（材料加工工程专业论文）薄带连铸界面热流研究以及钢带相变与形变过程的原位观察.pdf

宝钢股份研究院上海交通大擘博士后出站报告 薄带连铸界面热流研究以及钢带相变与形变过程的原位观察 摘要 宝钢双辊薄带连铸产业化进展至今，对于钢液铸辊界面热流规律、钢带的相变 与形变行为尚需探讨。为此，本文设计了可模拟薄带连铸钢液铸辊传热的试验装置， 尝试研究钢液铜辊之间的界面热流规律；利用共焦激光扫描显微镜( c o n f o c a ls c a n n i n g l a s e rm i c r o s c o p e ，c s l m ) 原位研究a i s l 3 0 4 不锈钢加热与冷却过程中相变行为、高 温铁素体( d ) 、奥氏体( t ) 的生长及其相互转变、d 对夹杂运动行为的影响、硅钢 固态相变d + 吖一铁索体( a ) 、奥氏体高锰t w l p 钢应变诱导李晶等过程。 设计了两种测量界面热流规律的装置：铜块系统、铜片系统。结果表明，试验中 需精确控制插入深度和接触时间，铜块系统可定性研究钢液铸辊界面的瞬态热流， 不同钢种之间界面热流差异较大，而过热度对界面热流影响很小；铜片系统可用集总 参数法处理温度数据，以此计算钢液铜基底界面热流密度，结果对宝钢薄带连铸中 试平台具有可移植性，从而建立了薄带连铸界面热流分布模型。热流沿界面可分为三 个阶段：( 1 ) 液态接触，界面热流密度非常大，并保持相对恒定值；( 2 ) 凝固阶段， 热流密度随着时间快速下降；( 3 ) 凝固壳生长阶段，随着时间延长，热流密度呈轻微 下降趋势。定量给出了各阶段的界面热流密度。 在此基础上，仿真研究了双辊薄带连铸过程的流场和温度场，结合对三角熔池组 织的分析表明，熔池下部存在两个涡流区，这是双辊薄带连铸过程的典型特征；决定 了薄带组织具有以下特点：( 1 ) 沿界面凝固壳生长存在一临界点，( 2 ) “三明治”结 构，( 3 ) 反偏析区；两侧液位轻微的浮动对k i s s 点有较大影响，导致凝固壳生长不 对称。 c s l m 原位观察发现，a i s l 3 0 4 不锈钢升温过程中，1 3 0 0 1 4 0 00 c 之间d 相在t 晶界处优先形核，而d 相在t 晶粒内瞬态大量形成一般需在1 4 1 0o c 以上：提高升温 速率有利于d 晶粒细化，促使d 相生长平界面失稳并出现二次枝晶；d 相析出时以非 小平面为主，另可见少量的小平面d 晶体：随着相变进行，小平面状d 相呈现出边缘 钝化、向非小平面转变的趋势；d 相对其附近的夹杂表现出较强的吸附作用；夹杂多 在山l 界面处聚集、自球化，d 相吸附提供了夹杂去除的潜在手段。 a i s l 3 0 4 不锈钢凝固过程中，在一定的过冷度下，试验钢自由表面总可以观察到 胞状d 相。固液界面呈现指状而非小平面，y 相形成是由于n i 元素在凝固过程中的 富集所致。在7 5o c r a i n 的冷速下d 晶粒可能合并，当冷速达到1 5 0o c r a i n 时可观 察到d 枝晶在自由表面处形成。当凝固速率从7 5o c r a i n 增加到1 5 00 c m i n 时，d 晶粒尺寸从1 2 0 , u r n 减小至2 0 8 0 t i n ，同时t 相体积分数增加。 d 一丫相变过程中，t 相优先在d 晶界处形成；冷却速率影响1 ，相的生长形态，典 型形态分为块状、圆形、树枝状等三类；“游离”丫枝晶发生粗化，并可能和周围的 r 枝晶聚合；相同冷却条件下，d 晶界处的丫枝晶聚合程度明显高于d 晶粒内部；二次 枝晶在冷却过程中粗化，并竞争生长。 对低硅钢固态相变过程观察发现，随着升温速率提高，a 一 r 、t d 相变开始温 度逐渐提高；降温时d 一丫、1 ，一a 相变开始温度与降温速率的关系也呈类似规律；随 着升温最大值提高，丫一a 相变温度区间下降。 应变诱导挛晶是t w l p 钢的本征效应。c s l m 观察表明，孪晶诱导应变阀值对应 变速率不敏感，均为4 0 左右：李晶萌发于晶界，沿晶粒扩展至晶界( 或孪晶界) 终止；孪晶可分为三类：层片状、透镜状、以及“耳”状，形态差异源于变形过程中 t w l p 钢多晶体取向以及沿孪生特定位向的调整幅度；孪晶可以交互穿越，低应变速 率下，先形成初生孪晶，而后出现次生孪晶与前者交错，高应变速率下两个体系的孪 晶同时形成：断裂时裂纹可以沿1 、v i p 钢孪晶界扩展。 关键词：薄带连铸，界面热流，共焦激光扫描显微镜，a i s l 3 0 4 不锈钢，低硅钢，t w i p 钢，数值仿真，原位观察 宝钢股份研究院上海交通大学博士后出站报告 i n v e s t i g a t i o no fi n t e r f a c eh e a tt r a n s f e rf o rs t r i pc a s t i n ga n d n s i t u 0 b s e r v a t i o no fp h a s et r a i l s f o r n m t i o na n ds t a i nd e f o r m a t i o nf o rs t e e l s t r i p i n d u s t r i a l i z a t i o no fb a o s t e e lt w o - r o l ls t r i pc a s t i n gh a sd e v e l o p e df o rs e v e r a ly e a r s t h ei n t e r f a c e h e a tt r a n s f e rb e t w e e nt h es t e e la n dc a s tr o l l 。