大线能量焊接用厚钢板的夹杂物控制方法

摘要

大线能量焊接用厚钢板的夹杂物控制方法，钢液在浇注过程中添加脱氧剂，所述脱氧剂的种类和添加顺序是Mn、Si→Al→Ti→Ca→Mg；Mg含量0.0005～0.007％，进行Mg脱氧的时候需调节钢液中的氧位，并通过在浇铸锭模中添加Fe2O3粉来精确控制，Fe2O3粉的添加量是使钢液中的氧含量为0.001％～0.008％；钢中Al含量小于0.006％；钢液中小于3μm的夹杂物所占比例大于或等于80％，夹杂物面密度大于或等于300个/mm2；夹杂物中心的主要成分为MgO或MgO+Ti2O3，夹杂物外表面的主要成份是MnS。本发明方法所形成的夹杂物有利于抑制焊接热影响区奥氏体晶粒长大，促进晶内铁素体生长，从而提高厚板的大线能量焊接性能。

权利要求

1.大线能量焊接用厚钢板的夹杂物控制方法，钢液在浇注过程中添加脱氧剂，所述脱氧剂的种类和添加顺序是Mn、Si→Al→Ti→Ca→Mg，Mn、Si、Ti、Ca的添加量分别是，Mn：1.3~1.7%，Si：0.10~0.30%，Ti：0.005~0.02%，Ca≤0.004%；Mg含量0.0005~0.007%，其中的Mg脱氧剂以在锭模底部添加NiMg合金的形式加入，NiMg合金含Mg5-50%，余量为Ni，粒度为1-30mm，进行Mg脱氧的时候需调节钢液中的氧位，并通过在浇铸锭模中添加Fe2O3粉来精确控制，Fe2O3粉的添加量是使钢液中的氧含量为0.001%~0.008%；钢中Al含量小于

0.006%；上述含量均以重量百分比计；钢液中小于3μm的夹杂物所占比例大于或等于80%，

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夹杂物面密度大于或等于300个/mm ；夹杂物中心的主要成分为MgO或MgO+Ti2O3，夹杂物外表面的主要成份是MnS。

2.如权利要求1所述的大线能量焊接用厚钢板的夹杂物控制方法，其特征是，所述锭模采用CaO系、MgO系、Al2O3系、或MgO-Al2O3系的耐材。

说明书

大线能量焊接用厚钢板的夹杂物控制方法

技术领域

[0001] 本发明属于钢铁冶金领域，特别涉及一种大线能量焊接用厚钢板的夹杂物控制方法，在大线能量焊接用厚钢板的冶炼过程中通过精确控制Mg脱氧时的氧位、采用合适的脱氧剂种类和添加方法，形成大量微细弥散分布和一定成分的夹杂物。这种夹杂物可以满足厚钢板提高大线能量焊接性能的要求。

背景技术

[0002] 在造船、建筑、压力容器、石油天然气管线及海洋平台等许多领域，提高厚钢板焊接热影响区的韧性已经成为越来越迫切的要求。例如，在船舶工业中焊接是其制造工艺的关键环节之一，焊接工时占建造总共工时的30％-40％左右。提高船板钢的焊接性能，采用大线能量焊接工艺，可以提高焊接的效率，缩短造船周期和降低造船成本。

[0003] 然而，在传统厚钢板的大线能量焊接过程中，焊接热影响区的强度和韧性随着焊接线能量的提高而大幅下降，因此防止焊接过程中热影响区性能的恶化是开发大线能量焊接用钢的关键。通常经过TMCP工艺制造的具有微细组织结构的厚钢板经过焊接热循环之后，原来良好的组织结构遭到破坏，奥氏体晶粒明显长大，形成粗晶热影响区，使大线能量焊接过程中焊接热影响区的韧性降低。在粗晶热影响区导致脆化的组织是冷却过程中形成的粗大的晶界铁素体、侧板条铁素体和上贝氏体，以及在晶界铁素体近傍形成的珠光体、在侧板条铁素体的板条间形成的碳化物岛状M-A组元等。随着旧奥氏体晶粒粒径的增加，晶界铁素体和侧板条铁素体等尺寸也相应增大，焊接热影响区的夏比冲击功将显著降低。

