醉染图书大热输入焊接用钢组织控制技术研究与应用9787502466749

摘要
1绪论
1.1研究背景
1.2国内外开发情况
1.2.1国外开发情况
1.2.2国内开发情况
1.3大热输入焊接用钢开发的技术措施
2大热输入焊接用钢生产技术的基础研究
2.1氧化物冶金技术
2.2钢中氧、氮化物析出的热力学
2.2.1合金元素的氧化反应
2.2.2合金元素的氮化反应
2..小结
.实验室基础研究
..1钛添加钢的基础研究
..2镁添加钢的基础研究
..锆添加钢的基础研究
..4稀土添加钢的基础研究
3大热输入焊接用钢的研发及工业应用
3.1原油储罐用钢板
3.1.1试制钢坯料化学成分
3.1.2生产线热处理结果
3.1.3焊接热模拟试验结果
3.1.4气电立焊实验结果
3.1.5夹杂物分析
3.1.6小结
3.2造船用钢板
3.2.1试制钢坯料化学成分
3.2.2钢板力学能
3..大热输入焊接结果
3.2.4小结
3.3海洋平台用钢板
3.3.1试制钢坯料化学成分
3.3.2钢板力学能
3.3.3大热输入焊接结果
3.3.4小结
4结论
参考文献

研究项目概述 1研究项目的背景，立题依据 1.1项目背景 近年，随着造船、海洋工程、超高层建筑、桥梁、压力容器等制造业的迅展，使用中厚钢板的下游企业为提高施工效率和降低成本，逐步开始采用更为高效的大热输入焊接方法。但大热输入焊接时，由于焊接热影响区高温停留时间变长，容易导致奥氏体晶粒显著粗化，且焊后冷速小，造成焊接接头的强度和韧严重恶化，产生焊接裂纹的几率增加，影响构件整体的安全使用。 由于传统的TMCP工艺采用的细晶强化方式，随着钢板厚度的大，化效果显著减弱。所以，为了满足厚钢板的高强度，通常需要额外添加能够产生析出强化和固溶强化的元素，这些合金元素的添加都会不同程度地对焊接热影响区韧产不利影响。因此，利用高温稳定的氧化物粒子抑制HAZ区奥氏体晶粒粗化及细化焊后组织，并且活用TMCP来抑制脆化组织的钢材制造理念已被普遍认同。 早在二十年前，日本的新日铁、JFE、神户制钢等企业已近能够生产大热输入焊接用钢，并逐渐应用于多个领域，日本的这三家主要钢铁企业，所采用的大热输入焊接用钢的生产技术均基于“氧化物冶金”(Oxides Metallurgy)这一理念，但实际应用于生产的技术措施与生产工艺却各有不同。新日铁采用的是自己研究开发的“HTUFF”技术(Super High HAZ Toughness Technology with Fine Microstructure Impacted by Fine Particles)；JFE公司采用的是自己研发的“JFE EWEL”技术(Excellent lity in Large Heat Input Welded Joints)；神户制钢早期采用的是称为“神户超韧化技术”即“KST”技术(Kobe Super Toughness)，并结合TMCP (Thermo Mechanical Control Process)的控制来生产大热输入焊接用钢，而目前采用的是在原有技术基础上又引入新手段的“低碳多方位贝氏体”技术。“氧化物冶金”这一技术的实际应用，使日本钢铁企业能够生产出焊接热输入为390～680kJ/cm 的EH40 系列造船用钢板，厚度为80mm 的船板钢可实现单道次焊接，使日本的造船效率迅速提高到我国的4～7 倍。日本海洋工程用的高强度钢板焊接热输入已经达到200kJ/cm以上，其厚度适用范围可达100mm；桥梁用钢的焊接热输入可达350kJ/cm；超高层建筑用钢能够承受的热输入已经超过1000kJ/cm；水电、核电、原油化工等领域使用的压力容器、管线钢等也均能够实现大热输入焊接。 目前，我国许多企业已相继投入大量人力物力开始从事这项技术的研究开发，但实际应用业绩多限于热输入为100 kJ/cm级的原油储罐用钢，在造船钢板、海洋工程、桥梁、高层建筑等许多急需大热输入焊接能的品种钢目前尚无应用业绩报道。而且已经认的原油储罐用钢在实际焊接过程中仍需要控制热输入在80kJ/cm左右。而结构钢的TMCP或正火材，只能承受50 kJ/cm以下的焊接热输入，因此能够承受50 kJ/cm以上热输入的大热输入焊接用钢研究开发与工业应用成为国内各钢铁企业关注的重点。目前国内多家钢厂已经开始大热输入焊接船板钢的工业试制，但尚无工业应用。鞍钢已经取得国内焊接热输入达100 kJ/cm级别船板钢的船级社认。由此可见，我国在大热输入焊接用钢的研究开发领域已经远远落后于日本。 