（钢铁冶金专业论文）钢液凝固过程中微观偏析和钛氧物夹杂生成的耦合研究.pdf

上海大学l 口i - i ：学位论文 摘要 钢的性能受钢中非金属夹杂物强烈影响，而钢中非金属夹杂物却无法 完全去除。本课题研究钢液凝固过程中夹杂物的生成机理，就是使人们能 对钢中非金属夹杂物有效控制，变害为利。 在本研究工作中，根据钢液凝固时元素在固液界面的偏析，并结合溶 质元素在固、液相中的有限扩散，建立了钢液凝固过程中微观偏析和钛氧 夹杂生成的祸合模型。模型计算表明：由于钛氧夹杂的生成，凝固过程中 溶质元素的微观偏析程度得到较大抑制；控制适当的氧含量，有利于夹杂 物均匀分布；随着冷却速率的增加，夹杂物数量增加，尺寸变小。当控制 在目前薄板坯条件下，夹杂长大半径仅达o 5 8 # m ，夹杂物数量，尺寸可弥 散分布于钢中，有利于性能的改善。 通过单向凝固实验，应用金相分析和s e m 分析，初步探索了在不同拉 速下凝固过程中夹杂物生成的变化情况。实验结果表明：相同初始成分下 冷却速率对夹杂物的生成含量影响不大，但对夹杂物生成的数量影响很大； 在9 6 # m s 的拉速下，实验得到的凝固过程中生成的钛氧化物直径为1 , t m 左 右且分布较均匀，说明在一定条件下可以对凝固过程中夹杂物有效控制。 实验结果与本模型计算的情况基本相符。 耦合模型的建立，较之先前的单一模型有所完善，有实际与理论意义。 它为钢铁生产中对凝固过程中夹杂物生成的有效控制提供了有力的支持。 关键词：凝固，1 5 o 夹杂生成，微观偏析，液相扩散，冷却速率 v | 二海大学硕士学位论文 a b s t r a c t s t e e l p r o p e r t i e s a r e s t r o n g l y e f f e c t e d b yn o n m e t a l l i ci n c l u s i o n s ，a n d n o n - m e t a l l i ci n c l u s i o n sc a n n o tb ee n t i r e l yr e m o v e df r o ms t e e l t h et o p i co ft h i s s t u d yi st h ep r e c i p i t a t i o nm e c h a n i s mo fi n c l u s i o n sd u r i n gs o l i d i f i c a t i o n ，s ot h e n o n m e t a l l i ci n c l u s i o n si n s t e e lc a nb ee f f e c t i v e l yc o n t r o l l e da n dc h a n g ei t s h a r m f u le f f e c tt ob e n e f i c i a le f f e c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ac o u p l e dm o d e io fm i c r o s e g r e g a t i o na n dt i oi n c l u s i o n p r e c i p i t a t i o nd u r i n gs o l i d i f i c a t i o no fl i q u i ds t e e lw a se s t a b l i s h e db a s e do nt h e s e g r e g a t i o no fs o l u t ee l e m e n t sa ts o l i d l i q u i di n t e r f a c ea n dt h ec o n s i d e r a t i o no f t h ef i n i t ed i f i l l s i o no fs o l u t ee l e m e n t si nb o t hl i q u i da n ds o l i dp h a s e s t h e c a l c u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h es e g r e g a t i o nd e g r e eo fs o l u t ee l e m e n t si s s u p p r e s s e dg r e a t l y d u et ot h e p r e c i p i t a t i o n o ft i oi n c l u s i o n s d u r i n g s o l i d i f i c a t i o n t h ei n c l u s i o n sw o u l db eu n i f o r m l yd i s p e r s e di n s t e e l b y c o n t r o l l i n ga p p r o p r i a t eo x y g e nc o n t e n ti nl i q u i dp h a s e t h ea m o u n to fo x i d e s w o u l di n c r e a s ea n dt h e i rs i z ew o u l dr e d u c ew i t ht h ei n c r e a s i n go fc o o l i n gr a t e t h er a d i u so ft