双相不锈钢2103连铸坯凝固过程热模拟研究

High-performance economical duplex stainless steel 2103 with low contents of Cr and Ni, compared with the conventional duplex stainless steels, exhibits the better comprehensive properties, such as having a TRIP effect, excellent plastic processing and weldability. This stainless steel 2103 is an ideal corrosion resistant material to replace the austenitic stainless steel. However, due to the low rate of equiaxed and the thermal cracking and other issues, there is still difficult to achieve industrially continuously casting. In the proposed project, a series of thermal simulation by independent-developed the slab dendritic growth thermal simulation system will be carried out to investigate the steel continuously casting solidification process. The relationship between continuously casting parameters (such as the superheat and cooling water) and the solidified microstructure, macrosegregation, phase composition, morphology and phase distribution will be revealed. The steel solidification shrinkage characteristics under different solidification conditions will be observed. The mechanism of the columnar to equiaxed transition (CET) and the heat cracking of the duplex stainless steel during solidification will be investigated and the solutions of macro-structure and heat cracking will be also proposed, which will provide a solid evidence for conducting the industrial production.

高性能经济型双相不锈钢2103较现有的双相不锈钢具有低镍低钼的优势，并具有TRIP效应和优异的塑性加工和可焊性，是替代奥氏体不锈钢系列的理想耐蚀材料。但是2103连铸生产存在较大困难，等轴晶率较低、两相比例分布不均，且易产生热裂纹，目前国内尚未能大规模生产。本项目采用自主研发的连铸坯枝晶生长热模拟试验机，对该钢种连铸凝固过程进行热模拟实验研究，揭示其凝固组织形成规律，探讨过热度和冷却水量等连铸工艺参数对其凝固组织、宏观偏析、相组成、相形貌和相分布的影响，并采用自主研发的线收缩-热应力联测仪获取不同凝固条件下该钢种凝固收缩特性等动态数据，揭示双相不锈钢凝固过程柱状晶向等轴晶转变（CET）和热裂产生机理，并提出控制方案，为实现其连铸工业化生产提供科学依据。

首先采用二维非稳态方法模拟了宝钢2103双相不锈钢立式连铸凝固传热过程。结果表明，出结晶器时坯壳的厚度约为19mm。过热度每增加10oC，液芯长度增加15cm左右；过热度从10oC增加至50oC时，坯壳厚度减薄了5mm。冷却强度的增大对铸坯温度场影响较大，冷却强度每增加一个强度，液芯长度减小30cm左右，从弱冷增加至强冷时，坯壳厚度减薄了2.3mm。.采用自主研制的水平式连铸坯枝晶生长热模拟实验机，对立式连铸条件下2103双相不锈钢的凝固组织生长进行了热模拟研究，探索了不同连铸工艺参数（过热度和冷却强度）对凝固组织和宏观偏析的影响规律。结果表明，过热度的变化对2103双相不锈钢凝固组织的影响非常明显，随着过热度的降低，等轴晶比率增大，并且当过热度为10oC和20oC时，凝固组织为全等轴晶组成。冷却强度中冷至强冷时，等轴晶率减少了5.2%。在过热度为10oC、20oC时，元素Cr、Mn、Mo、Ni为反常偏析，在过热度为30oC、40oC、50oC时，元素Cr、Mn、Mo、Ni为正常偏析。冷却强度的变化对偏析分布规律影响不大，强冷时，元素Cr、Mn、Mo、Ni为反常偏析。.然后，采用元胞自动机（CAFE）模型，对上述热模拟过程进行了数值模拟，并通过正交计算方案研究了形核与生长参数对2103双相不锈钢微观组织生长的影响。结果表明，各参数对铸坯CET影响的主次顺序为a3＞ΔTmax＞a2＞ΔTσ；并与热模拟试样组织对比确定了最佳形核与生长参数，CAFE模型可以准确的预测2103双相不锈钢微观组织。.最后采用线收缩/热应力联测仪测定了不同冷速下2103的线收缩与应力的关系曲线。2103 双相不锈钢在凝固分数 50%以上出现应力释放然后升高的现象，表明此时出现热裂纹，但随后愈合。.通过数值模拟和热模拟相结合的方式研究了连铸工艺参数（过热度和冷却强度）对2103双相不锈钢的连铸坯凝固组织、宏观偏析影响规律，以及液固和固固相变过程中线收缩与应力的曲线关系，为新一代TRIP型双相不锈钢实现工业大生产提供了有力的参考依据。