低合金钢铸坯中NbC析出行为的二次冷却调控.pdf
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1、针对含铌低合金钢中大颗粒N b C晶界析出及先共析铁素体膜诱导连铸坯裂纹的问题,利用M a t l a b建立凝固传热模型和优化二冷各段目标设定温度,反算改进连铸二次冷却水量,有效提高了N b C析出温度区间内的铸坯边部冷却速率及矫直前铸坯温度,增强了铸坯窄边在矫直区前的热塑性.研究表明:Q 钢中N b C在Ae 上温度区间()基本完全析出,在原有连铸二次冷却制度下,N b C析出区间的铸坯冷却速率低(/s),难以避免大颗粒N b C在奥氏体晶界析出,而且连铸坯矫直前窄边温度低于相变Ae 温度,导致奥氏体晶界先共析铁素体膜的形成,二者共同诱导铸坯窄边裂纹的形成;通过二次冷却段的目标温度及边部水
2、量的调整计算,实现了铸坯窄边冷却速率达到 /s,有助于N b C细小弥散析出,同时铸坯窄边矫直前温度高于Ae 温度,避免了先共析铁素体膜的形成,可显著提高含铌低合金钢的热塑性,对控制C S P工艺下含铌低合金钢边部缺陷提供了理论参考.关键词:含铌低合金钢;薄板坯连铸;窄边裂纹;二次冷却优化;N b C析出调控中图分类号:T F 文献标志码:A文章编号:()S e c o n d a r yc o o l i n gc o n t r o l o fN b Cp r e c i p i t a t i o nb e h a v i o r i n l o wa l l o ys t e e l
3、s l a b sK A N GH u i b i n g,Z H E N GW a n,Y EF e i K e yL a b o r a t o r y f o rF e r r o u sM e t a l l u r g ya n dR e s o u r c e sU t i l i z a t i o no fM i n i s t r yo fE d u c a t i o n,W u h a nU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,W u h a n ,C h i n a W u h a nI r
4、 o na n dS t e e lC o,L t d,B a o s h a nI r o n&S t e e lC o,L t d,W u h a n ,C h i n aA b s t r a c t:I nv i e wo f t h ep r o b l e mo f l a r g eg r a i nN b Cg r a i nb o u n d a r yp r e c i p i t a t i o na n dp r o e u t e c t o i df e r r i t e f i l mi n d u c e dc o n t i n u o u s c
5、a s t i n gs l a bc r a c k s i nN bc o n t a i n i n g l o wa l l o ys t e e l,t h es o l i d i f i c a t i o nh e a t t r a n s f e rm o d e lw a se s t a b l i s h e db yu s i n gM a t l a ba n dt h et a r g e tt e m p e r a t u r eo fe a c hs e c o n d a r yc o o l i n gs e c t i o n w a so p t
6、i m i z e d T h es e c o n d a r yc o o l i n g w a t e rv o l u m eo fc o n t i n u o u sc a s t i n g w a si m p r o v e db yb a c kc a l c u l a t i o n,w h i c he f f e c t i v e l yi n c r e a s e dt h ec o o l i n gr a t eo fs l a be d g e sw i t h i nt h eN b Cp r e c i p i t a t i o n t e m
7、p e r a t u r e r a n g e a n d t h e s l a b t e m p e r a t u r eb e f o r e s t r a i g h t e n i n g,a n d e n h a n c e d t h eh o t p l a s t i c i t yo fn a r r o we d g e so f t h es l a bb e f o r es t r a i g h t e n i n g T h er e s e a r c hs h o w s t h a t t h eN b Ci nQ s t e e li sb
8、a s i c a l l yc o m p l e t e l yp r e c i p i t a t e di nt h eu p p e rt e m p e r a t u r er a n g eo fAe()U n d e r t h eo r i g i n a l s e c o n d a r yc o o l i n gs y s t e mo f c o n t i n u o u sc a s t i n g,t h ec o o l i n gr a t eo f t h es l a bi nt h e N b Cp r e c i p i t a t i o n