a n dt h ep h a s et r a n s f o r m a t i o na sw e l la ss t a i nd e f o r m a t i o n f o rs t e e ls t r i pn e e dt oh ei n v e s t i g a t e d t h ei n t e r f a c eh e a tt r a n s f e ri ss t u d i e db yd e s i g n i n ge x p e r i m e n t a l e q u i p m e n t su s e dt os i m u l a t et h et w o - r o l ls t r i pc a s t i n gp r o c e s s t h ep h a s et r a n s f o r m a t i o nd u r i n gh e a t i n g a n dc o o l i n go fa 1 s 1 3 0 4s t a i n l e s ss t e e l ，t h eg r o w t hb e h a v i o ro fh i g h t e m p e r a t u r ef e r d t e ( 由a n da u s t e n i t e ( d ，t h ee f f e c to fdo nt h em o v e m e n to fi n c l u s i o n s ，d 卜吖+ 辛f e r r i t e ( a ) p h a s et r a n s f o r m a t i o no fs i l i c o ns t e e l ， a n dt h es t a i ni n d u c e dt w i n so f a a s t e n i t eh i g hm a n g a n e s et w i ps t e e la l ei n v e s t i g a t e db yu s i n gac o n f o c a l s c a n n i n gl a s e rm i c r o s c o p e ( c s l m ) t w ok i n d so fe q u i p m e n t su s e dt ot e s tt h eh e a tt r a n s f e ra l ed e s i g n e da sf o l l o w s ，ac o p p e r - b l o c k s y s t e ma n dac o p p e r - p l a t es y s t e m t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ei n s e r t i n gd e p t ha n dt h ec o n t a c tt i m es h o u l d b ec o n t r o l l e dp r e c i s e l y t h ec o p p e r - b l o c ks y s t e mc a nb eu s e dt oi n v e s t i g a t eq u a l i t a t i v e l yt h eh e a t t r a n s f e rb e t w e e nc o p p e rr o ua n ds t e e ll i q u i d t h e r ei sr e m a r k a b l ed i f f e r e n c eo fh e a tf l u xf o rd i f f e r e n t s t e e l s h o w e v e r , t h ee f f e c to fs u p e r - h e a t i n go nt h eh e a t f l u xi sa n - c o n s p i c u o u s a v e r a g ep a r a m e t e r m e t h o d ( a p 岣c a nb eu s e dt od e a lw i t ht h et e m p e r a t u r ed a t ao fc o p p e r - p l a t es y s t e m t h eh e a tf l u xc a n h ec a l c u l a t e db yu s i n ga p m t h er e s u l t sc a l lb et r a n s p l a t e dt ot h eb a o s t e e ls t r i pc a s t i n gp l