1.2立题依据 目前，国内企业开发大热输入焊接用钢时，通常采用传统的微细TiN作用机理，以避免焊接热影响区(HAZ)奥氏体晶粒的粗化。采用这种方法，在生产工艺合理的情况下，虽然钢板能够承受热输入达到100kJ/cm的要求。但是，当焊接热输入稍有提高或热影响区温度达到1400℃左右时，绝大部分TiN 质点将会发生溶解而失去抑制晶粒长大的作用。而且Ti 的氧化物在钢中很容易粗化为凝聚体，若不能控制其形成微细弥散的氧化物颗粒，则会形成大尺寸夹杂物，反倒成为结构物破损的裂纹源。因此急待研究开发TiN以外的钉扎机制和细化热影响区晶粒组织的新技术，掌握“氧化物冶金”技术的机理及新的生产工艺关键控制技术。 既有的氧化物冶金研究结果表明，Ca、Mg、Zr 等与钢中的O、S 具有极强的亲和力，能够形成高熔点的氧化物或硫化物及其复合化合物，CaO、MgO、CaS等的熔点均超过2500℃、热稳定良好。这类高熔点且又弥散分布的微细第二相粒子，在高温下能够有效钉扎和阻止奥氏体晶粒长大，同时，这些微细的非金属夹杂物在焊后的冷却过程中还可以充当晶内铁素体的形核点，促进有利于韧提的细密针状铁素体或多位相的细小贝氏体组织形成，缩小焊接部位和基材能的差异，大幅度提高焊接热影响区的综合能。因此，采用氧化物冶金新技术，研究开发有效利用钢中微细夹杂物或第二相粒子抑制焊接热影响区奥氏体组织粗化、并在其后的相变过程中能够促成大量针状铁素体的形成，从而大幅度提高焊接热影响区韧。 本项目以原油储罐用钢、船板钢、正火态海工钢为载体，依托实验室的设备条件，研究了氧化物冶金的基础原理，以及氧化物及其复合夹杂物的形成机理及控制规律。根据大热输入焊接用钢的生产工艺特点及作用原理，从化学成分设计、冶炼工艺、轧制工艺、热处理工艺、焊接工艺等几个方面，研究影响大热输入焊接用钢的诸因素，重点研究Ti、Mg、Zr、Ce等元素的添加时机和添加方法，以及夹杂物的类型、数量、尺寸和分布状态的相关工艺控制技术，形成了大热输入焊接用钢的生产工艺控制新理论及新技术，并结合国内钢铁企业的宽厚板生产线，进行新工艺的实践。 在原油储罐用钢方面，突破目前工程实施中焊接热输入控制在100kJ/cm以下的局面，将钢板的焊接热输入提高到200kJ/cm以上，能够适应15万m3及以上容积的大型原油储罐钢板的焊接要求，同时可将现有的10万m3原油储罐厚度大于21mm钢板的两道次气电立焊减少为一道次气电立焊，提高焊接效率、降低焊接成本；在船板钢方面，突破现有的100kJ/cm的局面，开发出建造大型船舶所需的300kJ/cm以上热输入的钢板以代替进口；在正火态海工钢突破现有的50kJ/cm的局面，在较高碳含量及碳当量的条件下，实现100kJ/cm以上的大热输入焊接并实现免预热。 2主要研究过程 2.1理论研究 通过计算、比较和分析合金元素与钢中氧或氮反应的Gibbs自由能，来评价主要元素获得氧或氮的能力，预测在不同氧含量、氮含量和不同温度下产生的氧化物和氮化物类型，指导开发钢的成分设计及工艺设计。获得的成果如下： (1)钢中析出TiO的条件为 ；析出TiO2的条件为 ，钛铝比至少为19；生成Ti3O5的热力学条件为 ，钛铝比至少达到5.03。 (2)钢液中各合金元素获氮能力排序：Zr >Ti >Nb >Al >B >V。钛锆竞争获氮反应中，获得TiN的热力学条件为： 。 2.2实验室基础研究 研究了Ti、Mg、Zr、Ce等元素的添加时机和添加方法，以及对夹杂物的类型、数量、尺寸和分布状态的影响规律，获得的成果如下： (1) 采用新的冶炼工艺，夹杂物的平均尺寸比传统钢更加细小，TiN粒子数量约为传统钢的3～5倍左右，含Ti氧化物数量为传统钢10倍以上。 (2) 不同类型、尺寸的夹杂物对原奥氏体晶界组织、晶内组织有不同的影响规律，尺寸为5～8μm的这类夹杂物也具有一定的晶内铁素体形核能力，且也能够形成具有IAF特征的IGF。 (3) 形成了一套新的氧化物冶金技术控制理论及控制工艺技术，实验室通过新工艺的实行，已开发出焊接热输入为100~1000kJ/cm的多种原型钢。 .工业应用情况 将实验室研究的氧化物冶金新工艺控制技术在国内钢铁企业的宽厚板生产线上得以顺利实现，开发出了新型原油储罐用钢板、造船板、正火态海洋工程用钢，其结果如下： (1) 原油储罐用钢：采用新工艺生产的新型原油储罐用钢的各项力学能达到相关标准要求，模拟焊接热输入可达到400kJ/cm，实际气电立焊可达228kJ/cm，经中石化第十建设公司按照15万立储罐的焊接技术要求进行焊接实验，全部钢板均耐受大于145 kJ/cm的大线能量焊接，满足15万立储罐的焊接技术要求。