铸坯固液界面畸变条件下非均质形核与枝晶生长的机制研究

It is a hot research topic in field of continuous casting that decrease center segregation and center porosity by soft or heavy reduction technology. But the micro-mechanism of solidification under the pressure is indefinite, which restricted the development of soft or heavy reduction in continuous casting. In this project, bearing steel GCr15 was used as research object in which usually found center segregation defect. Several research methods were used in the project such as theory analysis of dendritic growth kinetic, mathematical modeling and hot reduction test based on microscopic analysis and mechanical properties test. On the one hand, the distortion mechanism of solid-liquid surface under pressure during solidification was explored, relevance of factors and distortion was parsed based on thermal physical experimental system of bloom reduction exploited and designed by applicant. On the other hand, distortion of solid-liquid surface was introduced to non-equilibrium solidification of bloom, nonhomogeneous nucleation and dendritic growth kinetic were researched under distortion, the effects of distortion on solute distribution of solidification structure of bloom was discussed. Finally, mechanism model of reduction and center segregation would be constructed, strong correlation factors of center segregation would be parsed for optimizing manufacturing process of continuous casting. Research results of the project will provide scientific basis and technical guidance for soft reduction or heavy reduction technology to restraint defects of center segregation.

如何通过连铸轻压下或重压下技术改善铸坯中心偏析及中心疏松等缺陷，是连续铸钢领域研究的热点课题之一，但铸坯在压力作用下的微观凝固机理仍不明晰，制约了连铸压下技术的发展。本项目以易产生中心偏析的轴承钢GCr15钢种为研究对象，拟采用枝晶生长动力学理论分析、数学建模与高温物理压下试验等研究手段，结合微观分析及力学性能测试等方法开展研究，一方面基于自行开发设计的热态物理压下试验系统，探索外压力作用下铸坯凝固过程中固液界面畸变的形成机制，解析其与各影响因素之间的关联性；另一方面，通过在铸坯非平衡凝固过程中引入固液界面畸变，开展基于畸变条件下非均质形核及枝晶生长动力学研究，探讨畸变对于铸坯凝固组织溶质分布的影响。最终，构建压下与中心偏析的机制模型，解析中心偏析形成的强关联因素，从而对连铸生产过程进行优化。项目研究成果将为开发连铸轻压下或重压下技术抑制铸坯中心偏析等缺陷提供科学依据和技术指导。

连铸是目前钢铁工业生产的重要环节，是整个钢铁生产中的重要相变过程，围绕钢从钢水到连铸坯凝固过程的研究一直是行业热点，特别是近年来无缺陷铸坯概念的提出，更为连铸研究提供了一个明确方向。铸坯凝固组织的中心疏松、中心偏析等一直是影响铸坯质量的关键性因素之一，本项目从铸坯初始凝固界面、初生晶粒到枝晶生长过程进行研究，研究凝固过程参数对最终凝固组织的影响，具有良好的理论和实际意义。本项目从压力作用下固液界面发生畸变后，形核与枝晶生长行为及其对凝固组织及中心疏松、中心偏析等缺陷的影响，主要进行了三个方面的研究：开展连铸坯凝固过冷条件下非均质形核及枝晶生长动力学理论分析，并进行相关试验研究，探究过冷条件下铸坯非平衡凝固的机理；通过建立连铸坯压力作用下凝固过程热态物理试验系统，研究铸坯在压力作用下坯壳畸变及调控机制；以铸坯固液界面沿畸变区枝晶生长动力学为基础，研究坯壳畸变作用下铸坯溶质分布特征，分析压下对中心偏析的内在影响，探寻坯壳形变过程中液相形核与枝晶生长机理及对中心偏析等缺陷影响的内在机制。研究发现，当对凝固过程的试样施加外力时，促进了钢液在试样芯部流动，实现铸坯中心补缩；同时，使枝晶破碎进入液相区域为凝固过程提供新相形核，改善铸坯疏松和偏析缺陷。在中心固相率小于0.7时，试样坯壳畸变量为1mm，2mm，4mm均对试验试样的凝固过程有一定程度的影响。坯壳畸变对试样中心凝固过程及最终组织有较为明显的影响，通过试样CT结果分析，实施压下后试样中心孔隙率降低了1个数量级，表明对中心疏松具有明显消除作用，该指标对连铸坯的单位长度重量具有重要的影响。通过上述研究，其结果对连铸坯生产过程具有实际指导意义，将项目部分研究成果在宝武集团5台连铸机进行了工业验证，并在行业进行了初步推广应用。