[0004] 提高厚钢板大线能量焊接性能的措施之一是细化焊接热影响区的奥氏体晶粒。细化奥氏体晶粒的方法是利用在钢材中弥散分布的微细夹杂物作为钉扎粒子，在焊接热循环的过程中，钉扎奥氏体晶界的移动，抑制奥氏体晶粒的长大。这样就可以减小脆性组织晶界铁素体和侧板条铁素体等的尺寸，达到改善焊接热影响区韧性的目的。

[0005] 提高焊接热影响区韧性的措施之二是在焊接冷却从奥氏体到铁素体的相变过程中促进晶内针状铁素体的形成。这样一方面可以通过针状铁素体的分割作用减小晶粒大小；另一方面，针状铁素体的韧性良好，有利于改善焊接热影响区的韧性。

[0006] 可以有效地发挥钉扎作用的粒子必须同时具备在钢材中的分散性和焊接高温下的稳定性这两种特性。Fe3C、VC、TiC、NbC等碳化物粒子，以及AlN、TiN等氮化物粒子虽然可以在钢材中微细分散，但是在焊接热循环的融合线附近的温度超过1400℃的高温下，发生固溶或者长大，不能很好地抑制奥氏体晶粒的长大。Al2O3、Ti2O3等氧化物粒子，虽然在焊接热循环的高温下可以稳定存在，不发生固溶，但是这些粒子粒径较大，也不能很好地抑制奥氏体晶粒的长大。强脱氧剂Mg、Ca、REM等氧化物和硫化物粒子，尤其是Mg的氧化物粒子，同时具备在钢材中的分散性和焊接高温下的稳定性这两种特性，可以有效地钉扎奥氏体晶界的移动，抑制奥氏体晶粒的长大。

[0007] 能够促进晶内铁素体生长的夹杂物有许多种类。由于Mn的固态扩散作用，在焊接的冷却过程中，在MnS粒子的周围将形成贫Mn层，这将提高该处的奥氏体-铁素体相变转化温度，因此MnS粒子可以促进晶内铁素体的生长。TiN粒子与铁素体具有低能位相关系，也可以促进晶内铁素体的生长。

[0008] 因此，如何确定冶炼过程中生成微细夹杂物的工艺条件，并对钢材中夹杂物的成分、粒径、分布和数量进行合理的控制，以抑制奥氏体晶粒长大和促进晶内铁素体生长，成为提高厚钢板大线能量焊接性能的关键。

[0009] 日本专利JP3378433(児島明彦、渡辺義之、千々岩力雄：溶接熱影響部靭性の優れた鋼板の製造方法，JP3378433，1996.4.12。)介绍了利用钢中的MgO微粒改善厚钢板焊接热影响区韧性的方法，指出随着钢中Mg含量的提高，MgO粒子的数量大幅度增加，在焊接过程中高达1400℃加热时，奥氏体晶粒的长大受到明显的抑制。日本专利JP3476999(児島明彦、渡辺義之：溶接熱影響部靭性の優れた鋼板，JP3476999，1996.5.21)将钢材中的MgO夹杂分成纳米级夹杂(50-500nm)和微米级夹杂(0.5-5μm)两类，这两类夹杂的数量随着钢中Mg含量的增高而显著增加，可以显著降低奥氏体晶粒的粒径，并减小焊接热影响区脆性组织晶界铁素体和侧板条铁素体的尺寸，从而改善厚钢板的大线能量焊接性能。

发明内容

[0010] 本发明的目的是提供一种大线能量焊接用厚钢板的夹杂物控制方法，所形成的夹杂物在钢材中微细弥散分布，可以满足提高厚板大线能量焊接性能的要求。

[0011] 为达到上述目的，本发明的技术方案是，

[0012] 大线能量焊接用厚钢板的夹杂物控制方法，钢液在浇注过程中添加脱氧剂，所述脱氧剂的种类和添加顺序是Mn、Si→Al→Ti→Ca→Mg；Mn、Si、Ti、Ca的添加量分别是，Mn：1.3～1.7％，Si：0.10～0.30％，Ti：0.005～0.02％，Ca≤0.004％；Mg含量0.0005～0.007％，进行Mg脱氧的时候需调节钢液中的氧位，并通过在浇铸锭模中添加Fe2O3粉来精确控制，Fe2O3粉的添加量是使钢液中的氧含量为0.001％～0.008％，上述含量均以重量百分比计；钢中Al含量小于0.006％。钢液中小于3μm的夹杂物所占比例大于或等于80％，
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夹杂物面密度大于或等于300个/mm ；夹杂物中心的主要成分为MgO或MgO+Ti2O3，夹杂物外表面的主要成份是MnS。