该钢厂采用此技术目前已实现了稳定生产与批量供货，截止至2013年2月，获销收入1.46亿元。该技术获2013年度冶金科学技术进步奖二等奖。 (2) 造船板：采用新工艺生产的EH40造船钢板，力学能符合标准及船级社规范要求，模拟焊接热输入能够达到800kJ/cm，实物焊接热输入在430kJ/cm的条件下仍具有良好的强度和韧。该钢板的大面积推广应用，将大幅度提升我国造船行业的生产效率，降低船舶舰艇的制造成本，给相关企业带来巨大的经济效益，同时对我国的国防建设将产生深远的积极影响。 (3) 正火态海洋工程用钢：采用新工艺生产的大热输入焊接用海洋平台正火钢，各项力学能符合标准及各船级社规范，在CE值为0.43、不需要预热的情况下，模拟焊接热输入为200kJ/cm时仍具有较高的富余量，实际气电立焊在热输入为300kJ/cm的条件下，仍具有合格的焊接能。 3 研究发表 3.1近三年发表的 (1) Toughness and microstructure of coarse grain heat affected zone with high heat input welding in Zr-bearing low carbon steel [J], ISIJ Int, 2014, 54(1): 188-192. (2) Effect of high heat input on toughness and microstructure of coarse grain heat affected zone in Zr bearing low carbon steel [J], ISIJ Int, 2014, 54(4): 932-937. (3) 超大热输入焊接用EH40钢的模拟熔合线组织与能 金属学报, 2012,48(3): 264-270. (4) 大热输入焊接用钢的组织与力学能 东北大学学报. 201, (1):82-85. (5) Zr微合金钢粗晶热影响区韧和组织分析[J], 材料科学与工艺, 2013, 21(3): 1-5. (6) 夹杂物对Ti,Zr微合金钢中针状铁素体形成的影响. 东北大学学报. 201, (10):1424-1427. (7) 含Ti夹杂物对大热输入焊接用钢HAZ韧的影响. 钢铁. 2012, 47(11):79-84. (8) D-T工艺对12MnNiVR钢组织能的影响.东北大学学报. 201, (12): 1715-1719. 3.2 (1)一种超大热输入焊接用结构钢及其制造方法.CN102080193； (2)一种大热输入焊接用结构钢及其制造方法.CN102080189； (3)大热输入焊接用含硼原油储罐钢板的生产方法. CN102240； (4)采用直接淬火工艺生产原油储罐钢板的方法. CN1020057； (5)一种提高钢板在大线能量焊接条件下热影响区韧的方法.CN101476018。 4报告完成人员和单位介绍（表格形式介绍） 报告完成人员 完成单位 张朋彦 东北大学轧制技术及连轧自动化重点实验室 朱伏先 东北大学轧制技术及连轧自动化重点实验室 曹志强 湖南华菱湘潭钢铁集团有限公司 吴年春 南京钢铁集团有限公司 5报告执笔人 报告执笔人：张朋彦 6致谢 本研究是在东北大学轧制技术及连轧自动化重点实验室王国栋院士的悉心指导下完成的。在此期间王院士在学术上给予亲切教诲和无私指导，在生活中给予无微不至的关怀，著者将铭记于心。王院士渊博的知识、严谨的治学态度、平易近人的品格将使我们受益终生。在实验研究和报告写作过程中，王院士的点拨和鼓励让作者茅塞顿开。在此向王院士表示衷心的感谢，祝愿王院士身体健，活幸福。 感谢RAL实验室领导的支持，实验过程中所需的设备和材料，实验室领导都给予大力支持，创造了良好的研究条件与研究环境；同时还要感谢实验室多位老师的帮，以及多位给予的热情帮和支持。 感谢RAL实验室多名同学在研究过程中的很大帮，报告中的部分数据内容由石明浩及朱漱勋提供，认识这些好朋友是著者人生中好财富，和他们一起学习的日子很快乐很充实，著者将永远珍藏这段美好的回忆。 感谢湖南华菱湘潭钢铁集团有限公司及南京钢铁集团有限公司有关领导及技术人员的大力支持，使得实验室研究结果成功地在工业生产线上得以实现，与他们共同工作、学习、交流，使得本研究得以顺利完成。