a n t b a s i n go n t h e s er e s u l t sa b o v e , am o d e lo ft h ei n t e r r a c i a lh e a tf l u xf o rt h es t r i pc a s t i n gi se s t a b l i s h e d i tc a nb e d i v i d e di n t ot h r e ep a r t sa sf o l l o w s ( 1 ) l i q u i ds t e e lc o n t a c t sw i t ht h ec a s t i n gr o l l h e a tf l u xi sl a r g ea n d k e e p sc o n s t a n t ( 2 ) s o l i d i f i c a t i o np t x x ：e s s h e a tf l u xd e c r e a s e sr a p i d l yw i t ht h ec o n t a c tt i m e ( 3 ) g r o w t h p r o c e s so ft h es o l i d i f i e ds h e l l t h eh e a tf l u xd e c r e a s e sl i g h t l yw i t ht h ec o n t a c tt i m e t h eh e a tf l u x d i s t r i b u t i o ni sg i v e nq u a n t i t a t i v e l y t h ef l o wa n dt e m p e r a t u r ef i e l d so ft w o - r o l ls t r i pc a s t i n ga r es i m u l a t e d c o m b i n i n gw i t ht h e a n a l y s i so ft h em i c r o s t m c t u r eo ft r i a n g l em e l tp o o l , i ti sc o n c l u d e dt h a tt h e r ea r et w ow h i r l p o o l sa tt h e b o t t o mo ft h ep 0 0 1 i ti st h ek e yc h a r a c t e r i s t i co ft h et w o - r o l ls t r i pc a s t i n g t h e r e f o r e 。t h e r ea i es e v e r a l c h a r a c t e r i s t i c sf o rt h es t r i pa sf o l l o w s ，( 1 ) ac r i t i c a lp o i n ta p p e a r i n gd u r i n gg r o w t ho fs o l i d i f i e ds h e l l ，( 2 ) s a n d w i c hs t r u c t u r e ，a n d ( 3 ) a b n o r m a ls e g r e g a t i o nz o n e t h es l i g h tm e l tf l u c t u a t i o no ft w os i d e sa f f e c t s r e m a r k a b l yt h el o c a t i o no fk i s sp o i n t i ti n d u c e se a s i l yt h eu n - s y m m e t r i c a lg r o w t ho ft h es o l i d i f i e d s h e l l t h er e s u l t so fc s l ms h o wt h a tt h edp h a s ea p p e a r sp r i o ra tt h etg r a i nb o u n d a r i e si na t e m p e r a t u r er a n g ef r o m1 3 0 0t o1 4 0 0u c a n dp r e c i p i t a t e sa tf u l lb l a s tw i t m nt h evg a i n sa ta b o v e1 4 1 0 o c w i t ht h ei n c r e m e n to fh e a t i n gr a t e ，t h es i z eo fdg a i nd e c r e a s e s ，蜘折p l a n e ri n t e r f a c eb e c a m e u n s t a b l e , a n dac e r t a i ns e c o n d a r yb r a n c ha p p e a r s m o s to fdp h a s eg r o w si nt h en o n - f a c e t e ds t y l e , a n d t h eo t h e r si nt h ef a c e t e ds t y l ea tf i r s t t h ee d g e so fs o m ef a c e t e ddp h a s ea g ep a s s i v a t e dt on o n - f a c e t e d s t y l ed u r i n gp h a s et r a n s f o r m a t i o n 。