低碳包晶鋼板坯連鑄過程枝晶生長和相變行為研究

《低碳包晶鋼板坯連鑄過程枝晶生長和相變行為研究》是依託東北大學，由羅森擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：低碳包晶鋼板坯連鑄過程枝晶生長和相變行為研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：羅森
• 依託單位：東北大學

中文摘要

在低碳包晶鋼連鑄過程中，包晶相變加劇了枝晶間凝固收縮，極易引發枝晶間熱裂，影響鑄坯質量和成材率。為此，本研究擬採用實驗研究和宏微觀多尺度數值模擬相結合的手段，研究低碳包晶鋼板坯連鑄過程的枝晶生長和相變行為，揭示枝晶間熱裂機理。首先，採用高溫雷射掃描共聚焦顯微鏡原位觀察實驗和FactSage熱力學計算軟體分別研究低碳包晶鋼凝固過程相變動力學和熱力學。然後，在此基礎上，開發多相/多組元枝晶生長數學模型，並耦合巨觀凝固傳熱模型，研究低碳包晶鋼板坯連鑄過程的形核、枝晶生長、包晶相變和溶質擴散現象，考察冷卻速率和鋼種成分對低碳包晶鋼凝固相界面演變速率、晶間溶質偏析、凝固收縮和凝固組織的影響規律。最後，揭示枝晶生長規律和相變機理，並根據RDG熱裂準則建立凝固組織與熱裂敏感性之間的定量關係，為控制低碳包晶鋼連鑄坯熱裂提供理論指導。

結題摘要

包晶鋼連鑄生產過程，包晶相變容易造成鑄坯初凝坯殼的不均勻生長，誘發鑄坯表面凹陷、裂紋等缺陷，惡化鑄坯表面質量。因此，研究包晶相變，將有助於探究低碳包晶鋼凝固過程中的包晶反應和包晶轉變機理，揭示包晶相變過程中的限制性環節，為包晶鋼連鑄坯提供理論指導。本研究首先採用FactSage商業軟體開展了低碳包晶鋼凝固熱力學研究。結果表明，溶質元素的加入導致包晶三相區的形成，包晶點處C含量隨著S和Mn含量的增加而降低，而增大P將會使得包晶點處的碳含量增加，合金元素Cr含量對包晶點處C含量的影響不大；包晶相變溫度隨著S和P元素的增加而降低，而Mn和Cr含量對包晶轉變線的溫度幾乎沒有影響。其次，採用高溫共聚焦金相顯微鏡對低碳包晶鋼凝固相變過程進行了原位觀察。結果表明，在冷卻速率為0.1 K/s條件下，初生鐵素體的析出溫度為1777.8 K，並呈胞狀結構。溫度降到1676.6 K時將發生包晶反應，反應速率為2.94 mm/s，包晶轉變時δ/γ與γ/L界面移動速率分別為50.3 μm/s與19.28 μm/s。然後，建立了包晶鋼多相場數學模型，開展了包晶鋼凝固相變數值模擬。研究表明，初始凝固時界面生長速率受到界面前沿溶質富集的影響而逐漸減慢；包晶反應時三相點平均移動速率為2.451 mm/s，而包晶轉變時δ/γ及γ/L界面的移動速率分別為41.13 μm/s和8.43 μm/s。隨著冷卻速率和界面厚度的增加，平均包晶反應速率逐漸增加；相反，增大界面能將明顯降低包晶反應三相點的平均移動速率。最後，根據數值模擬和實驗研究結果表明，包晶反應過程中奧氏體包裹鐵素體的同時，也將向液相及鐵素體相生長。本研究在此基礎上提出了新的包晶相變機制，即包晶轉變的起始點與包晶反應相同，並揭示了低碳包晶鋼凝固過程中包晶反應和包晶轉變時的限制性環節為C擴散。