随着管线钢的强度和韧性的不断提高,高级别管线钢的焊接性能已经成为管线钢质量好坏的重要判据。自新日铁研究人员提出氧化物冶金概念以来,有关钛的脱氧产物就受到了冶金和材料学术界的重点关注和广泛研究。对夹杂物诱发的IGF能使HAZ保持良好的韧性和较高的强度,从而提高钢材的可焊性已形成共识。但目前氧化物冶金的机理并未得到统一,学术观点各异,对钛氧化物的物相组成(主要是TiO,TiO2,Ti2O3和Ti3O5)也存在较大争议。由于这一技术由新日铁等少数厂家垄断,有关氧化物冶金技术的机理及其工艺开发进展比较缓慢。为尽快推动这一技术实现工业应用,就必须对脱氧工艺和脱氧产物进行全面认识,从而在基本掌握IGF形成规律基础上进行精确的冶炼过程控制。本文在调研大量文献的基础上,通过针对应用氧化物冶金的高级别管线钢脱氧工艺控制和脱氧产物析出的热力学与动力学计算,在实验室条件下开展了高级别管线钢的冶炼工作,对高级别管线钢的脱氧工艺和氧位控制;真空下耐火材料分解向钢液增氧的规律;有利于IGF形成的Ti2O3析出的热力学条件和动力学因素;钛脱氧产物的大小、成分,形貌、内部结构以及物相组成;钛脱氧产物对凝固组织的影响;氧化物冶金机理以及微米级夹杂物的研究方法等方面进行了深入细致的研究和探讨。通过钛氧化物析出的热力学计算,在一定条件下钛的氧化物中Ti2O3总能比其它钛氧化物优先析出,控制氧含量小于0.002%更有利于钛的氧化物以Ti2O3颗粒的形式析出;通过对高级别管线钢钛铝竞争脱氧的理论分析,确定了实验室采用无铝脱氧的工艺路线,即采用真空碳脱氧再用钛终脱氧的脱氧工艺;通过计算在炼钢温度和固液两相区内Ti2O3和TiN的竞争析出表明,在不同钛含量情况下,只要控制钢液中初始氮含量小于0.003%,Ti2O3总比TiN优先析出;通过建立的钛脱氧产物析出的动力学模型研究表明,要生成细小的Ti2O3夹杂,必须首先控制钢液凝固过程中有较高的冷却速率的基础上,应适当控制好钢液中的氧含量。通过对真空碳脱氧熔炼钢液时,MgO炉衬与CaO炉衬热分解向钢液供氧的理论研究表明,当钢液中实际氧含量高于与炉衬分解反应平衡时钢液氧含量时,炉衬不向钢液供氧,反之,则向钢液供氧,相比之下,CaO炉衬的稳定性更强;在实验室开展了真空碳脱氧的实验研究,在CaO坩埚内,在满足高级别管线钢C含量要求情况下(0.04%～0.06%),能够将钢液中的氧含量降到0.001%～0.002%左右;通过在金相试样和小样电解萃取的凝固析出的钛脱氧产物外部形貌观察,凝固析出的钛脱氧产物主要是Ti-O-Mn-S系形成的尺寸为1～2μm球形复合夹杂物;通过夹杂物颗粒分布统计分析发现,钢中夹杂物的数目是随着氧含量的降低而减少,但平均尺寸却随着氧含量的降低是先减小后增大;通过对凝固析出的超细夹杂物的内部形貌、结构和物相组成的SEM+EDS+EBSD研究表明,控制氧含量在50ppm以下,夹杂物的物相组成都是有利于针状铁素体形核的Ti2O3和凝固过程中以Ti2O3为形核核心的MnS,并通过透射电镜下选区电子衍射证实了EBSD的分析结果,总结归纳出了研究微米级夹杂物内部结构和物相组成的新思路;通过对微观组织的观察发现,钛脱氧钢的组织为针状铁素体,且随着钛含量的增加,组织细化越明显;诱发针状铁素体的夹杂物都是Ti2O3和MnS以及个别含Al2O3的复合夹杂物,同时发现细小的MnS也能诱发针状铁素体的形成。诱导针状铁素体形核的夹杂物尺寸在1～3μm左右,形成针状铁素体的宽度在1～3μm,长度约在5～15μm之间。综合以上分析表明,钛含量控制在0.015%～0.02%,氧含量控制在0.002%左右时,最有利于析出大量的诱发针状铁素体形核的Ti2O3的复合夹杂物;通过空冷组织和淬火组织的对比,发现钛脱氧钢形成针状铁素体除了与夹杂物本身的性质有关外,还与冷却速度也有非常重要的关系。在金相试样上和RTO表征法制样的扫描电镜元素分布分析表明,Ti、O元素主要分布在夹杂物的中心,S元素主要分布在夹杂物的外围,而从Mn元素的分布来看,在夹杂物中心和外围都含有Mn;通过RTO表征法制样的夹杂物透射电镜分析,在夹杂物最外围有单独的S元素存在,即夹杂物本身存在Mn贫乏区;通过对夹杂物拉曼光谱分析表明,钛脱氧钢样夹杂物除了Ti2O3和MnS外,还存在有MnTiO3;在对钛脱氧产物深度解析的基础上,发展并完善了Ti2O3诱发IGF的贫锰区机制。