da b s o r b ss t r o n g l yt h ei n c l u s i o n sm o v i n gn e a rt h ed - li n t e r f a c e m o s t o fi n c l u s i o n sa g g l o m e r a t ea n dg r a n u l a t ec l o s o - b yt h ed - li n t e r f a c e a d s o r p t i o no fdp r o v i d e sap o t e n t i a l m e t h o dt or e m o v ei n c l u s i o n s t h ea p p e a r a n c eo ft h ed - p h a s ei sa l w a y so b s e r v e dl i k ec e i l so ot h es a m p l es u r f a c ew h e nc r i t i c a l s u p e r c o o l i n g , a tw h i c ht h el _ dt r a n s f o r m a t i o ns t a r t sd u r i n gs o l i d i f i c a t i o no fa i s d 0 4s t a i n l e s ss t e e l t h es o l i d - l i q u i d ( s - l ) i n t e r f a c ei sf o u n dt ob ef i n g e r - l i k eb u th a sn o ta n yf a c e t e ds h a p e 7p h a s ea p p e a r s a m o n gdg r a i n sd u et op a r t i t i o n i n go fn ii n t ot h em e l td u r i n gs o l i d i f i c a t i o na th i g h e rs o l i d i f i c a t i o nr a t e t h em e r g e n c eo fo b s e r v e ddc e l l si sp o s s i b l ef o rt h es t e e ls a m p l ec o o l e da t7 5o c r a i n t h ef o r m a t i o no f d e n d r i t e si sp o s s i b l et ob eo b s e r v e do nt h ef r e es t e e ls u r f a c eo ft h es t e e ls a m p l ec o o l e da t1 5 0o c m i n t h es i z eo fs o f i d i f i e dd e l t ag r a i n sd e c r e a s e sf r o m1 2 0 mt o2 0 - 8 0 o n ，a n dt h ev o l u m ef r a c t i o no f s o l i d i f i e da u s t e n i t ei n c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gs o l i d i f i c a t i o nr a t ef r o m7 5 。c r a i nt o1 5 0o c m i n t h etp h a s ea p p e a r sp r i o ra tt h edg r a i nb o u n d a r i e s t h ec o o l i n gr a t ea f f e c t st h eg r o w t h m o r p h o l o g yo fyp h a s ew h i c hi n c l u d e sb l o c k - l i k e ，r o u n d ，a n dd e n d r i t i c t h ei n d e p e n d e n ttd e n d r i t e b e c o n l e s “慨，a n dm a ya l s oa g g r e g a t ew i t hs u r r o u n d i n g 7d e n d r i t e s t h ea g g r e g a t ed e g r e ef