h eo x i d e so n l yr e a c h e d0 5 8 p mu n d e rt h ec o n d i t i o no ft h i ns l a b c a s t i n ga tp r e s e n tt i m e t h e i ra m o u n ta n ds i z ew e r eu n i f o r m l yd i s t r i b u t e di n s t e e l i ti sb e n e f i c i a lt oi m p r o v es t e e lp r o p e r t i e s t h ep r e c i p i t a t i o no fi n c l u s i o n sd u r i n gs o l i d i f i c a t i o ni nd i f f e r e n tr a t e sh a sb e e n p r e l i m i n a r yi n v e s t i g a t e dw i t ho p t i c a lm i c r o s c o p ya n ds e ma n a l y s i sb ym e a n so f d i r e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o ne x p e r i m e n t s t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h e c o o l i n gr a t ed o e s n ta f f e c t e dt h ec o n t e n to fp r e c i p i t a t i o no fi n c l u s i o n sb u t a f f e c t e dt h ea m o u n to f p r e c i p i t a t i o no f i n c l u s i o n si nt h es a m ei n i t i a lc o m p o s i t i o n t h ed i a m e t e ro fp r e c i p i t a t e dt i 0i n e l u s i o n sd u r i n gs o l i d i f i c a t i o ni nt h e e x p e r i m e n tw a sa b o u t1 哪a n dt h e i ra m o u n ta n ds i z ea l eu n i f o r m l yd i s t r i b u t e d i ns t e e lw h e nc a s t i n gs p e e di sa t9 6 1 t m s t h i ss h o w st h a tt h ep r e c i p i t a t i o no f i n c l u s i o nd u r i n gs o l i d i f i c a t i o nc a nb ee f f e c t i v e l yc o n t r o l l e du n d e rc e r t a i n c o n d i t i o n t h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n ts h o wac o n s i s t e n tw i t ht h ec a l c u l a t e d r e s u l t s t h ec o u p l e dm o d e lw ee s t a b l i s h e di sm o r ep e r f e c tt h a nt h es i n g l em o d e l s p r e v i o u s l y i th a st h em e a n i n go ft h e o r ya n dp r a c t i c e i ti sh e l p f u lt oc o n t r o l e f f e c t i v e l yp r e c i p i t a t i o no fi n c l u s i o nd u r i n gs o l i d i f i c a t i o ni np r o d u c i n gi r o na n d s t e e l k e y w o r d s ：s o l i d i f i c a t i o n ，t i - o i n c l u s i o n p r e c i p i t a t i o n ，m i c r o s e g r e g a t i o n ， d i f f u s i o ni nl i q u i dp h a s e ，c o o l i n gr a t e 上海大学硕二b 学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：缘企垒日期：丝亟：丝! ! 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：边金公 导师签名： i i 诳魄巡一 上海大学硕士学位论文 第一章文献综述 钢中非金属夹杂物主要在脱氧、冷却和凝固过程中析出，其显著影响钢的性 能。而在凝固过程中形成的夹杂物是无法去除的，这样只有在一定条件下使非金 属夹杂物对钢施加积极的影响来改善钢的性能。