[0013] 进一步，以在锭模底部添加NiMg合金的形式加入Mg脱氧剂。

[0014] 又，所述锭模采用CaO系、MgO系、Al2O3系、或MgO-Al2O3系的耐材。

[0015] 为了在钢材中形成微细弥散分布的夹杂物，首先在钢液的脱氧过程中应选择合适的脱氧剂、以及添加顺序和方法。本发明采用Mn、Si→Al→Ti→Ca→Mg的添加顺序进行脱氧。Mn、Si、Ti、Ca的添加量分别是，Mn：1.3～1.7％，Si：0.10～0.30％，Ti：0.005～0.02％，Ca≤0.004％。首先使用Si、Mn进行脱氧，可以降低钢液中的自由氧含量。由于Si、Mn脱氧形成的氧化物熔点低，同时易于相互结合形成更低熔点的复合夹杂物聚集长大，这样的夹杂物容易上浮去除，有利于提高钢液的洁净度。然后进一步使用Al对氧位进行调节后，再进行Ti脱氧。部分自由氧与Ti结合，形成Ti的氧化物，残留在钢液中。由于Ti的氧化物具有促进晶内体素体形成的作用，这有利于改善钢材的韧性。经Si、Mn、Al脱氧之后，自由氧含量已经大大降低，所以，大部分的Ti将溶解于钢液中。为了改善钢材中硫化物的形态以提高钢材的横向冲击性能，随后往钢液中添加Ca脱氧剂。

[0016] 最后在出钢过程中，采取在锭模底部均匀铺垫NiMg合金的方式添加Mg脱氧剂，这种方法可以提高Mg的收得率。这是因为NiMg合金大大降低了Mg的活度，从而降低了Mg的蒸发速度和氧化速度。通过NiMg的合金化，还增加了Mg添加剂的密度，降低了其上浮速度，延长了Mg在钢液中的溶化时间。此外通过浇铸过程中钢液冲击流的搅拌作用，使Mg在钢液中的溶解和成分均匀化同时完成。这样就可以显著地提高Mg的收得率。

[0017] 钢材中应当具有合适的Mg含量。当Mg含量小于0.0005％时，生成的MgO微粒的数量将显著减少，在焊接过程中，不能很好地钉扎奥氏体晶界的移动，抑制奥氏体晶粒的长大。此外含Mg的夹杂物和MnS、TiN具有低能位相关系，可以促进MnS、TiN微粒在含Mg的夹杂物表面析出，从而促进晶内体素体的形成。当钢材中的Mg含量小于0.0005％时，夹杂物中的Mg含量显著降低，将不能满足在夹杂物表面析出MnS、TiN的要求，弱化了夹杂物作为铁素体形核的作用。如果Mg含量大于0.007％，Mg的作用已经饱和，同时增加了Mg的蒸发损失和氧化损失，从而增加了制造成本。所以钢中Mg含量以0.0005-0.007％为宜，此时形成的夹杂物中心的主要成份为MgO或MgO+Ti2O3，其外表面的成份主要是析出的MnS。

[0018] 在Si、Mn、Al、Ti、Ca脱氧之后，钢液中的自由氧含量很低。这样虽然可以提高Mg的收得率，但是也阻碍了MgO微细夹杂的大量形成。为此，本发明在浇铸锭模底部均匀铺垫NiMg合金的同时，添加微量的Fe2O3粉。这样可以精确地控制Mg添加时的自由氧含量，促进含MgO微细夹杂物的大量形成。当添加Fe2O3粉使钢液中的氧含量大于0.008％时，将生成部分粒径大于5μm的夹杂物，这些较大的夹杂物在冲击试验过程中将作为裂纹的起点，降低钢材的冲击韧性。当添加Fe2O3粉使钢液中的氧含量小于0.001％时，将导致微细MgO夹杂的数量不足，不能很好地发挥钉扎作用或者促进晶内铁素体生长的作用。所以本发明最佳的Fe2O3粉添加量是使钢液中的氧含量为0.001％-0.008％。

[0019] 钢中的Al含量宜控制在小于0.006％。Al含量大于0.006％时，容易生成镁铝尖晶石夹杂。

[0020] 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3μm的夹杂物2
所占比例大于或等于80％，数量比；夹杂物面密度大于或等于300个/mm。