u rt h ey d e n d r i t ea tt h edg r a i nb o u n d a r yi so b v i o u sh i g h e rt h a nt h a tw i t h i nt h eg r a i na tt h es a m ec o o l i n gr a t e 卫”s e c o n d a r yd e n d r i t e sb e c o m ec o a i 辩，a n dg r o wc o m p e t i t i v e l yd u r i n gc o o l i n g ， o b s e r v a t i o no ft h es o l i dp h a s et r a n s f o r m a t i o nf o ral o ws i l i c o ns t e e li n d i c a t e st h a tt h es t a r t i n g t e m p e r a t u r eo fa 一丫a n dt dp h a t r a n s f o r m a t i o ni n c r e a s e sw i t ht e m p e r a t u r er i s i n gr a t e i ti ss i m i l a r t ot h ed ta n d 丫一ap h a s et r a n s f o r m a t i o nd u r i n gc o o l i n g y ap h a s et r a n s f o r m a t i o nt e m p e r a t u r e z o n ed e c f e a a e sw i t ht h ei n c r e m e n to fm a x i m u mt e m p e r a t u r e t h es t a i ni n d u c e dt w i n si st h ee s s e n t i a ld o m i n oe f f e c to ft w i ps t e e l t h er e s u l t sb yu s i n gc s l m s h o wt h a tt h ec r i t i c a ls t a i ni sa b o u t4 0 。n o ts e n s i t i v et ot h es t a i nr a t e ， i 、v l n sb e g i ni nt h eg r a i n b o u n d a r y , d e v e l o pt h r o u g ht h e 舒咖a n da r cb l o c k e db yt h eg r a i nb o u n d a r yo rt w i n sb o u n d a r ya ts o m e t i m e s a c c o r d i n gt ot h eg r o w t hp r o c e s s ，眵i nc a nb ed i v i d e di n t ot h r e ep a t t e r n sa sf o l l o w s ，l a y e r - , l e n s - , a n de a r - l i k e t h ed i f f e r e n tm o r p h o l o g ym a yr e s u l tf r o mt h eo r i e n t a t i o no ft h em u l t i - c r y s t a lf o rt w i p 宝钢股份研究院上海交通大学博士后出站报告 s t e e la n dt h ea d j u s t m e n tr a n g ea l o n gt h es p e c i a lc r y s t a l l o g r a p h i co r i e n t a t i o no ft w i nd u r i n gd e f o r m a t i o n t w i n sc a nt r a v e r s ew i t he a c ho t h e r p r i m a r yt w i ni sf o r m e da tf i r s t , a n dt h e nt h es e c o n d a r yt w i ni s a c t i v a t e da n dg r o w si n t ot h ef o r m e ra tl o w e rs t a i n r a t e h o w e v e r , b o t hs y s t e m ss h a l lg r o w s i m u l t a n e o u s l y a th i g h e rs t a i nr a t e c r a c kc a l ld e v e l o pt h r o u g ht w i l l sw h e nt h es t e e li sf a i l u r e k e yw o r d s ：s t r i pc a s t