IF钢连铸钩状坯壳的演变及对表面洁净度的影响

发布时间：2020-07-01 00:38

【摘要】：IF钢连铸坯表层洁净度是影响制造成本和产品质量的重要因素。针对IF钢连铸坯表层夹杂物数量及尺寸控制,综合采用了金相实验、热力学分析、数值模拟、物理模拟、真空熔炼等手段,研究了IF钢连铸坯夹杂物的演变行为与分布特征;分析了结晶器内传热与初始凝固过程中钩状坯壳的形成机理;揭示了钩状坯壳对夹杂物的捕集规律;探索了Mg处理对IF钢夹杂物微细化的作用效果。利用自动扫描电镜分析了IF钢生产过程中夹杂物的演变行为和在连铸坯表层的分布规律。RH精炼合金化以后,部分Al2O3类夹杂物逐渐转变为Al2O3-Ti Ox类夹杂物,含Mg夹杂物比例逐渐增加,大尺寸夹杂物以Al2O3类为主。连铸坯表层3 mm以内夹杂物数量明显偏大,宽面中心和角部表层夹杂物数量略高于其他位置。利用金相显微镜研究了钩状坯壳的形貌以及不同区域的夹杂物分布规律。在复杂环境的作用下钩状坯壳中心线的曲率有所波动,总体走势与Bikerman方程描述的弯月面接近。钩状坯壳深度1.2 mm~2.9 mm,随着拉速和浇注温度的增加,其深度逐渐减小。钩状坯壳中心线下侧和钢液溢流区内夹杂物尺寸较大、数量较多;钩状坯壳中心线上侧和无凝固钩坯壳的区域,仅有少量尺寸小于100μm的夹杂物。基于连铸坯与结晶器的相对运动和传热特征,采用节点温度继承(3D·NTI)和传热反问题(IHCP)方法,建立了三维结晶器稳态传热模型和连铸坯瞬态传热模型,实现了结晶器铜壁和连铸坯的温度场同步分析。以结晶器铜壁温度实测数据为基础,研究了结晶器内坯壳表面的热流分布规律。在弯月面附近,宽面中心热流最高,导致钩状坯壳生长迅速,夹杂物被捕集概率增大。根据弯月面凝固-溢流原理,建立了二维纵向切片传热数值模型。以3D·NTIIHCP模型确定的热流分布为边界条件,系统分析了初始凝固过程中钩状坯壳的形成与演变过程。浇注温度从1550?C升高至1565?C时,拉速从1.1 m·min-1提高到1.7m·min-1时,钩状坯壳深度由3.5 mm减少为1.8 mm和2.2 mm,模型分析结果与钩状坯壳深度实测结果最大值基本吻合。提高拉速使钩状坯壳“埋没点”下降、钩状坯壳残存区域扩大;浇注温度上升,“埋没点”位置升高,钩状坯壳残存区域缩小。依据钩状坯壳形貌的数值模拟结果,结合PIV激光粒子测速技术,建立了连铸坯表层凝固前沿捕集夹杂物的物理模型。钢液内上浮的夹杂物最容易被初生钩状坯壳下侧捕集。而弯月面附近聚集的夹杂物,容易被溢流的钢液带入钩状坯壳上侧根部,其捕集量为钩状坯壳下侧的70%。拉速从1.1 m·min-1提高到1.7 m·min-1时,钩状坯壳对夹杂物的捕集量下降了54.7%。建立钩状坯壳附近钢液中夹杂物的受力分析模型。在凝固钩中心线下侧和溢流区,尺寸0μm~300μm的夹杂物受到的合力方向指向凝固前沿,合力值随着夹杂物尺寸的增加而增大;在没有凝固钩的坯壳附近,随着夹杂物尺寸的增加,夹杂物倾向于沿凝固前沿平行运动;在凝固钩中心线上侧,尺寸大于30μm的夹杂物受到的合力方向背离凝固前沿,捕集夹杂物的能力最弱。开展了Mg处理IF钢的真空熔炼实验,研究Mg对夹杂物尺寸的微细化控制效果。钢中Mg含量增加到8 ppm和15 ppm,夹杂物尺寸显著降低,特别是大尺寸夹杂物显著减少。Mg处理IF钢中夹杂物数量比未处理的上升了60.8%、84.7%。对Al-Mg-Ti-O系夹杂物的平衡热力学和熔化热力学进行了计算,并与实验结果进行了对比验证。对工业生产IF钢Mg处理时机的合理化进行了探讨。
【学位授予单位】：华北理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TF777
【图文】：

弥散分布,连铸坯,IF钢,修磨

图 1 修磨后的 IF 钢连铸坯Fig1 Grinded IF steel Slab产生来源来分，典型的冷轧汽车板表面缺陷可以分为三大类[1]：第连铸工艺过程，包括暗线/亮线（sliver）、夹杂（inclusions）、、结疤（scabs）、针孔（hole）、气泡（blister）、色差暗带（类源于热轧工艺过程，主要是氧化铁皮压入钢材基体导致的麻点d-in scale）。第 3 类来源于冷轧工艺过程，包括酸洗不足（under（over pickling）、辊印（roll mark）、刮伤划痕（pinch mark）等明，IF 钢出现质量问题的主要原因是冶炼和连铸过程产生的第 1比较典型的是暗线/亮线、夹杂、分层/起皮。前人分析表明[2]，在量弥散分布的细小 Al2O3类夹杂物颗粒（颗粒直径 5~10 μm 左右化物夹杂，或者包含结晶器保护渣成分的复合夹杂。连铸坯的表面缺陷都具有遗传性，会对后续的轧制和涂镀等工序

形貌,浸入式水口,结瘤

23x23x2323且在 TiOx-Al2O3转变为 Al2O3的过程中会导致钢滴进入夹杂物内部，3包裹钢滴的夹杂物。10 年，王敏[23]通过形核理论很好地解释了IF钢中Al2O3-TiN 的形成机理iFe 合金化后由于局部 ωTi·ωN浓度积有很大的过饱和度，满足异质形核以钢液中 Al2O3为核心生成 Al2O3-TiN 复合夹杂，但此时的 TiN 并不稳液中 ωTi浓度的均匀而发生分解，在凝固过程中由于温度的降低和 ωTi固前沿 TiN 再次析出。 IF 钢生产过程中，水口结瘤是一个较为困难的问题，多年来对生产技很大的困扰。典型的浸入式水口结瘤形貌如图 2 所示。由于氧化铝的0℃，弥散的氧化铝不但降低了钢水的洁净度，而且恶化了钢液的流动产中，水口结瘤物以氧化铝最为常见。王刚[30]等对梅钢浸入式水口结分析后发现：结瘤物中氧化铝夹杂占总结瘤物的质量比高达 51.81%，瘤、铸坯质量下降的主要原因。

【参考文献】