高碳钢大方坯凝固机理与宏观偏析关键控制技术研究

发布时间：2020-09-03 14:30

　　高碳钢连铸大方坯由于碳含量高、两相区宽以及凝固时间长,铸坯宏观偏析尤为严重,而碳偏析一直是影响后续大断面轧材内部质量和性能不均匀的重要因素。铸坯的宏观偏析形成于凝固过程,与钢的凝固特性、微观偏析及组织密切相关。目前在高碳钢大方坯连铸生产过程中,采用复合电磁搅拌(结晶器和凝固末端电磁搅拌)及轻压下协同技术可对偏析控制起到很好的效果,但控制过程存在技术难点。本文围绕高碳钢大方坯凝固过程两相区溶质元素的微观偏析行为、凝固组织的演变规律以及宏观偏析的控制技术等方面展开研究,为采用不同技术路线最大程度改善高碳钢大方坯宏观偏析提供重要的理论和实践依据。针对高碳钢大方坯的实际工况条件,建立考虑到δ/γ相变的微观偏析模型,获得了高碳钢精确的固液相线温度,以及温度与固相率的关系;研究发现:高碳钢凝固过程仅析出γ相,凝固末期S、P和C元素偏析严重,其次为Mn、Si、Cr等元素;C元素含量对钢的零强度温度(ZST)、粘滞性温度(LIT)和零塑性温度(ZDT)影响明显,S、P和Mn等元素含量以及冷却速率对零塑性温度(ZDT)影响较大。为研究连铸工艺参数对高碳钢大方坯凝固组织的影响,利用元胞自动机—有限元法(CA-FE)建立了连铸方坯凝固过程宏观传热—微观组织耦合模拟模型,研究了不同拉速、过热度和比水量对高碳钢大方坯中心等轴晶率、晶粒密度和晶粒尺寸的影响规律,深入地对高碳钢大方坯凝固过程特征及凝固组织的演变规律进行研究。以增加铸坯中心等轴晶率来改善宏观偏析为目的,提出了可优先“降低过热度+优化电磁搅拌”的措施。基于差示扫描法和高温热模拟法对不同碳含量高碳钢大方坯的高温热力学性能进行研究,并将结果应用于建立的凝固传热模型,对高碳钢大方坯的凝固规律进行研究,结果表明:不同碳含量的高碳钢大方坯凝固规律相同;从结晶器弯月面至二冷区出口,对应的铸坯柱状晶区凝固坯壳厚度与凝固时间满足线性关系,符合平方根定律;二冷区出口至凝固终点,对应的铸坯等轴晶区凝固坯壳厚度与凝固时间为非线性关系;相比于二冷比水量和过热度,拉速对凝固终点和中心固相率的影响更大。为有效地控制高碳钢大方坯宏观偏析,首先基于电磁力矩理论设计了结晶器电磁力矩仪,结合高斯计和工业试验对结晶电磁搅拌参数进行优化。结果表明:最大电磁感应强度与最大电磁力矩对应的搅拌频率不同;断面越大,对应最大电磁力矩的搅拌频率越小。对于310mm×360mm断面高碳耐磨球钢BU,理论确定最优搅拌频率为1.8Hz;采用优化后的搅拌频率,铸坯中心等轴晶率增加了 30%,中心碳偏析指数从1.1降低到1.05且分布更均匀。其次结合高碳耐磨球钢各钢种的高温物理性能与凝固过程数值模拟的结果,理论优化主要的连铸工艺参数,通过工业试验对比分析了凝固末端电磁搅拌和轻压下复合技术对铸坯宏观偏析的影响,结果表明:对于310mmX 360mm断面高碳耐磨球钢BU、B6和B3,采用凝固末端电磁搅拌与轻压下复合技术,最优凝固末端电磁搅拌位置处中心固相率小于0.1,BU和B3钢最优压下区间中心固相率为0.3～0.75;拉速要控制高以满足轻压下压下区间的要求,对应的拉速分别为0.52m/min和0.5m/min;总压下量为17mm,在开始压下较小固相率(0.3～0.4)时,单辊的压下量小于2mm,在较大固相率(0.5～0.7)采用大的压下量;采用以上优化的工艺参数,BU和B3钢铸坯纵截面中心线碳偏析指数可达到0.97～1.04和0.97～1.08,V型偏析和中心缩孔完全消除,可有效避免中间裂纹。基于数值模拟和工业试验,对于220mm×260mm断面轴承钢GCr15,仅采用复合电磁搅拌技术,末端电磁搅拌最佳搅拌位置处铸坯的中心固相率为0.1～0.2,拉速要控制低以满足凝固末端电磁搅拌的要求,合适拉速为0.75m/min,铸坯纵截面中心线碳偏析指数为0.93～1.12,但对宏观偏析的改善有限;对于相同断面的BU钢,采用复合电磁搅拌和轻压下协同技术,末端电磁搅拌最佳搅拌位置处铸坯的中心固相率小于0.1,合适的拉速为0.9m/min,铸坯纵截面中心线碳偏析指数为0.95～1.02,可明显改善铸坯的宏观偏析。
【学位单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TF777
【部分图文】：