i n g , i n t e r f a c eh e a tt r a n s f e r , c o n f o c a ll a rs c a n n i n gm i c r o s c o p y , a i s d o s t a i n l e s ss t e e l ，l o ws i l i c o ns t e e l ，咖s t c e l , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，l n - s i t uo b s e r v a t i o n v 1 1 选题意义 第一章绪论 钢铁由于其高强度、通用性和耐用性仍是当今世界最主要的结构与功能材料，作 为生产和生活资料被广泛应用。根据国际协会对全球6 3 个主要产钢的统计，2 0 0 0 年 全球粗钢总产量达到了8 4 3 1 0 9 吨i l j 。钢铁工业今后仍将保持基础工业地位，精简工 艺、稳定性能、降低成本、节能是适应经济全球化和钢铁企业发展的主要动力。 薄带连铸技术，即将钢水直接浇铸成2 6m m 的成品薄带，是钢铁界1 5 0 多年 来梦寐以求的目标1 2 j 。它作为冶金与材料领域的一项前沿技术，改变了传统薄型钢材 的生产理念与过程，明显减小设备投资、简化工序、降低能耗，给冶金业带来革命性 的飞跃。该技术最初在1 8 5 6 年由英国b e s s e m e r 等创造性地提出，但由于过程极难控 制，因此产品质量很差。2 0 世纪初，h a z e l e t t 等设计了一系列金属薄带连铸机，在有 色金属薄带连铸中取得突破性进展，但却不能适用于钢铁的薄带连铸，主要存在以下 问题：钢带厚度不均匀、铸辊严重磨损、控制困难、生产效率低等。一直到上世纪 7 0 年代，钢铁薄带连铸基本上处于停滞状态。 进入上世纪8 0 年代后，能源危机的加剧迫使世界各国普遍重视材料的近终形制 造技术，以提高生产效率、节约资源。同时，快速凝固技术与计算机快速发展，为钢 铁的薄带连铸奠定了技术基础。因此，国际上掀起了薄带连铸研究的高潮，一些国家 的官方或半官方机构以及大型钢铁企业都投入巨资参与了这项技术的研发，相继建立 了多条试验与中试生产线，详见表i - 1 所示。8 0 年代中期，欧洲率先通过了该项技术 的可行性论证，工艺与控制参数逐渐优化，组装了一些小型钢铁薄带连铸试验机，并 投入试验和生产。自上世纪9 0 年代以来，薄带连铸取得了实质性突破，其标志为2 0 0 1 年美国b i u c o r 投产的c a s t r i p 试验生产线1 3 1 。钢带宽度达到2 0 0 0m m ，研制成功了关 键设备，逐渐解决了工艺与控制方面的许多核心问题，薄带连铸技术开始进入产业化 应用前期。 第一章绪论 表1 - 1 研发中的中试，试验室规模双辊铸机 t a b l e1 - 1p i l o t - p l a n f f l a b o r a t o r y - s c a l et w i n - r o l lc a s t e r su s e dj p r o c e s sd e v e l o p m e n t c c 岫s v i l “p p o 蛐蛐删曲帆 i 锨瑚 2 1 5协2 0 i t a l y a n d1 5 0 0 x 4 0 0 a s t , i t a l y n i p p o n m i t s u b i a h i j a p a n h i t a c h iz o f * n ，p a c i f i cm e t a l s , j a p a n w a s e d au n i v e r s i t y , j a p a n s u m i l o m o ，j a p a n k o b es t e e l , j a p a n n i p p o n , j a p = u n k i lj a p a n n i p p o n ，j a p a n k r u p p 。 g e r m a n y n y s ，g e r m a n y z f w , g e r m a n y m p i ，g e r m a n y k r e f e l d , g e t m a n y u v s t e e l u s b e t h l e h e ms t e e l , u s r i i s t , k o r e a p o s c o k o r e a d a v yu k v o e s t - a l p i n e , a u s t r i a b l i p a u s t r a l i a l i nj a p a n i r s i d ，f r a n c e 1 r s i d c l e c i m ，f r a n c e i r s l d ，f r a n c e 1 1 i y 蹴n g e r m a n y t e e s s i d e , u j e s t e e l o r c u1 5 0 0 x 7 5 0 - 8 0 0硝 v e r t i c a l d o w n ( ：la n d n i