淺論氧化物冶金工藝的新進展

韋士琨

（江蘇 南鋼 210035）

淺論氧化物冶金工藝的新進展

韋士琨

（江蘇 南鋼 210035）

摘要：本文主要闡述了氧化物冶金的基本概念和原理，并結合氧化物的特征與分布機理，對JFE EWEL技術、新日鐵HTUFF技術以及TMCP與氧化物冶金工藝相結合技術在氧化物冶金工藝中的應用進行了一系列分析，最后對氧化物冶金工藝的實際應用與展望做了一定的探討。

氧化物冶金；非金屬夾雜物；晶粒細化；析出相

從20世紀60年代發現焊接金屬中的球形夾雜物，到20世紀70年代研究得出該夾雜物可使焊接縫發生改變，再到1990年，日本的冶金研究者根據焊接縫中夾雜物的作用機理，提出“氧化物冶金”的思想，氧化物冶金工藝不斷發展。進入21世紀以來，工程、機械結構開始往巨型化、高參量的方向發展，如大型海洋鉆井平臺、大型跨海大橋、長距離油氣輸送管道等。這類大型工程結構對鋼的材料性能要求越來越高，即要在使用盡量少的合金元素前提下，保證鋼結構的強度、韌性以及可操作性。而氧化物冶金技術正是通過在鋼中夾雜熔點可控、分布均勻、粒徑微小（直徑＜3μm）的氧化物，從而改變鋼的組織結構，提高鋼的韌性、強度以及可焊度，使得鋼中的夾雜物變廢為寶。因此，氧化物冶金技術為鋼材性能和質量的提高提供了一種新的有效途徑，具有巨大的潛在價值和發展前景，本文正是在此背景下對氧化物冶金工藝的進展做了相應的研究和探討。

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溝口莊三等提出。傳統觀點認為，非金屬夾雜物會導致鋼結構內部的缺陷，是有害的。然而，對于較大的非金屬夾雜物而言是有害的，但對于微米級的氧化物而言，可通過控制其大小尺寸、排列分布和組成，從而讓鋼的性能得到一個質的提升和改善。所以，在煉鋼的工藝流程中，通過控制氧化物組成、形態、大小以及數量等，從而達到控制材料性能目的的技術，就稱為氧化冶金。

而就氧化冶金的思路而言，主要分為4步（如圖1所示）：

（1）由于鋼鐵中鐵素體晶粒粒徑粗大，容易導致材料韌性不高，通過細化奧氏體晶粒提高韌性。

（2）利用控軋-控冷技術防止奧氏體晶粒的粗化。

（3）由于晶體內的鐵素體擁有較好的細化能力，可有效抑制焊接對晶粒粗化的影響，可在奧氏體晶粒內形核，從而得到大量晶內鐵素體。

（4）由于鋼材存在大量非金屬夾雜物，在一定的條件下，這類非金屬夾雜物會導致晶體內鐵素體形核，從而實現鋼體晶粒的細化。

2.氧化物的特征與分布

對于細小的彌散化的氧化物而言，在鋼中會起不同的作用，然而，并非所有的氧化物都能析出核心，不同的氧化物與不同的析出相之間存在不同的兼容性質。Shozo Mizoguchi和Jin-ichi Takamura等對Ti、Zr、Si、Mn的氧化物進行了研究，得出以析出相為核心的氧化物總的可分為兩類：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。

而對氧化物的分布而言，主要影響因素有氧化物的體積密度、孕育時間以及冷卻速度等。研究發現，當隨著氧化物體積密度的增大，鋼液中氧化物粒子長大的速度會明顯降低，即對應的氧化物粒子的數目會相應增大。同時，由于冷卻速度的增加會導致氧化物粒徑以及析出相粒子尺寸的減小，所以，當冷卻速度增大時，氧化物的數目也會顯著增加。

3.氧化物冶金工藝的新進展

3.1 JFEEWEL技術

JFEEWEL（Excellent Quality in Large Heat Input welded Joints）技術工藝也叫做大線能量焊接熱影響區性能優異，由日本的JFE公司研制開發。主要是通過抑制焊接時影響區內的γ晶體粒子的生長，促進γ晶體粒子的晶內鐵素體的生長和設計低碳當量的合金3個方面，解決焊接區韌性降低的問題。JFE EWEL工藝的主要內容包括（如圖2所示）：

