微量Ce对高级别管线钢洁净度与组织性能的影响

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随着全球范围内能源总量及清洁能源需求的增加,石油、天然气已经成为影响世界各国经济发展不可缺少的重要资源;人们欲采用高效率(高压,大流量)、高级别(X100、X120)的管线钢降低油、气管线建设成本和提高输送效率。因此,开发、研制“高强度、高韧性的石油、天然气输送管线用钢、满足能源供应需求”成为本世纪管线钢的发展方向之一。众所周知,因石油、天然气从产地到消费终端要经地震带、不连续冻土带、深海等严峻的环境,要高速输送高压含H2S等腐蚀性流体,则要求管线钢具有高强韧性、高变形能、抗HIC、 SSCC能力和高能量焊接性能。为此、本研究作为开发高级别(X120)管线钢的基础研究环节,在简述高级别管线钢的发展背景、生产工艺、存在问题的基础上,整理、归纳、总结了稀土元素的性质及其在钢中的作用机理。为提高管线钢强韧性能、变形能力和抗HIC、 SSCC能力,解决钢材基体洁净化、细化和改变钢中夹杂物形态这两个关键科学问题,本研究完成以下4项任务。1.运用冶金热力学理论估算Ce含量对钢液过冷度的影响,计算钢中Ce、 O、 S夹杂物的热力学生成条件;2.用真空感应炉在8×102Pa的Ar氛中把3kg工业纯铁和辅料熔制成0.05%C-0.3%Si-2.0Mn%钢液,并向其中添加Ce元素,在1873K下(模拟RH真空精炼过程)精炼,用无氧化重力铸造、锻造方法制备了4组管线钢试样;3.用成分分析、金相观察、扫描电镜观察和能谱分析,拉伸及冲击实验等测试方法,研究、表征Ce对高级别管线钢的成分、夹杂物形态、微观组织结构和力学性能的影响;4.分析、研究、探讨Ce改善钢材显微组织、提高钢材拉伸及冲击性能的作用机理。通过理论计算、试验表征和分析探讨后,得出以下结论:实验结果表明:当钢中Ce含量为0.0374%mass时,氧含量从0.0036%mass下降到0.0008%mass,硫含量从0.0065%mass下降到0.0010%]mass。说明稀土Ce元素有深脱氧,脱硫能力,且具有较快的脱除速率,能够实现净化钢液的作用。同时Ce元素能够提高钢液过冷度,增加基体凝固时的形核数量,使得针状铁素体、粒状铁素体和马奥岛数量增多且细小均匀,从而使基体组织得到细化。研究发现:在钢液中加入Ce元素,经1873K的高温精炼后,钢中O主要以Ce203的形式存在;在S含量较高的条件下Ce与O、S生成Ce202S.随Ce含量增加,原大体积,不规则形貌的MnS.Si02夹杂物转变为1μm左右、甚至纳米级球形Ce氧硫夹杂物;带尖角的大型复合夹杂物变为Ce复合夹杂物,其尺度减小了10倍左右;钢中小于2μm的夹杂物占到80%,大于10μm的夹杂物几乎消失。最终钢材的综合力学性能得到提高,Ce含量在0~0.0374%范围内,管线钢的综合力学性能出现了先提高后略有下降的趋势;当Ce为0.0167%时,屈服强度Rp0.2、抗拉强度Rm、断面伸长率A分别达到了710MPa.764MPa.24%;比Ce含量为0时分别提高了33.1%、24.8%、54.9%;冲击功AK达到276J,也比Ce含量为0时提高了57.7%。
摘要第3-6页
ABSTRACT第6-9页
目录第10-12页
第一章 绪论第12-32页
    1.1 研究背景第12-14页
        1.1.1 世界油气输送管线的发展与现状第12-13页
        1.1.2 我国油气管线的发展现状第13页
        1.1.3 油气管线的发展趋势第13-14页
    1.2 管线钢第14-25页
        1.2.1 国际管线钢的发展现状第14-16页
        1.2.2 国内管线钢的发展现状第16-18页
        1.2.3 管线钢的服役环境和存在问题第18-20页
        1.2.4 管线钢的发展趋势第20-21页
        1.2.5 国内外高级别管线钢生产工艺状况第21-24页
        1.2.6 管线钢强韧性趋势与微观组织特征研究的必要性第24-25页
    1.3 稀土元素及其在钢中的作用第25-29页
        1.3.1 稀土的分布与存在状态第25-26页
        1.3.2 稀土元素的分类及电子结构特征第26页
        1.3.3 稀土元素在钢中的作用第26-28页
        1.3.4 稀土元素铈(Ce)对高级别钢处理的可行性与必要性第28-29页
        1.3.5 稀土用于钢铁冶炼的现状及前景第29页
    1.4 本课题的研究目的与意义第29-31页
    1.5 本课题技术路线图第31-32页
第二章 实验原理第32-38页
    2.1 钢液中夹杂物生成的热力学原理第32-34页
        2.1.1 熔炼体系第32-34页
    2.2 钢液中夹杂物形成、上浮和排除的动力学原理第34-38页
第三章 实验方法第38-50页
    3.1 实验用原材料第38-39页
    3.2 实验设备及试样的制备第39-44页
        3.2.1 实验设备第39-41页
        3.2.2 试样制备第41-44页
    3.3 试样检测方法第44-50页
        3.3.1 试样成分检测第44-50页
第四章 实验结果第50-66页
    4.1 Ce含量对钢中[O]、[S]的影响第50-52页
    4.2 金相显微镜检测结果第52-53页
    4.3 试样SEM和EDS检测结果第53-59页
        4.3.1 Ce对钢中基体组织的影响第53-56页
        4.3.2 Ce对钢中夹杂物形貌的影响第56-59页
        4.3.3 Ce对钢中夹杂物数量与尺寸的的影响第59页
    4.4 试样力学性能的结果第59-61页
        4.4.1 Ce对实验钢拉伸性能和冲击性能的影响第59-61页
    4.5 室温拉伸实验断口形貌分析第61-62页
    4.6 室温冲击实验断口形貌分析第62-66页
第五章 分析与讨论第66-80页
    5.1 Ce对钢液洁净度的影响第66-70页
        5.1.1 Ce脱除[O]、[S]的热力学计算方法和诸元素的活度值第66-67页
        5.1.2 精炼中钢液/Ce_2O_3界面的[O]平衡值的计算第67页
        5.1.3 精炼中钢液/Ce_2O_2 S界面的[S]平衡值的计算第67-68页
        5.1.4 钢液[O]、[S]平衡值与实验测定值随[Ce]含量的变化第68-70页
    5.2 Ce对钢中夹杂物及基体韧性的影响第70-74页
        5.2.1 Ce脱[O]、[S]生成稀土夹杂物及物相第70-71页
        5.2.2 Ce对夹杂物形貌分布数量的影响第71-72页
        5.2.3 夹杂物对管线钢力学性能的影响第72-74页
    5.3 Ce对钢中铁素体组织和力学性能的影响第74-80页
        5.3.1 微量Ce元素对高级别管线钢中基体组织结构的影响第74-76页
        5.3.2 高级别管线钢中基体组织结构对力学性能的影响第76-80页
第六章 结论第80-82页
参考文献第82-86页
致谢第86-88页
攻读硕士学位期间发表的学术论文第88页
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