l 2 0 0 1 3 3 02 - 5 7 6 0 1 3 3 0 c 幽ns t e e l v e a i c a ld o w n v e r t i c a li n e l i a e v e r t i c a l v e r t i c a ld o w n v e r t i c a ld o w n v e r t i c a ld o w n h o r i z o n t a l u n e q u a lr o l l s , g a sc u s h i o n e d i n n e r - t w i nr o l l v e r t i c a ld o w n v e r t i c a lc l o w n v e n i c a ld o w n 1 2 2 o f 3 5 0 c aa h o y , 2 0 0 x 4 0 0 1 4 x 7 2 0 c oa l l o y , 4 0 0 3 0 0 c ua l l o y , ，6 0 0 8 0 0 c ua l l o y , ，4 0 0 ( 1 0 0 s t e e l ( 2 0 0 - 6 0 0u p p e rm u ) ， ( 9 5 0 - 1 0 2 0d i a 1 0 w e rm u ) , , ( 3 0 0 - l o o ow i d e ) 1 5 0 0 d i a 2 - 5t h i c k 0 2 o 5 1 5 - 3 1 - 2 3 0 0 1 。2 5 x 8 5 2 0t h i c k u p t 0 1 0 0 2 0 - 7 5 1 5 5 0 6 0 - 2 4 0 1 0 5 0 4 0 - l 卯 1 巧 1 5 x 3 0 0 - 1 0 0 05 6 0 0 3 3 1 5 0 l x l 1 - 2 1 1 8 - 4 5 x 1 4 3 0 e r ao r s t e c l 1 - l o x l 2 i n n e r r o l l , 3 0 5 3 0 5 ) 0 0 5 s t l , 2 0 0 x 2 5 0 7 5 0 3 5 0 甜0 x 2 5 0 8 0 0 x 1 9 0 0 1 3 0 6 郁b 晓0 o 5 2t h i c k 1 - 3t h i c k 弹1 8 0 4 0 - 9 0 2 4 - 9 0 u p t o 加 2 6 x 3 5 0 1 3 0 03 0 - 5 0 0 5 8 x 2 5 0 u pt o9 0 2 1 3 4 5 ( i n1 9 9 8 ) 8 0 1 5 0 1 4 ( s i n c e1 9 9 9 ) 2 5 x 2 0 01 0 - 8 0 1 j - 5 啪 1 6t h i c k2 0 - 1 0 0 i m 砌c a n a d av t r t i e a ld o w nc ho f 4 3 4 0s t e e l 。6 0 0 x 1 0 0 0 5 - 2 x 1 0 09 3 0 2 宝钢股份研究院上海交通大学博士后出站报告 双辊薄带连铸【4 堤将金属液注入一对反向旋转的水冷铸辊之间，钢液在两辊间凝 固，并将轧制串为一体的过程。双辊铸机有同径( 铸辊) 和异径两种，按照铸辊布置 方式又可分为水平式、垂直式和倾斜式。目前，对于双辊薄带连铸设备、工艺、薄带 组织与性能、数学模型都已进行了较为系统的研究，薄带的综合机械性能可以达到传 统工艺生产的产品水平；同时，相关数学模型也愈来愈贴近于实际工况，具有一定程 度的指导意义。 宝钢薄带连铸产业化项目于2 0 0 1 年经宝铜集团公司技术创新委员会批准立项， 属宝钢集团直管“十五”重大科研攻关项目( n o b g 0 1 0 1 0 1 ) 。2 0 0 2 年6 月薄带连铸 中试平台动工建设，经冷调、热试，目前已经可以整炉连续浇铸宽度1 1 0 0m m 、厚度 2 0 3m i l l 的不锈钢、碳钢、高p c u 钢薄带，但其表面质量与传统“板坯连铸热轧” 工艺获得的薄带相比仍存在一定差距。表面质量与薄带连铸钢液一铸辊的界面热流特 征及材料的相变过程相关，该领域尚待深入分析： ( 1 ) 薄带连铸钢液铸辊的界面热流规律。对于宝钢薄带连铸中试线，直接在机组 上迸行试验成本高，工艺参数很难独立控制，需要设计可模拟薄带连铸钢液 铸辊传热的试验装置，尝试模拟与薄带连铸钢液凝固初期相类似的环境，以 此研究钢液一铜辊之间的界面热流规律。 ( 2 ) 薄带连铸钢的相变与形交行为。针对特定钢种的相变特性与本征性能，利用 共焦激光扫描显微镜( c o n f o c a ls c a n n i n gl a s e rm i c r o s c o p e ，c s l m ) 原位研究 a i s l 3 0 4 不锈钢加热与冷却过程中相交行为、高温铁素体( d ) 、奥氏体( y ) 的生长及其相互转变、夹杂运动、硅钢固态相变、t w w 钢应变诱导孪晶等。 以往受测试手段所限，对相变与形变行为一直缺少直观认识。c s l m 的研制为原 3 第一章绪论 位研究材料相变与形变时的组织演化开辟了新途径。