薄带连铸夹杂物形成及演化规律

Strip Casting is a near net continuous casting process. It can significantly reduce the cost of production.The solidification rate is up to 1000K/s. Inclusions(oxide, sulfide, nitride) formed in cast strip exists in nano- and micro-scale. The large amount of uniformly distributed fine inclusions, fine effective grain size of acicular ferrite and high angle grain boundaries make strip have excellent mechanical properties. Low carbon(<0.1%) Si/Mn killed steel was selected as the research material in this project. It was proposed for the first time that Si-O-M (M=Mn, Fe, Ti) clusters formed in the thin strip casting process and oxide precipitated by means of the gather of clusters. The research aims to develop a deeper understanding on nano-structural evolution of clusters and oxide inclusions. Three-dimensional Atom Probe Technique (APT) and Quantum chemistry ab initio calculation, Semi-empirical Calculation were used to trace the formation and structural evolution of clusters. The objective of this research is to clarify the effect of free oxygen content and Si/Mn/Ti content on the formation of crystal or amorphous oxide, to evaluate the influence of deformation energy on structure of nano-scale oxides, to explore the influence of composition, structure and surface morphology of oxide on sulfide and nitride precipitation. The project will lay the foundation for the improvement of mechanical properties of thin strip by use of nano-scale inclusions.

薄带连铸是近终形连铸工艺，能显著降低钢材的压力加工成本。薄带连铸的钢液冷却速率达1000K/s，使得铸态薄带中的夹杂物（氧化物，硫化物，氮化物）尺寸细小，数量巨大。细小均匀分布的夹杂物和以夹杂物为核心形成的取向高度分散、针状形态的晶内铁素体组织使得薄带具有了优异的力学性能。本项目选用低碳(<0.1%)、Si/Mn脱氧钢为研究对象，首次提出薄带凝固过程中优先形成含氧团簇Si-O-M（M=Mn、Fe、Ti），含氧团簇的聚集尺寸达到临界晶核导致氧化物夹杂的析出。采用三维原子探针技术（APT）以及量子化学从头计算、半经验方法理论计算结合，追踪含氧团簇的形成及结构演化过程，揭示薄带连铸过程中纳米氧化物形核机制；研究形变能诱发纳米氧化物结构转化方式；探索氧化物表面形貌、结构类型对硫化物、氮化物析出的影响机理。明确薄带生产过程中夹杂物演化进程，为利用纳米夹杂物强化薄带力学性能的专项技术奠定基

薄带连铸的钢液冷却速率快，快的冷速使得钢液中夹杂物在较大的动力学过冷条件下形核，其形核及长大过程远远偏离平衡状态。这种快速凝固条件下形成的夹杂物相，尤其是薄带凝固过程析出的氧化物相属于亚稳相。亚稳相结构介于液态和固态之间，其结构演变包括形核之前的氧化物团簇、团簇聚集体、临界核以及纳米尺寸氧化物夹杂。本项目分别采用试验模拟和计算模拟的方法构建了含氧团簇结构基本单元，研究了氧化物团簇的结构演变机制；利用快速凝固实验模拟手段配合检测分析研究了薄带连铸过程中纳米氧化物的形核特征及形核机制；利用热模拟实验配合测试分析研究了形变能对纳米氧化物结构转化的影响；完成了纳米氧化物“尺寸-成分-表面形貌-结构类型”对硫化物、氮化物析出行为的影响。研究结果显示，在钛氧团簇中，电子相互作用对其稳定性起主要贡献作用，'TiO'对的存在促进结构稳定，'TiO'对更倾向于吸附O原子，具有环状对称的结构Ti2O2是构成其他大尺寸团簇结构的最小单元结构。在薄带连铸高温熔体中，'TiO'键对首先形成，通过吸附周围的氧原子完成形核及晶化过程。薄带中Ti3O5和非晶SiO2粒子的结构相对稳定，形变能不影响二者结构；形变能会诱发四方、单斜及正交结构的TiO2演化为菱方MnTiO3、菱方Ti2O3以及单斜的Ti3O5，后者对超细显微组织的形成起到关键作用。百纳米级含Si的复合氧化物更利于硫化物的复合析出，随着氧化物尺寸增大，硫化物在氧化物表面由嵌入式转变为包裹式析出。通过本项目的研究，明确了快速凝固生产过程中亚稳氧化物的相转变与变形机制以及稳定相的形成机制，为利用纳米夹杂物强化薄带力学性能的专项技术奠定基础。