9、r a n g ei sl o w(/s),w h i c h m a k e si td i f f i c u l tt oa v o i dt h ep r e c i p i t a t i o no f l a r g ep a r t i c l e so fN b Ca t t h ea u s t e n i t eg r a i nb o u n d a r y I na d d i t i o n,t h et e m p e r a t u r eo f t h en a r r o we d g eo f t h ec o n t i n u o u s c a s t
10、 i n gs l a bb e f o r es t r a i g h t e n i n g i s l o w e r t h a nt h et e m p e r a t u r eo f t h e t r a n s f o r m a t i o nAe,r e s u l t i n g i n t h e f o r m a t i o no f p r o e u t e c t o i d f e r r i t e f i l ma t t h e a u s t e n i t eg r a i nb o u n d a r y,b o t ho f t h e
11、mc a n i n d u c e t h e f o r m a t i o no f n a r r o we d g e c r a c k s T h r o u g h t h e a d j u s t m e n t a n dc a l c u l a t i o no ft h et a r g e tt e m p e r a t u r eo ft h es e c o n d a r yc o o l i n gs e c t i o na n dt h ee d g ew a t e rv o l u m e,t h en a r r o we d g ec o o
12、 l i n gr a t eo f t h es l a b i s a c h i e v e d t o /s,w h i c h i s c o n d u c i v e t o t h ef i n ed i s p e r s i o na n dp r e c i p i t a t i o no fN b C A t t h es a m e t i m e,t h e t e m p e r a t u r eb e f o r e t h en a r r o we d g es t r a i g h t e n i n go ft h es l a bi sh i g
13、 h e rt h a nAe t e m p e r a t u r e,w h i c ha v o i d st h ef o r m a t i o n o ft h ep r o e u t e c t o i d f e r r i t e f i l m,c a n s i g n i f i c a n t l y i m p r o v e t h e t h e r m o p l a s t i c i t yo f t h eN b c o n t a i n i n g l o wa l l o ys t e e l,a n dp r o v i d e sa t h
14、 e o r e t i c a l r e f e r e n c e f o rc o n t r o l l i n gt h ee d g ed e f e c t so f t h eN bc o n t a i n i n g l o wa l l o ys t e e l u n d e r t h eC S Pp r o c e s s 年月第 卷 第期炼钢S t e e l m a k i n gA u g V o l N o K e yw o r d s:n i o b i u mc o n t a i n i n gl o wa l l o ys t e e l;t h
15、i ns l a bc o n t i n u o u sc a s t i n g;n a r r o we d g ec r a c k s;o p t i m i z a t i o no f s e c o n d a r yc o o l i n g;N b Cp r e c i p i t a t i o nr e g u l a t i o n含铌低合金钢通过控轧控冷(TM C P)工艺、铌合金化提高再结晶温度的细晶强化作用以及铌析出物N b C、N b(C、N)的沉淀强化作用,获得强度高、韧性好的钢材,已广泛应用于强韧性要求高的钢结构材料.但在连铸二次冷却过程中,铸坯中就开始析
16、出N b C、N b(C、N)细小粒子,在随后的继续冷却过程中遵循O s t w a l d熟化机制聚集长大,易于在奥氏体晶界形成大颗粒N b C,明显降低含铌低合金钢的高温热塑性,特别是二维冷却的板坯边部更易发生温低现象进入两相区,在奥氏体晶界产生先共析铁素体膜,在铸坯弯曲、矫直等外力作用下,导致铸坯边部表面、皮下裂纹发生率高.薄板坯连铸连轧工艺(如C S P、F T S C等)是节能、高效的短流程工艺,无缺陷铸坯生产是整条产线效益发挥的基础,因为高温铸坯无法下线清理,其经过短暂加热后直接轧制,因此,含铌低合金钢薄板坯的边角部裂纹直接造成热轧板的边部缺陷,严重影响了成材率与效率,已成为含铌低