最近，n 等嘲利用c s l m 探讨 了低碳钢中t d 相界稳定性，发现d 吖相变过程中非连续的- r ，d 相界容易失稳； s c h m i d t 6 1 以p h e l a n 等【7 朋利用原位观察了低碳钢中d 吖相变过程，揭示了d 相的 自修复亚结构。为此，本文针对上述问题，采用宝钢c s l m 原位研究了薄带连铸钢 的相变与形变过程。 1 2 双辊薄带一铸辊界面热流特征的研究进展 通过研究钢液铸辊的传热以及与此耦合的熔池中的钢液流动，从而揭示浇铸速 率、钢水温度( 过热度) 、辊速与凝固前沿对k i s s 点位置的影响规律，并最终实现薄 带连铸过程的精确控制，获得成型性与质量优良的钢带。目前，此领域研究集中于模 拟仿真的方法，而其关键在于对钢液铸辊界面热流密度的精确处理。本节从薄带铸 辊界面热流特征入手，综述了近年来对界面热流的测定方法与影响因素、以及与凝固 组织之问的关系。 1 , 2 1 薄带一铸辊界面的热流特征 双辊薄带连铸过程中，钢液与铸辊直接接触，并在极短的时间内( o 2 0 6s t 9 1 ) 发生快速凝固，故钢液铸辊初始界面换热密度远高于传统板材连铸，并且表现出对 浇铸速率、浇铸时间、辊速、辊材质等参数的敏感性。 l 工1 1t a v a r e s 等双辊薄带铸机 t a v a r e s 等【l o 1 1 l 利用实验室双辊薄带连铸机，系统分析了碳钢钢液铜辊界面热流 密度与接触时间的关系。装置示意图见图1 1 1 1 0 1 所示。3 对k 型热电偶插进铜辊内， 其位置由激光超声探测系统精确控制。 结果表明，薄带铜辊界面热流与接触时间的关系存在两种情况i “j ：( 1 ) 单峰。 在低浇铸速率与厚薄带情况下，当钢液与铜辊瞬态接触后，界面处热流急速增大，在 整个接触时间的1 4 至2 3 之问时达到最大值，随后减小，见图1 2 ( a ) 所示；( 2 ) 双峰。在高浇铸速率与薄带厚度较小时，在整个接触时间内，热流存在两个峰值，见 图1 2 ( b ) 所示。 t a v a r e s 等认为单峰的出现与铜辊凝固壳之间接触的紧密程度相关，而其紧密程 度取决于铜辊凝固壳存在的空气薄膜、铸辊的热膨胀、钢液静压力以及凝固收缩等 因素，如图1 - 2 ( a ) 所示。钢液通过分流器浇铸，在到达弯月面区域前大部分的过热 4 宝钢股份研究院上海交通大学博士后出站报告 将散失，因此钢液与铜辊接触时刻甚至之前凝固过程已经开始，形成极薄的凝固壳， 并与铜辊发生热流。铜辊表面微观上凹凸不平，部分结点与凝固壳直接接触，另外的 结点则由于空气薄膜而与凝固壳分离。接触部位发生热传导，而在分离部位，通过空 气薄膜的辐射是热量传输的主要形式。在铜辊一凝固壳界面之问，任何初始接触都是 不牢固的，因此初始热流密度很小。 p o s i t i o no f t h et h e r m o c o u p l ei n s i d et h et o l ls l e e v e ： 拼妇l 比t o i t 2 e x w r n a is | r f e 1 h 目t 黼棚p i 群( n u n i p a i ra a e t e r a a 0 4 5 3 0 m f r l t o 曲ts i 出i o t g f n a ti i6 p a i rb b e x t c m a l0 3 2 6 s m m 协她他赫咖a l1 2 7 p a i rc - ce x t e r n a l 0 3 m 1 0 0m i l lt ot t w 赫曲 i m c 删1 2 0 b - b ； j 硼 c - c o 日口 图1 1 钢液前辊界面热流密度测试装置示意图 f i g 1 1s c h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o no ft h ee x p e r i m e n t a ls e t u pi nt h ep i l o tc a s t e rf o rt e s t i n g t h em e l t r o l li n t e r f a c i a lh e a tf l o wf l u x 图1 - 2 钢液- 铸辊界面的热流变佬执理 f i g 1 2m e c h a n i s mt oe x p l a i nt h eh e a tf l u xv a r i a t i o na tt h em e l t - r o l li n t e r f a c e ( a ) l o wc a s t i n gs p e e da n dt h i c ks t r i p s ；( b ) m g hc a s t i n gs p e e da n dt h i ns t r i p s 第一章绪论 随着接触时间的延长，铜辊热膨胀，同时钢液对凝固壳的静压力增大，导致辊- 壳接触压力提高，空气膜厚度减小，热流密度随之增大。随着钢液中热量的进一步散 失，凝固壳加厚、强度增大，凝固收缩明显，从而减小辊壳物理接触，从而在n i p 点附近热流密度减小，并且辊带界面处温度梯度消失。 高速工况下的第一个峰值的出现与低速下峰值出现的机制相同，而第二个峰值取 决于两糊状枝晶区强烈的相互作用。当固相