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图２－２邋（ａ）邋“小钢徒，，示意图（ｂ）邋“枝晶搭桥，，引起的铸坯中心偏析宏观组织逡逑２N２改善措施逡逑根据大方坯宏观偏析形成的理论，凝固过程中枝晶间富集溶质元素的流逡逑动、铸坯的凝固组织、钢的化学成分以及冷却条件等均对其有影响，另外实逡逑际生产过程中，铸坯宏观偏析的形成涉及到连铸的设备、工艺、技术、钢种逡逑以及操作等因素影响。对于改善或消除大方坯宏观偏析的技术手段主要包括逡逑－４－逡逑

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钢液的流动相关，中心线附近的两相区内凝固收缩引起的撕裂条件及方式是逡逑Ｖ型偏析形成的关键Ｗ。逡逑图２－１连铸还凝固过程示意图逡逑Ｌ－Ｊ１邋ＢＨＩ逡逑图２－２邋（ａ）邋“小钢徒，，示意图（ｂ）邋“枝晶搭桥，，引起的铸坯中心偏析宏观组织逡逑２N２改善措施逡逑根据大方坯宏观偏析形成的理论，凝固过程中枝晶间富集溶质元素的流逡逑动、铸坯的凝固组织、钢的化学成分以及冷却条件等均对其有影响，另外实逡逑际生产过程中，铸坯宏观偏析的形成涉及到连铸的设备、工艺、技术、钢种逡逑以及操作等因素影响。对于改善或消除大方坯宏观偏析的技术手段主要包括逡逑－４－逡逑

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计算精度高，且能够获得在任意时刻固相浓度的连续分布情况，还可考逡逑虑物性参数随温度的变化关系。逡逑典型的为日本学者Ｙ．Ｕｓｈｉｍａ［１８］提出的正六面体树枝晶凝固模型，如图２－逡逑３所示，建立了碳钢连铸过程中微观偏析的有限差分数值模型。该模型将二次逡逑枝晶臂的横断面视为正六边形，并在考虑结构对称性的基础上，取该横断面逡逑的六分之一部分作为数值模拟的计算域。其假设条件为：１）液相内溶质元素逡逑完全混合；２）忽略枝晶轴向固相和液相中的溶质扩散；３）不同相界面上存在逡逑热力学局部平衡。逡逑基于以上假设，将三维质量传输微分方程简化为：逡逑＝逦（２－１４）逡逑ｄｔ逦ｄｘ邋＾邋ｄｔ逡逑式中，—溶质ｉ元素在固相中的浓度，％；邋Ａ，溶质ｉ元素在固相中的扩散逡逑系数，ｍ２／ｓ；逡逑通过该模型研究了Ｙ相在液相和初生Ｓ相之间的形成过程，以及完全凝固逡逑后通过发生固相包晶转变生成过程中碳钢内溶质元素的扩散和分布情况。逡逑Ｌ１０ＵＩ０．逡逑＿逡逑Ｉ邋｜邋｜－逡逑？逦｜逦ｆ逦１１１逡逑！邋！逦！邋％邋？逡逑ａ）邋ｂ＞邋ｍ逡逑Ｊ逦ｍｒｍｘ逡逑［ＴＨＥ邋ＬＡＳＴ逡逑＼＿／Ｓ（ＸＩ）ｔＦｌＣＡＴＩ0Ｎ逡逑图２－３邋（ａ）枝晶臂形态（ｂ）微观偏析模型计算域示意图逡逑Ｙ．Ｋ．Ｗｏｎ等［１９］、Ｔ．Ｎａｋａｇａｗａ等［气邋Ｋ．Ｈ．Ｋｉｍ等［２１］以及钱宏智等［２２］应逡逑用上述凝固微观偏析数学模型研究了碳钢连铸过程中微观偏析现象与铸坯内逡逑部和表面质量的相关性，并提出了相应的连铸工艺参数优化措施。逡逑国内冯科［２３］等在假设二次枝晶臂间距的１／２区域内

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