3) 钢液加铝脱氧 30 min后, 钢中仍然存在超 细的钛铝复合氧化物, 在工业生产时, 铝终脱氧后至 铸坯完全凝固可以控制在 30 min以内, 因此工业熔 炼低碳微合金钢过程中, 在加钛脱氧后, 再加铝终脱 氧是可行的. 参 考 文 献 [ 1] LeeJL.Evaluationofthenucleationpotentialofintragranularacicularferriteinsteelweldments.ActaMetall, 1994, 42 ( 10 ): 3291 (下转第 1446页 ) · 1421·
。1446 北京科技大学学报 第32卷 amre feld of Sendzm ir ntemediatel TmnsMaterHeatTreat 的计算机模拟.材料热处理学报，200324(1)：78) 200627(4:126 13 LiL J Wu BB Wen DY Quenched resdual suessofoil cas 陈洪.刘勇，杨贤镛.森吉米尔中间辊淬火温度场的有限元 ing based on finite elment anaysis Comput Aided Eng 2006 模拟.材料热处理学报，200627(4)：126 15(Sppl1)片326 10]LiYX Li YZ Zhao JE et al Influence by cooling vepcity (李连进，武斌斌，温殿英.基于有限元分析的石油套管淬 on Phase change l of 25MnV/P110 oil casing Steel Pe 火残余应力.计算机辅助工程，200615（增刊1）：326) 200938(1):22 [14 GanY Tian ZI Dang H et al China MateralEngneering (李亚欣，刘雅政，赵金锋，等.冷却速度对25MV/10钢 Canron Vol 2 Beijng Chem ical hdustry Press 2006 级石油套管相变规律的影响.钢管，200938(1：22) (干勇，田志凌，瀚，等。中国材料工程大典：第2卷北京： 11]KoistinenD P MarbugerR E General equat on prescribing he 化学工业出版社.2006 exient of the austen ite manensite transommation n pure ion car 15 Wu BB WenD Y LiL J etal Smuktin of temperaure bon alke's and plan catbon steek Acm Metall 1959 7:59 fie H of quenching process of hotroled high stength seam less 12]YaoX Gu JE HuM J et al Computer smulation ofGCn5 Ppe by FEM JTianjin Univ Technol 2006 22(6):28 steel wih hol by cylinder during quenching Process TransMa ter (武斌斌，温殿英，李连进，等.热轧高强度无缝钢管淬火工 HeatT题，t200324(1):78 艺温度场有限元模拟.天津理工大学学报，200622(6： (姚新，顾剑锋，胡明娟，等.空心圆柱体GC5钢淬火过程 28) (上接第1421页) [2 Tom itaY SaioN TsuzukiT et a]mpoovement in HAZ pugh during soldification of deoxil ized stee]SIJ Int 1998 38(1} nessof steel by TNMnS addition ISUI Int 1994 34(10):829 46 【3到JinT ShooM Roles ofoxides in stelperomance∥P oed ings I8 ShangD I,L C F Yu GW.Precpitatin and growth of oxides of the Sxth Intematinal Ion and Steel Congress Nagya 199. during solidificat ion of bw catbon steel deoxid ized with Ti Found 591 g200857(6:553 【YaamopK HasegwaT Takaum】Ef银ct of boron on n政 (尚德礼，吕春风，于广文.钛脱氧低碳钢液凝固过程中氧化 granulr ferrite pmation n Ticxide bearing steel SIl Int 物的析出和长大.铸造，200857(6)：553) 199636(1):80 [9 ShangD I,la C F Precipitation behavor of nclusions induce 【习OgbayashiS Ya®uchiK HiraiM The eauesof ox ides n Ti mation nuc kea tion of intagranu lar ferrite in mico albyed steel deox idizes seel/Proceed ngs of the Sixth Intema tiona l Ion and JUnivSciTechnol Beijng 200 30(8):864 Stee Congres呼Ne阳1990612 (尚德礼，吕春风.微合金钢中夹杂物诱导品内铁素体析出行 I6 Mizguehi$Takamum J Control of oxides as nocukmty/P 为.北京科技大学学报，200830(8)：864) ceed ings of the Sixt Intema tional In and Steel Congress Nag [10 Byun JS Shi JH Suh JY et al hocuhted acicular ferrite 地1990598 microstrucure and mechanical prpenies Mater Sci Eng A I7 MaZ Dieter J Charac teristics of oxide Precipittion and gowth 2001.319-321326
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