（1）利用Super OLAC技術，降低碳當量，并將碳當量控制在合理的下限范圍內，從而提高鋼的強度。

（2）合理控制Ti和N的添加量，保持鈦氮比在一定范圍，將TiN的固熔溫度提高到1450℃，從而使得HAZ區奧氏體晶粒保持合理增長。

（3）為細化HAZ組織，必須合理控制好鋼材里B、N與O、Ca的量，可采用BN與S的夾雜物誘導焊接過程中晶內鐵素體的形核。

3.2 新日鐵HTUFF技術

HTUFF技術，即通過細小粒子得到微細組織和超高的HAZ韌性技術，屬于新日鐵的第二代氧化物冶金技術。主要使用對象為490MPa～590MPa的結構，如船舶、鋼結構管道等的焊接工藝。對HTUFF鋼而言，當溫度穩定在1400℃時，可利用粒徑較小（一般在10nm～100nm范圍內）且呈彌散分布的夾雜物（含有硫化物、鈣鎂氧化物等）來釘扎奧氏體晶粒的長大，并利用夾雜物對IGF的形核作用，達到細化HAZ組織的目的，從而提高鋼的韌性。

3.3 TMCP與氧化物冶金工藝相結合

TMCP（Thermo Mechanical Control Process，簡稱TMCP）也叫熱機械控制工藝，主要是指：通過控制熱軋過程中的溫度和壓量，并在此基礎上實施冷卻工藝技術的總稱。將TMCP與氧化物冶金技術進行融合，最早是由新日鐵提出，首先是調節控制熱量和加工變形量，控制冶金工藝的結晶、析出以及相變，其次才是通過調節硫化物和氮化物量，實現相變控制。但是，由于產品規格的差異，TMCP工藝效果的差異也較大，這種技術工藝比較適合于細、薄鋼材產品的加工，而對于超厚鋼板的工藝效果不是很理想，對鋼強度、韌性的提高不理想。

4.氧化物冶金工藝的實際應用與展望

圖2　 JFE EWEL工藝改善HAZ韌性的基本原理示意圖

在實際的生產活動中，氧化物冶金主要應用在以下兩個方面：一是針對低碳鋼在焊接區韌性的提高，由于在焊接過程中存在大量的能量輸入，記憶導致影響區內的奧氏體晶粒的粗化，從而導致鋼體韌性的降低。當采用氧化物冶金技術后，利用氧化物的穩定性，可保證在高能量輸入的情況下，熱能影響區的鋼體性能不會降低。二是在特定機械結構中，高韌性熱鍛微合金鋼的運用。由于這類鋼材的Mn、S含量高，可利用氧化物促使生成大量細小的MnS結晶，形成晶內鐵素體的形體核心，從而大大細化組織，簡化整個熱處理工藝流程。

氧化物冶金工藝是超級鋼的主要技術手段之一，它的優勢有：

①由于這種工藝無須添加其他的添加劑，不會對整個生產過程造成影響，類似于去除雜質的作用，對鋼性能的提高有利。

②由于加入的Ti、Ce、Zr等元素，它們具有很強的脫硫能力，同時其自身也屬于微合金元素，一定程度上能提高鋼材性能。

③氧化物冶金工藝能有效提高冷卻速度。因此，氧化物冶金具有非常廣闊的應用和發展前景。

[1]王睿之，楊健，祝凱，等.鈣脫氧和鎂脫氧的氧化物冶金工藝效果對比[J].煉鋼，2016（3）：50-54+78.

[2]劉鋒.氧化物彌散強化鐵基高溫合金的制備及強化機理研究[D].中南大學，2012.

[3]崔志敏，朱立光，張慶軍.氧化物冶金中的數值模擬及研究趨勢[J].材料導報，2015（7）：83-88.

[4]王健.稀土亞微米氧化物對低碳鋼強化的研究[D].內蒙古科技大學，2014.

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