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板坯连铸凝固过程微观组织的模拟研究

郭薇  
【摘要】: 连铸坯质量一直是冶金工作者关注和研究的重点问题之一。深入理解凝固过程枝晶形貌的发展变化及枝晶间的微观偏析对于揭示凝固机理及控制铸坯质量是十分必要的。目前数值模拟已逐渐成为研究微观机理现象必不可少的技术而日趋成熟,对铸坯内部微观机理的模拟研究与深入探讨对于连铸技术的发展具有重要的指导作用。枝晶是连铸坯凝固过程最常见的组织形态,研究枝晶形貌演变过程有助于控制凝固组织形貌。因此本课题针对连铸坯凝固过程,结合宏观传热模型,对钢液凝固过程的枝晶生长形态变化及成分偏析进行研究,并发现了连铸过程和铸造过程在凝固组织形貌分析上的重要区别。本文主要研究内容和获得的结果如下: (1)分析并总结了国内外连铸及铸造过程微观组织及微观偏析模型,针对连铸钢液的凝固过程提出了研究枝晶生长的微观结构参数及其变化规律的数学模型,并结合实际浇注条件对碳钢和不锈钢两种钢种进行数值模拟计算,得出一些重要的微观组织参数,如枝晶生长速率、枝晶尖端半径、二次枝晶臂间距、固液界面处的溶质浓度、温度梯度、冷却速率、过冷度和枝晶尖端温度,随凝固进程及坯壳生长的变化关系。 (2)连铸坯凝固微观组织模型的验证与检验。以浇注碳钢连铸坯为研究对象,根据对现场实际浇注冷却后的钢坯试样的二次枝晶臂间距的测量值与模型计算值进行比较分析。确定了模型在连铸范畴内运用是合理的,且预测的微观组织参数能够反映凝固过程的组织变化情况;同时确定出连铸过程的稳定性常数值在0.05-0.085的适用范围,推导并验证了吉布斯-汤姆森系数1.2×10~(-8)运用在连铸坯凝固过程的合理性。 (3)分析了连铸坯凝固末期固液界面前沿碳钢的主要元素C、Si、Mn、P、S和不锈钢的主要元素C、Cr、Ni、P、S的微观偏析程度随凝固进程的变化关系。当固相分率超过0.9时,P和S的偏析显著增加,其中S的偏析最大,而C,Si和Mn(Cr和Ni)的偏析变化不如P和S显著。随着凝固坯壳的不断生长,液相越来越少,残余在液相中的溶质元素也会随着液相的减少而减少;各元素的偏析程度随枝晶生长速率的增加而略趋严重。 (4)研究了稳定性常数σ~*等微观参数和拉速等浇注参数对连铸凝固过程各微观结构参数的影响规律。稳定性常数越大,枝晶尖端半径越小,二次枝晶臂间距也越小。稳定性常数从0.025增大到0.05时,碳钢铸坯和不锈钢铸坯的枝晶尖端半径均减小约5~6μm,碳钢铸坯的二次枝晶臂间距减小幅度在100μm范围内,不锈钢铸坯的二次枝晶臂间距减小幅度在10μm范围内。在过热度为20℃下,拉速V_c从0.6m/min变化至1.0m/min时,在坯壳生长方向上,枝晶生长速率、枝晶前沿溶质浓度、温度梯度、冷却速率和过冷度均随着拉速的增加而减小,而枝晶尖端半径、二次枝晶臂间距、枝晶尖端温度则随之增大。 (5)研究比较了碳钢和不锈钢两种钢种的微观组织特性。碳钢连铸坯的枝晶生长速率在0.1-0.7mm/s内变化,枝晶尖端半径在12μm内变化,不锈钢连铸坯的枝晶尖端半径要比碳钢小3-4μm;对于二次枝晶臂间距来说,不锈钢则比碳钢要小得多。由于不锈钢其特有的组成和凝固模式,使得不锈钢的各微观参数值均比碳钢小,其凝固组织更为细密。 本研究对连铸凝固过程的微观机理进行了探索性的分析,取得了一些初步性的进展,但仍需进行后续的深入研究,为实现预测连铸过程中的微观组织形貌、提高材料组织性能提供理论指导。


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