17、合金钢薄板坯质量控制难点的共性问题.目前控制含铌低合金钢的N b C、N b(C、N)析出的方法主要有精确控制钢中N b、N元素成分、复合添加T i元素实现微钛固氮、实施快速强冷技术、开发新型结晶器结构等.郑万等通过调控含铌钢中T i含量的方式,降低了N b(C N)的析出温度,避免了N b(C N)在矫直前析出,有效降低了含铌钢皮下裂纹发生率.日本住友金属公司K a t o等提出了S S C(S l a bS u r f a c eS t r u c t u r eC o n t r o l)连铸冷却工艺,通过实施强冷使铸坯快速冷却至 以下,然后利用铸坯凝固潜热使铸坯回温,有效地控制了钢中第
18、二相粒子的弥散细小析出.路殿华等设计并开发了具有组合式冷却水道的倒角结晶器窄面铜板,有效提高了铸坯角部温度的同时,还改善了铸坯弯曲、矫直过程中的受力状态.这些工艺技术措施均可有效降低含铌低合金钢的边、角部的裂纹缺陷发生率,但上述技术存在一定的局限性,通过降低N b(C、N)析出温度的方式增加冶炼成本、工艺控制难度大,通过超强冷控制含铌析出物的析出行为主要应用于低拉速的中厚板坯生产,由于C S P工艺下拉坯速度大,铸坯在二次冷却区停留时间短,连铸S S C冷却工艺与大倒角结晶器等控制技术已经不适用于薄板坯连铸.此外,这些措施对钢的成分、连铸冷却制度、拉速等工艺参数的控制精度要求较高,实际生产控制
19、难度较大,含铌低合金钢连铸坯边角部裂纹难以完全避免.连铸坯二次冷却速度是控制钢中碳氮化物析出行为的关键.马范军等研究了冷却速度对含铌微合金钢铸坯表层组织结构的影响,在低冷却速度下,大量含N b碳氮化物在晶界析出并呈链状排列,阻断了基体的连续性,增大了钢的裂纹敏感性;而在/s的冷却速度下,铸坯表层钢中含N b碳氮化物细小弥散地分布于奥氏体晶内,可有效降低含铌微合金钢的裂纹敏感性.王晓南等研究了冷却速率对铸坯中纳米级(N b,T i)C析出物尺寸分布的影响,当冷却速率为/s时,仅有 的析出物平均直径在 n m以下;当冷却速率提高至/s时,以上析出物平均直径在 n m以下.D o u和H u等 研究
20、了冷速对钢中微合金碳氮化物析出行为的影响,均指出当冷却速度大于等于/s时,有利于微合金碳氮化物在钢基体内弥散化析出.因此,控制含铌低合金钢中N b C的析出温度区间的铸坯冷却速度,可望有效优化N b C的析出行为,降低含铌低合金钢裂纹发生率.本文根 据 某 钢 厂C S P工 艺 下 生 产 的 含 铌Q 热轧板的边部裂纹缺陷,计算了连铸二次冷却铸坯中N b C析出的温度区间,结合Q 的热物性参数(密度、比热、导热系数等)及C S P生产的工艺参数,建立和求解二次冷却段铸坯边部的凝固传热模型.根据N b C弥散析出、降低奥氏体界面先共析铁素体膜形成对铸坯二次冷却速度和铸坯温度要求,结合避免连铸
21、坯缺陷的二次冷却冶金准则,优化调整二冷各段出口的目标温度,采用M a t l a b反算确定优化的二次冷却“弱强弱”工艺,实现铸坯中N b C弥散析出及先共析铁素体形成的有效调控,对控制C S P工艺下含铌低合金钢边部缺陷提供了理论参考.Q 钢凝固过程相变及N b C析出行为热力学分析 相变行为热力学计算表为Q 钢的主要化学成分.将Q 主要元素成分带入热力学计算软件J m a t p r o的P h a s e sa n dp r o p e r t i e s模块中,计算可得钢的液相第期康惠柄,等:低合金钢铸坯中N b C析出行为的二次冷却调控线(TL)、固相线(Ts)及Ae 温度分别为:、
22、.表Q 钢的主要化学成分(wB)T a b l eM a i nc h e m i c a l c o m p o s i t i o n so fQ s t e e lCS i M nPSA lN bNC r N b C析出行为的热力学分析根据析出物析出行为的热力学条件,基于第二相在钢铁基体中的平衡溶度积与实际浓度积比较,可以评估凝固过程中第二相的析出行为.当溶质N b和C的实际浓度乘积大于平衡溶度积时,N b C将沉淀析出,N b C析出的标准吉布斯自由能及平衡固溶度积公式采用式()计算.N bCN b C(s)G T()当N b C在凝固过程中析出时,系统实际吉布斯自由能G可由式()式(
23、)计算GGR Tl nQN b C()GGR TaN b CaN baC()GGR Tl nfN bw(N b)fCw(C)()式中:aN b C为N b C的活度,生成物N b C是纯物质,其活度为;fN b为钢液中N b的活度系数;fC为钢液中C的活度系数;w(N b)为钢液中N b的质量分数,;w(C)为钢液中C的质量分数,;R为气体常数,取 J/(m o lK);QN b C为N b C析出的实际溶度积,钢液中N b、C活度系数可由式()计算.l gfiejiwj()式中:eji为 溶 质 元 素i和j的 相 互 作 用 系 数;w(j)为元素j在 时的质量分数.表总结了在 时钢液中各
24、元素的相互作用系数,由 表、表及 式()计 算 可 得:fN b ,fC .根据式()、式(),计算N b C析出反应的实际吉布斯自由能,当其G小于或者等于零时,N b C将析出.表 铁液中溶解元素的相互作用系数eijT a b l e I n t e r a c t i o nc o e f f i c i e n to f d i s s o l v e de l e m e n t s i nm o l t e n i r o n eijCS iM nPSA lN bNC reiN b eiC 联立式()式()可得N b C在钢液中平衡析出的溶度积与温度(K)的关系式如下:l n(N b
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