“氧化物冶金”技术i ”i | 4 i 就是利 用细小氧化物作为晶内铁素体形核的非均质形核核心，以消除夹杂物有害影响， 细化铁素体晶粒，改善钢的性能。细小氧化物易在凝固过程中生成，因此研究在 凝固过程中夹杂的生成和作用机理显得尤为重要。 钢液凝固过程中夹杂物的析出涉及到两个方面：溶质元素的偏析和夹杂物的 析出。凝固过程中微观偏析和( 或) 夹杂物析出的许多试验和数学模型已报道 1 5 1 【”i ，【2 5 i 。在这些模型中，溶质元素的微观偏析和夹杂物析出都独立计算，这样 会高估微观偏析程度和夹杂物的数量。下面就这两方面的研究情况作一概述。 1 1 微观偏析模型介绍 偏析分为微观偏析和宏观偏析两类。微观偏析发生在几个晶粒的范围内或树 枝晶空间内，即成分的差异局限于几个微米的区域内，是一种短程现象。由于微 观偏析影响到钢的性能，因此研究微观偏析的模型也有很多，下面给予分类介绍。 1 1 1 平衡方程 平衡凝固时，固相成分c s 和液相成分c l 分别沿固相线和液相线移动，定义 k o = c s c l 为平衡分配系数，则可得出平衡凝固方程： q = k o c o 1 一o - k o ) l 。1 ( 1 1 ) 平衡凝固条件对于那些原子半径非常小的间隙原子( c ，n ，0 等) ，由于其固 相扩散系数较大，可以近似认为在通常的铸造条件下，平衡凝固对它们是适用的。 在现有钢铁生产中均为非平衡凝固条件，由于溶质扩散系数特别是固相扩散系数 很小，溶质来不及扩散，新成分的同相又结晶出来，这样该方程明显不能适用生 产情况。 上海大学硕士学位论文 1 1 2s c h e i l 方程0 5 i 在微观偏析研究方面，s c h e i l 方程亦称之为古典溶质分配模型，或称非平衡 杠杆准则。它的假设如下：1 ) 固体中无溶质扩散，液体中溶质完全均匀分布；2 ) 在固液两相区无液体的流动；3 ) 溶质元素服从平衡分配定律女= c s c l 其表达 式为： c s = k o c o ( 1 - f s ) ( 1 2 ) c l = c o ( 1 一 ) “ ( 1 3 ) 式中，为平衡分配系数，c o 为凝固开始前溶质元素的浓度，c s 、c l 分别 为凝固过程中固、液相里溶质元素的浓度， 为凝固过程中的凝固分数。 以上所述凝固适用于固相无扩散等轴晶的偏析情况，对于单晶及自生复合材 料的生产较符合。但是，对钢铁生产来说，晶体多以树枝晶形态出现，固、液相 中都会发生有限扩散，与该模型的假设明显不符。 1 1 3 固相中有限扩散、液相中完全扩散的溶质再分配模型 这方面的文献有许多报道，可以把其分为三类。b r o d y 和f l e m i n g s l 6 1 建立的 模型是第一种类型，它考虑了溶质元素在固相中的反扩散，导出了固一液界面上 固相溶质浓度c * s 与凝固分数正的关系。其方程为： c ：k o c “l 一( 1 _ 2 a k 。) r “卅2 哦 ( 1 4 ) 式中，仅为无量纲的溶质扩散因子，可表示为： 口= d s t i r ( 1 5 ) 当仅= 0 5 时，公式变为溶质分布表达式。但是a = 0 5 是不符合平衡凝固的物 理含义的。为此，w k u r z 等人对d 值进行了修正，即以公式( 1 6 ) 来代替： 口= a 1 一e x p ( 一占) 卜e x p ( 一击) ( 1 6 ) 不过，这种人为的数学表达是很难与实际情况相符合的。 在考虑固相反扩散的模型中，还有c l y n e k u r z 、o h n a k a 、u e s h i m a 和k o b a y a s h i 等人1 7 h 9 l ，1 2 5 i 提出的微观偏析模型。 第二种类型是考虑到枝晶的粗化，但忽略了固相的反扩散，如m o r t e n s e n 等 2 上海大学硕士学位论文 i l o l 提出的微观偏析模型。 第三种类型是反扩散和粗化二者的结合，有v o l l e r 和b e c k e r m a n n 、s h i n 等 人1 1 i i3 i 提出的微观偏析模型。图1 1 为v o l l e r 提出的枝晶臂粗化简图。 蕾一如呵 s c a l e - a r m s p a c i n g 图1 1 枝晶臂初化简图 f i 9 1 1 s c h e m a t i cr e p r c s e n t a t u o no f a r mc o a r s e n i n g v o l l e r 模型表达式如下： f s 万再f 巧- 1 了 式中，是反扩散参数( o 0 ，z = ( m + 1 ) 血，c ：+ i = c ：( 2 1 7 ) 式中，。为凝固界面溶质元素在液相中的含量( 质量分数，) ， 为固相体 积分数。c f + 1 为时间t 第m + l 格溶质元素的浓度( 质量分数，) 。 根据初始条件( 2 1 6 ) 和边界条件( 2 1 7 ) ，在液相中( i 2 时浚元素为t i ， t i 与 o 浓度l l 2 时则为o ) 的液相中每一格的浓度或当初始成分中 t i 与【0 】 浓度比= 2 时 t i 】和 o 在液相中每一格的浓度。 对含量较少的元素来说，凝固过程中在n 格的浓度有下列边界条件： ( c ：埘) 2 ( 口 o ) 3 矗露= 1 k k 0 3 ( 2 1 9 ) 根据边界条件( 2 1 7 ) ，( 2 ，1 9 ) 可以求出式( 2 1 4 ) 中的a 、6 ，则可由下式求出含量少 的元素在液相中每一格的浓度： q l = 器c