浅论氧化物冶金工艺的新进展

韦士琨

（江苏 南钢 210035）

浅论氧化物冶金工艺的新进展

韦士琨

（江苏 南钢 210035）

摘要：本文主要阐述了氧化物冶金的基本概念和原理，并结合氧化物的特征与分布机理，对JFE EWEL技术、新日铁HTUFF技术以及TMCP与氧化物冶金工艺相结合技术在氧化物冶金工艺中的应用进行了一系列分析，最后对氧化物冶金工艺的实际应用与展望做了一定的探讨。

氧化物冶金；非金属夹杂物；晶粒细化；析出相

从20世纪60年代发现焊接金属中的球形夹杂物，到20世纪70年代研究得出该夹杂物可使焊接缝发生改变，再到1990年，日本的冶金研究者根据焊接缝中夹杂物的作用机理，提出“氧化物冶金”的思想，氧化物冶金工艺不断发展。进入21世纪以来，工程、机械结构开始往巨型化、高参量的方向发展，如大型海洋钻井平台、大型跨海大桥、长距离油气输送管道等。这类大型工程结构对钢的材料性能要求越来越高，即要在使用尽量少的合金元素前提下，保证钢结构的强度、韧性以及可操作性。而氧化物冶金技术正是通过在钢中夹杂熔点可控、分布均匀、粒径微小（直径＜3μm）的氧化物，从而改变钢的组织结构，提高钢的韧性、强度以及可焊度，使得钢中的夹杂物变废为宝。因此，氧化物冶金技术为钢材性能和质量的提高提供了一种新的有效途径，具有巨大的潜在价值和发展前景，本文正是在此背景下对氧化物冶金工艺的进展做了相应的研究和探讨。

1.氧化物冶金概述

氧化物冶金（Oxide Metallurgy）的概念，最早是于1990年，由日本的高村仁一和沟口庄三等提出。传统观点认为，非金属夹杂物会导致钢结构内部的缺陷，是有害的。然而，对于较大的非金属夹杂物而言是有害的，但对于微米级的氧化物而言，可通过控制其大小尺寸、排列分布和组成，从而让钢的性能得到一个质的提升和改善。所以，在炼钢的工艺流程中，通过控制氧化物组成、形态、大小以及数量等，从而达到控制材料性能目的的技术，就称为氧化冶金。

而就氧化冶金的思路而言，主要分为4步（如图1所示）：

（1）由于钢铁中铁素体晶粒粒径粗大，容易导致材料韧性不高，通过细化奥氏体晶粒提高韧性。

（2）利用控轧-控冷技术防止奥氏体晶粒的粗化。

（3）由于晶体内的铁素体拥有较好的细化能力，可有效抑制焊接对晶粒粗化的影响，可在奥氏体晶粒内形核，从而得到大量晶内铁素体。

（4）由于钢材存在大量非金属夹杂物，在一定的条件下，这类非金属夹杂物会导致晶体内铁素体形核，从而实现钢体晶粒的细化。

2.氧化物的特征与分布

对于细小的弥散化的氧化物而言，在钢中会起不同的作用，然而，并非所有的氧化物都能析出核心，不同的氧化物与不同的析出相之间存在不同的兼容性质。Shozo Mizoguchi和Jin-ichi Takamura等对Ti、Zr、Si、Mn的氧化物进行了研究，得出以析出相为核心的氧化物总的可分为两类：活性氧化物和非活性氧化物。活性氧化物有：FeO、MnO·SiO2、Ti2O3等，非活性氧化物主要有：SiO2、Al2O3等。

而对氧化物的分布而言，主要影响因素有氧化物的体积密度、孕育时间以及冷却速度等。研究发现，当随着氧化物体积密度的增大，钢液中氧化物粒子长大的速度会明显降低，即对应的氧化物粒子的数目会相应增大。同时，由于冷却速度的增加会导致氧化物粒径以及析出相粒子尺寸的减小，所以，当冷却速度增大时，氧化物的数目也会显著增加。

