双辊铸轧不锈钢薄带表面与内部裂纹的生成机制

1、双辊铸轧不锈钢薄带表面与内部裂纹的生成机制、演变规律及预防措施燕山大学 关小霞 田建军 杨健指导教师：杨庆祥教授摘要：采用金相和扫描电镜对实际铸轧304不锈钢显微组织和裂纹形貌进行观察，确定裂纹源、裂纹扩展路径以及开裂温度，并采用数值模拟结合物理模拟的方法研究双辊铸轧不锈钢薄带表面与内部裂纹的生成机理、演变规律以及预防措施。关键词：304不锈钢；双辊铸轧薄带；裂纹分析1、研究背景双辊铸轧不锈钢薄带技术是目前冶金及材料领域的前沿技术之一1，是直接用钢水制成2-5mm厚薄带的工艺过程，如图1。该技术可以大大简化薄带钢的生产流程，降低生产成本，并形成低偏析、超细化的凝固组织，从而使带材具有良好的性能

2、，被公认为钢铁工业的革命性技术。为此，宝钢在“十五”期间把双辊铸轧不锈钢薄带作为重大产业化项目进行研究。但是，不锈钢经铸轧后，薄带表面会形成宏观的裂纹，从而降低不锈钢薄带的力学性能，影响其质量。凝固点S出口铸辊冷却水 入口薄带bSb液相图1 双辊铸轧不锈钢薄带工艺系统的示意图2、方案论证国内外在双辊铸轧不锈钢薄带技术上已经开展了一些研究工作。文献2对铸轧304不锈钢薄带过程中高温铁素体的溶解动力学进行了研究；文献3对不锈钢薄带铸轧过程中凝固热参数和组织进行了研究；文献4对304不锈钢在加热过程中的高温铁素体形核与长大和夹杂物在固液界面的聚集进行了原位观察；文献5对薄带铸轧溶池液面进行了物理模拟

3、。但是，缺少对铸轧不锈钢薄带表面与内部裂纹的生成机理、演变规律以及预防措施方面的研究。在铸轧过程中，液态金属与轧辊之间的热交换、金属的结晶及固体金属的轧制变形都在短时间内完成，这些过程的研究很难实时进行。因此本课题组采用数值模拟并结合物理模拟的方法研究双辊铸轧不锈钢薄带表面与内部裂纹的生成机理、演变规律以及预防措施。3、研究方法通过在实际铸轧的304不锈钢薄带上取样观察分析，用数值模拟的方法研究铸轧过程几何及工艺参量对开裂行为的影响并进行验证，提出解决方案。具体内容如下：1、在实际铸轧的304不锈钢薄带上取样，采用金相和扫描电镜观察显微组织和裂纹形貌，确定裂纹源、裂纹扩展路径以及开裂温度(高温

4、或低温)，对薄带开裂部位进行细致的金属学分析。2、测定304不锈钢及相关材料的热学及力学参量；进行试验验证，确定其正确性；研究铸轧过程几何及工艺参量对开裂行为的影响。3、建立有限元模型，对铸轧工艺过程中温度场、结晶过程、应力应变场进行数值模拟、理论分析，并不锈钢试样（置于石英管中）加热到熔化温度后，冷却到不同变形温度加载变形，测量其在高温下的形变行为和抗裂特性(塑性极限)，特别是其塑性极限随温度的变化规律。4、阶段研究结果4.1铸坯裂纹形貌的金相观察将薄带切开后，内部裂纹扩展形貌如图1所示。从图中可以看出，近表面处存在着粗大的裂纹，而且裂纹沿着柱状晶晶界向内部扩展，如图1(a)所示。同时在柱状

5、晶晶间，近心部位置存在着大量的缩孔及微裂纹，见图1(b)。(a)30m(b)30m图1 铸坯内部裂纹形貌 (a)近表面裂纹 (b)近心部裂纹4.2 铸坯裂纹及断口形貌观察和夹杂物分析图2为铸坯断口夹杂物形貌，铸坯具有细小的铸态组织，析出相非常细小(2m)并呈球形并形成弥散分布(图2(a)。但是，铸坯中同时也存在尺寸较大的夹杂(10m)，而且这些夹杂不再是球形，而是不规则形状(图2(b)。这些尺寸较大的夹杂物作为独立相存在于钢中，破坏了基体的连续性，成为304不锈钢铸轧开裂的原因之一。铸坯夹杂物的能谱分析结果表明，铸坯中的夹杂物主要为硫化物、氧化物和硅酸盐等。项目创新点双辊铸轧薄带技术难于实现产

6、业化，其重要原因之一是保证铸轧过程稳定的工艺参数 (钢水温度，铸轧熔池尺寸，钢水液面、铸辊直径、间距、转速，冷却水流量等) 很多，需要对其进行综合研究，以实现优化控制；但若通过试验的方法来寻找工艺参数及其间的关系会浪费很大的人力、物力和财力，且很难达到优化。本项目拟采用数值模拟技术，研究薄带在铸轧过程中的流动、传热、结晶以及变形行为。10m(a)10m(b)图2 铸坯断口夹杂物形貌(SEM) (a)球状夹杂物 (b)不规则形状夹杂物1、建立有限元模型，对铸轧工艺过程中温度场、应力应变场进行数值模拟并试验验证，研究铸轧过程各工艺参量的影响，确定造成开裂的“原动力”和材料开裂抗力的本质及其表征参量

7、，并建立开裂的临界条件；为防止不锈钢薄带在铸轧过程中开裂提供理论基础。2、通过物理模拟304不锈钢在高温下的形变行为，分析其塑性极限随温度的变化规律，并根据开裂的临界条件和数值模拟结果，对不锈钢薄带铸轧开裂进行预报，提出工艺优化的方案。参考文献：1. A. Hunter, M. Ferry. Comparative study of texture development in strip-cast ferritic and austenitic stainless steels. Scripta Materialia 2002, 47: 3493552. S.H. Kim, H.K. Moo

8、n, T. Kang, C.S. Lee. Dissolution kinetics of delta ferrite in AISI 304 stainless steel produced by strip casting process. Materials Science and Engineering A, 2003, 356: 390-/3983. A. Hunter, M. Ferry. Phase formation during solidification of AISI 304 austenitic stainless steel. Scripta Materialia, 2002, 46: 2532584. 樊俊飞, 赵顺利, 张捷宇, 张瑞, 王波, 贺