2205双相不锈钢连铸坯凝固组织热模拟实验设计_陈湘茹.pdf

ISSN 1006 7167CN 31 1707/TESEACH AND EXPLOATION IN LABOATOY第 42 卷 第 1 期Vol 42 No12023 年 1 月Jan 2023DOI:10 19927/j cnki syyt 2023 01 0412205 双相不锈钢连铸坯凝固组织热模拟实验设计陈湘茹1，赵龙1，余海峰2，3，翟启杰1(1 上海大学 材料科学与工程学院先进凝固技术中心，上海 200444;2 宝山钢铁股份有限公司，上海 201900;3 中国宝武中央研究院 不锈钢研发中心，上海 200126)摘要:为探索提高 2205 双相不锈钢铸坯质量的途径和方法，设计了 2205 双相不锈钢连铸坯凝固组织的模拟实验，从而为 2205 双相不锈钢连铸参数的优化提供基础。通过连铸坯的凝固热模拟装置进行实验设计，并借助金相显微镜研究 2205 双相不锈钢连铸过程凝固组织转变，发现模拟样品的显微组织与 2205 双相不锈钢连铸板坯的显微组织相同，说明模拟实验设计可靠。在此基础上，发现搅拌强度可以改善 2205 双相不锈钢连铸过程凝固组织缺陷和细化晶粒，为进一步深入研究对流强度对 2205 双相不锈钢连铸板坯的影响机制提供前期准备。关键词:双相不锈钢;连铸板坯;强制对流;凝固;晶粒细化;热模拟中图分类号:TF4文献标志码:A文章编号:1006 7167(2023)01 0208 04Design of Thermal Simulation Experiment for Solidification Structureof 2205 Duplex Stainless Steel Continuous Casting SlabCHEN Xiangru1，ZHAO Long1，YU Haifeng2，3，ZHAI Qijie1(1 Center for Advanced Solidification Technology(CAST)，School of Materials Science and Engineering，Shanghai University，Shanghai 200444，China;2 Baoshan Iron and Steel Co，Ltd，Shanghai 201900，China;3 Stainless steel D Center，China Baowu Central esearch Institute，Shanghai 200126，China)Abstract:In order to improve the quality of 2205 duplex stainless steel continuous casting slab，experiments aredesigned to simulate the solidification structure of 2205 duplex stainless steel continuous casting slab，so as to provide abasis for the optimization of subsequent 2205 duplex stainless steel continuous casting parameters The experimentaldesign is carried out through the solidification thermal simulation device of continuous casting slab，and the solidificationstructure transformation of 2205 duplex stainless steel continuous casting process is studied with the help ofmetallographic microscope It is found that the microstructure of the simulated sample is the same as that of 2205 duplexstainless steel continuous casting slab，which shows that the simulation experimental design is reliable On this basis，itis found that the forced convection can improve the solidification structure defects and refine the grains in the continuouscasting process of 2205 duplex stainless steel，which provides preliminary preparation for further study on the influencemechanism of convection strength on 2205 duplex stainless steel continuous casting slabKey words:duplex stainless steel;continuous casting slab;forced convection;solidification;grain refinement;thermalsimulation收稿日期:2022-02-25基金项目:国家重点研发计划(2020YFB2008403);国家自然科学基金项目(52071195)作者简介:陈湘茹(1981 )，女，浙江台州人，博士，高级实验师，主要从事金属材料凝固方面的科研和教学工作。