3.氧化物冶金工艺的新进展

3.1 JFEEWEL技术

JFEEWEL（Excellent Quality in Large Heat Input welded Joints）技术工艺也叫做大线能量焊接热影响区性能优异，由日本的JFE公司研制开发。主要是通过抑制焊接时影响区内的γ晶体粒子的生长，促进γ晶体粒子的晶内铁素体的生长和设计低碳当量的合金3个方面，解决焊接区韧性降低的问题。JFE EWEL工艺的主要内容包括（如图2所示）：

（1）利用Super OLAC技术，降低碳当量，并将碳当量控制在合理的下限范围内，从而提高钢的强度。

（2）合理控制Ti和N的添加量，保持钛氮比在一定范围，将TiN的固熔温度提高到1450℃，从而使得HAZ区奥氏体晶粒保持合理增长。

（3）为细化HAZ组织，必须合理控制好钢材里B、N与O、Ca的量，可采用BN与S的夹杂物诱导焊接过程中晶内铁素体的形核。

3.2 新日铁HTUFF技术

HTUFF技术，即通过细小粒子得到微细组织和超高的HAZ韧性技术，属于新日铁的第二代氧化物冶金技术。主要使用对象为490MPa～590MPa的结构，如船舶、钢结构管道等的焊接工艺。对HTUFF钢而言，当温度稳定在1400℃时，可利用粒径较小（一般在10nm～100nm范围内）且呈弥散分布的夹杂物（含有硫化物、钙镁氧化物等）来钉扎奥氏体晶粒的长大，并利用夹杂物对IGF的形核作用，达到细化HAZ组织的目的，从而提高钢的韧性。

3.3 TMCP与氧化物冶金工艺相结合

TMCP（Thermo Mechanical Control Process，简称TMCP）也叫热机械控制工艺，主要是指：通过控制热轧过程中的温度和压量，并在此基础上实施冷却工艺技术的总称。将TMCP与氧化物冶金技术进行融合，最早是由新日铁提出，首先是调节控制热量和加工变形量，控制冶金工艺的结晶、析出以及相变，其次才是通过调节硫化物和氮化物量，实现相变控制。但是，由于产品规格的差异，TMCP工艺效果的差异也较大，这种技术工艺比较适合于细、薄钢材产品的加工，而对于超厚钢板的工艺效果不是很理想，对钢强度、韧性的提高不理想。

4.氧化物冶金工艺的实际应用与展望

图2　 JFE EWEL工艺改善HAZ韧性的基本原理示意图

在实际的生产活动中，氧化物冶金主要应用在以下两个方面：一是针对低碳钢在焊接区韧性的提高，由于在焊接过程中存在大量的能量输入，记忆导致影响区内的奥氏体晶粒的粗化，从而导致钢体韧性的降低。当采用氧化物冶金技术后，利用氧化物的稳定性，可保证在高能量输入的情况下，热能影响区的钢体性能不会降低。二是在特定机械结构中，高韧性热锻微合金钢的运用。由于这类钢材的Mn、S含量高，可利用氧化物促使生成大量细小的MnS结晶，形成晶内铁素体的形体核心，从而大大细化组织，简化整个热处理工艺流程。

氧化物冶金工艺是超级钢的主要技术手段之一，它的优势有：

①由于这种工艺无须添加其他的添加剂，不会对整个生产过程造成影响，类似于去除杂质的作用，对钢性能的提高有利。

②由于加入的Ti、Ce、Zr等元素，它们具有很强的脱硫能力，同时其自身也属于微合金元素，一定程度上能提高钢材性能。

③氧化物冶金工艺能有效提高冷却速度。因此，氧化物冶金具有非常广阔的应用和发展前景。

[1]王睿之，杨健，祝凯，等.钙脱氧和镁脱氧的氧化物冶金工艺效果对比[J].炼钢，2016（3）：50-54+78.

[2]刘锋.氧化物弥散强化铁基高温合金的制备及强化机理研究[D].中南大学，2012.

[3]崔志敏，朱立光，张庆军.氧化物冶金中的数值模拟及研究趋势[J].材料导报，2015（7）：83-88.

[4]王健.稀土亚微米氧化物对低碳钢强化的研究[D].内蒙古科技大学，2014.

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