铝灰在氧化物冶金工艺过程中的应用刘斌

铝灰在氧化物冶金工艺过程中的应用刘斌
发布时间：2022-04-10T10:30:18.618Z 来源：《探索科学》2022年1月上作者：刘斌[导读] 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。

邹平县汇盛新材料科技有限公司刘斌山东省滨州市邹平市 256200
摘要：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。

关键词：氧化物冶金；钢液增氮；吸附夹杂物；脱氧；脱硫
引言
钢的性能和组织是密切相关的，细化晶粒是目前已知可以同时提高钢的强度和韧性的唯一方法，钢中1μm左右的夹杂物，在焊接的冷却过程中，可以诱发钢中晶内铁素体形核，细化了钢的组织，显著改善了焊缝和热影响区的强度和韧性，这一现象引起了冶金研究人员的注意，形成了氧化物冶金技术的研究热潮。

氧化物冶金技术最早的概念是1990年前后由日本新日铁公司的研究人员提出的。

其原理可概括如下：首先控制钢中氧化物的成分、熔点、尺寸、分布等；再利用这些氧化物作为钢中硫化物、氮化物和碳化物等的非均质形核核心，对硫、氮、碳等析出物的析出和分布进行控制；最后利用钢中所形成的氧、硫、氮、碳化物，通过钉扎高温下晶界的迁移对晶粒的长大进行抑制或通过促进针状铁素体和晶内粒状铁素体的形核来细化钢的组织。

这一技术使钢材具有良好的韧性、较高的强度及优良的可焊性，使钢中的夹杂物变害为利，开创了一条提高钢材质量的新途径。

1概述
氧化物冶金（OxideMetallurgy）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：
（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铝灰在高强度建筑用钢生产中的作用机理
2.1铝灰的来源和特点
电解铝铝厂的铝灰是铝电解过程中产生的一种浮渣，在电解过程中漂浮于电解槽铝液的上表面，由电解过程中未参加反应的氧化铝、冰晶石等原料及混合物组成，也包括与添加剂进行化学反应产生的少量其他杂质，因其与其他重金属熔炼产生的炉渣不同，呈松散的灰渣状，因此又被称为一次铝灰铝渣，每生产1t原铝将产生25kg铝灰（15～40kg）。

2.2铝灰的脱氧功能
LF精炼脱氧，主要包括两个方面的内容，一是扩散脱氧，去除顶渣中的（FeO+MnO），促使钢液中的自由氧或浮氏体向钢渣中扩散，达到降低钢液氧含量的目的；二是调整顶渣的黏度和流动性，吸附从钢液中上浮的夹杂物颗粒。

铝灰的脱氧功能由以下几个方面组成。

①铝灰中的金属铝和氮化铝是钢水的脱氧剂，能够与炉渣或钢水中的氧反应。

②铝灰中的氧化铝加入钢水内部，直接脱氧，铝灰中的金属铝与氮化铝脱氧，氧化铝则是吸附铝脱氧产生的细小夹杂物，将其上浮去除的辅助工艺手段。

③在钢水内部，铝灰中的钠盐、电解质、氟化物与脱氧反应产生的夹杂物反应，生成低熔点的物质，能够促进这些物质上浮去除。

3氧化物冶金工艺的新进展
3.1FEEWEL技术
JFEEWEL（ExcellentQualityinLargeHeatInputweldedJoints）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。

JFEEWEL工艺的主要内容包括：
（1）利用SuperOLAC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。

3.2TMCP与氧化物冶金工艺相结合
TMCP（ThermoMechanicalControlProcess，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。

4氧化物冶金技术的应用
4.1改善ＨＡＺ强度和韧性
4.1.1ＨＺＡ强度和韧性降低原因
利用大线能量焊接低合金高强度钢时，焊缝金属要发生局部重熔，焊后冷却过程中熔合线附近晶粒将粗化形成粗晶热影响区（ＣＧＨＡＺ），粗晶组织导致局部强度和韧性降低，其主要原因是由于奥氏体晶粒的严重长大以及二次组织由小热输入多层多道焊时的回火马氏体＋下贝氏体组织转变为上贝氏体为主的组织。

4.1.2ＨＡＺ强度和韧性的改善机制
传统的钢板焊接，通常利用ＴｉＮ、ＡｌＮ等稳定的第二相质点使晶粒细化。

大线能量焊接时焊缝熔合线处ＴｉＮ、Ａ１Ｎ等发生溶解，造成组织粗大化，ＨＡＺ韧性恶化。

奥氏体晶界形成的初期，晶粒细小且不均匀，晶界面积大处于不稳定状态。

界面能越高，越不稳定，必然会向着减小界面能的方向发展，即小晶粒合并成大晶粒。

当晶界边缘存在细小难熔的粒子时，就会阻碍晶粒的长大。

4.2氧化物冶金技术在非调质钢中的应用
氧化物冶金技术在改善钢材焊接性能方面的成功应用，使人们看到了其良好的技术优势和发展前景，促进了它在钢铁产业其他方面的进一步发展，目前报道较多的是氧化物冶金技术在非调质钢中的应用。

尽管非调质钢被称作节能、高效、环保的“绿色钢材”，但是它的韧性堪忧。

氧化物冶金技术利用细小的氧化物夹杂诱导晶内铁素体形核细化组织，提高钢材韧性的这一优点，弥补了非调质钢韧性差的这一缺点。

结语
一次铝灰和二次铝灰，其中含有的金属铝、氮化铝、氧化铝在高强度建筑用钢的生产过程中，能够起到脱氧、调整炉渣的流动性、提高钒钛元素氮化反应的概率，有助于高强度建筑用钢的生产。

同时，能够推动解决电解铝工业产生的危险废弃物，有助于国民经济的发展。

参考文献
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