微合金钢连铸过程铸坯表层原始奥氏体晶粒细化研究

连铸坯表面横向开裂问题是微合金高强度钢铸坯最常见的质量缺陷。现有避开第III脆性温度区间的方法还不能有效地消除微合金钢铸坯表面横裂纹。大量研究表明这种横裂纹均是沿着粗大原始奥氏体晶界形成和扩展的，那为什么不以控制铸坯表层原始奥氏体晶粒尺寸为核心来解决铸坯表面横裂纹呢？为此，本项目提出采用共聚焦激光扫描显微镜和重熔凝固冷却实验装置，模拟连铸过程中铸坯表层的热循环过程，开展微合金钢铸坯表层原始奥氏体晶粒形成过程及双相变法对奥氏体晶粒细化的影响研究，得到实现双相变法控制参数对相变转变量和新形成奥氏体晶粒尺寸与微合金钢原始奥氏体晶粒细化的定量关系，以及微合金元素碳氮化物析出行为对奥氏体晶粒均匀细化的影响规律。建立起微合金钢连铸坯足辊和零段热循环工艺与铸坯表层奥氏体晶粒度及铸态室温铁素体晶粒尺寸的定量关系，为寻求通过细化铸坯表层原始奥氏体晶粒方法实现解决微合金高强度钢铸坯表面横向开裂问题打下基础。

微合金钢铸坯表面角部横向开裂一直是国内外钢厂急待解决的一大难题。从横裂纹的形成机理来看，粗大的原始奥氏体晶粒是导致裂纹沿晶界形成和扩展的重要因素。若能在连铸过程中实现奥氏体晶粒细化，则可盼减少角部横裂纹的发生。为此，项目采用高温共聚焦激光扫描显微镜模拟微合金钢在结晶器内的初始凝固以及铸坯表层在二冷段的热循环过程。对微合金钢连铸过程中奥氏体长大行为、双相变细化奥氏体晶粒机制和横裂纹敏感性表征等方面展开了深入地研究；在此基础上，进行了双相变细化奥氏体晶粒的工业试验。重要结果如下：①通过高温共聚焦激光扫描显微镜模拟微合金钢凝固冷却过程，对奥氏体长大行为进行了研究，建立了奥氏体开始长大温度与碳当量之间的量化关系，分析了微合金元素对奥氏体长大行为的影响并采用误差分析方法建立了表征钉扎作用的影响因子。在现有模型基础上，修正后模型对奥氏体晶粒尺寸的计算误差降低5%。②提出了原始奥氏体当量直径(DγP)的概念，建立了基于铸态组织表征裂纹敏感性的模型，并得到铸态组织参数与铸坯表面横裂纹敏感性关系判据。③通过模拟铸坯表层双相变热循环过程，深入研究了双相变工艺中冷却阶段与回热阶段对奥氏体晶粒的细化机制。在实验钢种热物性参数条件下，当冷却速度控制在5℃/s，冷却温度为640℃，回热温度为1100℃，回热速度为3℃/s时，可使粗大的原始奥氏体晶粒（晶粒尺寸1.2mm）细化至0.47mm；进一步优化双相变工艺中的冷却过程（以5℃/s的冷却速度冷却到800℃，再以1℃/s的冷却速度冷却到640℃），可使粗大的原始奥氏体晶粒细化至0.3mm左右，且粒度分布较为均匀。④采用攀钢板坯弧形连铸机进工业试验，对不同二冷条件下的铸坯表层组织演变进行了分析，探讨了铸坯表层组织随着表面深度的延伸存在三个组织演变区。通过工艺优化扩大双相变区，使铸坯在矫直时得到分布均匀、细小的奥氏体晶粒将是减轻表面横裂纹敏感性的关键。工业试验中，在控制冷却模式下，由于获得了较宽的双相变区（表面深度3.5-8mm），组织分布均匀、细小，铸坯角部横裂纹指数显著降低。基于以上研究，澄清了双相变工艺中奥氏体晶粒尺寸细化机制，得到了微合金钢铸坯表层组织与横裂纹敏感性的关系，为寻求通过细化铸坯表层奥氏体晶粒方法实现解决微合金高强度钢铸坯表面横向开裂问题打下了理论基础。