[0021] 本发明采用的锭模宜用耐火材料制成。由于金属Mg和氧的结合力很强，是非常强的脱氧剂。为了提高Mg的收得率，还应选用合适的耐火材料，以CaO系、MgO系、Al2O3系、MgO-Al2O3系的耐材为宜。因为钢液中的溶解Mg和耐火材料中的SiO2反应很快，生成MgO和溶解Si，所以不宜选用含SiO2系的耐火材料。

[0022] 本发明的有益效果：

[0023] 采用本发明进行钢中微细夹杂物的控制，具有镁的收得率高，钢材中钢液中小于2
3μm的夹杂物所占比例大于或等于80％，夹杂物面密度大于或等于300个/mm。夹杂物中心的主要成分是MgO或MgO+Ti2O3，夹杂物外表面的成份是析出的MnS。这种类型的夹杂物有利于抑制焊接热影响区奥氏体晶粒的长大，促进晶内铁素体的成长，从而改善厚钢板的大线能量焊接性能。

具体实施方式

[0024] 下面结合实施例对本发明做进一步说明。

[0025] 实施例是在50kg真空感应炉中进行的。炉衬采用镁砂添加1.2％的硼酸干混后烧结而成，采用高铝耐材锭模进行浇铸。在感应炉中加入40kg纯铁，同时添加CaO。采用单纯添加CaO的方式造渣，保证了渣中较低的氧位。抽真空的同时升温，炉料熔清后，真空度可达30Pa。往感应炉内充填Ar气至0.05MPa后，调整钢液中的合金成分。并且按照Si、Mn、Al、Ti、Ca的顺序添加相应元素的合金进行脱氧。取样并在线分析合金成分，在保证合金成分的同时，最后在浇铸锭模底部添加NiMg合金和Fe2O3粉，NiMg合金含Mg 5-50％，余量为Ni，粒度为1-30mm。

[0026] 夹杂物的成份是对于10个任意选取的夹杂物，利用SEM-EDS进行分析结果的平均值。对于样品进行研磨和镜面抛光之后，利用SEM在1500倍的倍率下对于50个连续选取2
视场进行观察，所观察的视场面积大于0.27mm。夹杂物的尺寸分布和面密度是所观察的夹杂物尺寸、数量和视场面积的计算结果。

[0027] 对比例中的其他工艺条件相同，但是Al含量较高，不添加Mg合金与Fe2O3粉。

[0028] 表1列出了实施例和对比例的化学成分对比。实施例中控制Al含量小于或等于0.006％，Mg的添加量为0.0005-0.007％，Fe2O3粉添加量是使钢液中的氧含量为0.001％-0.008％。在这些条件下，Mg的收得率大于10％。对比例中的Al含量为0.026％，不添加Mg合金与Fe2O3粉。

[0029] 表2列出了实施例和对比例中夹杂物的成分、尺寸和面密度。

[0030] 实施例中的夹杂主要是含MgO或MgO-Ti2O3复合夹杂，通过SEM-EDS的线扫描和面分析发现，在MgO或MgO-Ti2O3复合夹杂为核心的夹杂物表面，析出了MnS夹杂。在实施例1-4中，直径小于3μm的夹杂物所占比例分别为90.7％、85.1％、86.8％、97.5％，夹杂物的
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面密度分别为441、430、434、585个/mm。

[0031] 对比例中的夹杂物主要含Al2O3，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3μm的夹杂物所占比例为77.5％，夹2
杂物的面密度为178个/mm。这表明在对比例中，由于Al含量过高，又不添加Mg合金与Fe2O3粉，导致夹杂物尺寸较大，夹杂物的面密度较小。

[0032] 实施例中，夹杂物的面密度以及直径小于3μm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-Ti2O3，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。

[0033] 综上所述，本发明提供了一种在大线能量焊接用厚钢板冶炼过程中微细弥散分布夹杂物的控制方法，可以大幅度提高钢材中微细夹杂物的数量，形成有利于抑制焊接热影响区奥氏体晶粒长大、促进晶内铁素体生长的合适成份的夹杂物，以改善厚钢板的大线能量焊接性能。可用于在钢包、中间包、或连铸结晶器内对钢水进行脱氧和夹杂物的控制。

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