高强微合金钢连铸板坯角部横裂纹形成机理及控制技术研究

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连铸板坯角部横裂纹是影响高强微合金钢连铸坯质量及其连铸生产顺行的主要因素之一,本文以梅钢生产的高强微合金钢为研究对象,分析探讨了连铸坯角部横裂纹成因及其控制技术方向,研究了不同冷却工艺条件下试验钢种的高温热塑性能,并利用数值模拟技术研究揭示了不同连铸工艺条件下结晶器和二冷区内的坯壳凝固热/力学行为;在此基础上,进行了新型曲面结晶器锥度优化、铸坯二冷高温区晶粒细化控冷技术等研究,并进行了现场工业试验与应用。主要的研究内容和获得的研究成果如下:(1)首先运用透射电镜、光学显微镜等对梅钢生产的高强微合金钢连铸坯角部试样的析出物和组织进行了观察分析,结果表明:在奥氏体晶界大量析出的呈链状形式分布的钛高、铌低型碳氮化物和在晶界生成膜状先共析铁素体膜为诱发角部横裂纹的主要因素,该析出物主要尺寸在几十纳米到上百纳米之间。(2)通过对不同冷却强度条件下试验钢种的高温热塑性能表现行为的差异性研究分析,发现:温度低于1150℃时,提高冷却速度超过5℃/s可实现微合金元素的碳氮化物在晶界及晶内细小弥散化分布,并能消除传统连铸条件下铸坯奥氏体晶界的先共析铁素体网膜,有利于整体提高钢的抗裂纹能力。(3)以梅钢3号板坯连铸机(断面尺寸1650mm×230mm)为对象,建立了保护渣与气隙动态分布的坯壳-结晶器系统热/力耦合有限元模型,通过研究保护渣膜与气隙的分布特点、坯壳温度分布与演变规律、应力分布等,分析了坯壳在结晶器内凝固过程的热/力学行为变化规律,结果表明:在梅钢板坯连铸机生产高强微合金钢过程中,气隙生成于结晶器中下部,且主要集中于距坯壳宽/窄面角部的0~20mm范围内;窄面角部区域的保护渣平均厚度较宽面角部厚,保护渣厚度沿宽面中心和窄面中心呈先增大后减小趋势,整体集中于距离铸坯角部0~40mm范围;结晶器内坯壳表面温度在结晶器上部温降较平滑,该高度范围内坯壳角部温度下降速度最快,坯壳角部在结晶器中下部传热缓慢,不利于含Nb、Ti等微合金碳氮化物弥散化析出控制。(4)为了更加准确模拟连铸过程铸坯的温度场及应力分布,以梅钢板坯连铸二冷为主要研究对象,采用Marc有限元分析软件,建立梅钢板坯连铸凝固过程三维温度场及应力变形数学模拟模型,研究了不同拉速下连铸过程中板坯温度、坯壳厚度、热收缩及热应力变化规律,研究结果表明:在矫直区附近,连铸坯的角部温度均处于高强微合金钢第三脆性温度区;整个连铸过程中,铸坯的热收缩不断增加,且增加速率呈现“增加-减缓-增加”的趋势;铸坯的等效热应力呈现出两个阶段规律,即在第一阶段,铸坯的等效热应力呈现出波动性缓慢增大趋势,而当相应位置温度降低到900℃以下时,铸坯的等效热应力则进入了快速增大的第二阶段。(5)在以上研究基础上,开发形成了能有效抑制铸坯角部组织晶界碳氮化物析出的新型内凸型曲面锥度结晶器技术和能细化组织晶粒度的二冷双相变控冷技术,并进行了工业试验应用研究,结果表明:该集成技术可显著控制连铸坯角部横裂纹的发生,轧材边部翘皮缺陷率由1.31%降至0.018%。
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