Tel:021-66136577;E-mail:chenxr shu edu cn通信作者:翟启杰(1959 )，男，辽宁大连人，博士，教授，主要从事铸造新技术新材料、金属凝固过程及均质化技术研究工作。Tel:021-66136563;E-mail:qjzhai shu edu cn第 1 期陈湘茹，等:2205 双相不锈钢连铸坯凝固组织热模拟实验设计0引言双相不锈钢兴起于上个世纪，是一种新型不锈钢，由于其良好的力学性能和耐腐蚀性能，被广泛用于替代奥氏体不锈钢，并成为不锈钢家族中的高端产品1-2。然而，两相性能的差异(例如，导热系数、硬度和塑性等)和高氮含量带来了一些问题，包括宏观偏析、铁素体/奥氏体相边界微裂纹和氮化物沉淀等问题，板坯凝固过程中的缺陷在随后的热处理过程中难以消除对板坯质量的影响。强制对流对凝固组织的影响与其参数选择密切相关。不仅可以通过提高温度梯度和抑制界面溶质偏析3-4 使晶体生长为单一结构，还可以通过促进枝晶熔丝断裂漂移扩散来细化晶体结构5-9 或促进柱状等轴转变(Columnar Equiaxed Transformation，CET)10-11，甚至可以通过均匀的液体温度场直接形成球晶结构，抑制组分过冷12。为了给 2205 双相不锈钢连铸工艺和铸坯质量影响提供依据，需要对 2205 双相不锈钢铸坯的凝固行为和宏观组织演变机理进行系统研究，但由于连铸过程中，钢凝固时温度高、过程连续以及钢液本身不透明性，给直接观察连铸坯凝固过程和凝固组织的影响带来困难，因此，本研究通过设计合理的热模拟装置，在实验室情况下模拟 2205 双相不锈钢铸坯凝固组织演变规律，从而丰富 2205 双相不锈钢连铸过程中的理论。1实验设计1.1热模拟原理在板坯凝固过程中，传热基本上沿着垂直于拉坯方向和水平于拉坯方向，且水平于拉坯方向温度梯度低，传热量远远小于水平拉坯方向并可忽略不计，因此，实际板坯连铸过程可以假定为一维传热模式凝固过程，可以将其视为定向凝固过程。而与传统的定向凝固实验技术不同的是，不仅固-液界面的凝固速率在非线性推进速率下发生变化，而且固-液界面的温度和温度梯度也在不断变化。1.2热模拟装置热模拟的原理图如图 1 所示。根据连铸板坯凝固过程中特点，从传热的相似性出发，研究团队设计了一套连铸板坯凝固过程热模拟装置，并申请了国家专利13-14。从连铸板坯中沿厚度方向取出一个铸坯凝固单元作为板坯的模拟单元(由于连铸板坯凝固组织沿中线近似对称，在热模拟装置中，它被包装在刚玉管中，并在垂直方向上拧在水冷拉杆上。然后，将凝固速率曲线和固-液界面温度变化曲线输入控制系统，以确保固-液界面速度和温度梯度不断变化，样品的传热更接近实际铸件凝固过程，这使用 100 500 g 钢模拟研究数 10 t 板坯的凝固过程和组织成为可能。图 1热模拟原理(a)连铸坯凝固示意图;(b)模拟单元;(c)热模拟装置;(d)板坯中心冷却曲线热模拟装置如图 2 所示，该装置主要包括加热、传动、运动、冷却和温度测控 5 个硬件系统。加热系统由加热体和保温层，以及与之配套的完整测温系统组成，通过调节加热体的加热功率和速度，调节加热体内部的温度。模拟单元试样置于加热体中心，通过热电偶进行测温，其将所测的温度反馈给加热体，加热体进一步调节其加热功率和速度，其加热温度范围在室温至2 000 之间。冷却系统可通过调节冷却水的流速从而控制不同的冷却强度，冷却水的流量可以通过工控机进行统一调节，冷却速率可在 0 10 /s 范围之内连续调节。传动系统和运动系统的动力由拉伸电动机和旋转电动机共同提供，该系统位于炉体底部与试样相连，外接工控机和计算机，通过调节工控机和计算机的输入条件调节其输入条件，拉伸速率可在 0.000 1 20 mm/s 之间连续调节，而旋转速率可在 500 500r/min 之间调节。图 2热模拟装置示意连铸坯的凝固与定向凝固不同，不论是连铸板坯坯壳生长速度、连铸板坯中心温度还是冷却强度都是902第 42 卷可以随着凝固的进行而不断变化，因此，为了模拟连铸坯的凝固过程，引入 3 个函数控制程序，其中，加热控制函数程序通过调整加热体的加热功率和速度从而对模拟单元的中心温度进行控制，而冷却控制函数程序通过对冷却水流量的连续调节实现对模拟单元冷却强度的条件，而拉杆拉伸控制函数程序可控制模拟单元固-液界面前沿移动速度，其函数曲线如图 3 所示，同时，拉伸杆可以在运动过程中进行旋转，从而模拟研究强制对流对连铸坯凝固过程的影响。2热模拟试验与结果分析2.1热模拟实验2205 双相不锈钢的化学成分(质量分数)如表 1所示。根据 Thermo-Calc 热力学计算 2205 双相不锈钢的平衡相图，结果如图 4 所示，从图中可以看出，2205双相不锈钢的液相线 1 470，在1 470 到1 479 的范围内是-Fe的单相区，随着温度的降低，液相部图 3拉杆拉伸控制函数曲线分的体积减小，而-Fe 部分的体积逐渐增大。在1 379 时，液相的体积分数为零。随着温度的进一步降低，-Fe 体积分数逐渐减小，-Fe 体积分数逐渐增加。平衡状态下，2205 双相不锈钢凝固过程中最先形成铁素体相，而在 1 379 左右经二次固态相变，室温下铁素体与奥氏体共存两相。表 12205 双相不锈钢的化学成分(质量百分数)CSiMnPSCrNiMoNCuAlBVTiNb0 0210531 1100220 000 622 185883230150060020002 20 0760.030.03(a)2205 双相不锈钢的平衡相图(b)2205 双相不锈钢相分数图 42205 双相不锈钢热力学分析以连铸 2205 双相不锈钢坯料为原材料，样品尺寸为:直径 12 mm、长度为 120 mm 的圆棒，为保证熔炼过程中钢液成分和温度的均匀性，将熔炼温度控制在1 580 (根据上述热力学计算，过热度控制在 110)，保温时间 30 min。然后，将炉温降至浇注温度1 520(根据上述热力学计算，过热度控制在 50)，并保持 20 min，使整个钢液中的温度均匀