永磁搅拌作用下电渣重熔高碳马氏体不锈钢凝固组织和一次碳化物控制研究

Poor control of solidification structure and primary carbide of high-carbon martensitic stainless steel severely constrains the improvement of quality and grade of knives. In order to overcome this problem, this project will apply high-efficiency and low-power consumption permanent magnetic stirring which has been applied successfully during continuous casting of high-carbon steel in ESR process of high-carbon martensitic stainless steel. On this basis, the magnetic field, flow field, temperature field, solute distribution and structure will be investigated through numerical modelling for optimal design of permanent magnetic stirrer. Then the effect of permanent magnetic stirring on evolution of solidification structure, precipitation and growth of primary carbide will be investigated through experiments and thermodynamic as well as dynamic theory. Finally, the relationship between permanent magnetic stirring, solidification structure, solute distribution and primary carbide will be constructed, the effect mechanism will be clarified, and a prototype of controlling structure and primary carbide of high-carbon stainless steel through permanent magnetic stirring during ESR process will be proposed eventually. The development of this project has great scientific significance and application value for control of solidification structure and primary carbide as well as improvement of knife quality and grade.

高碳马氏体不锈钢凝固组织和一次碳化物控制不佳严重制约着刀具质量与档次的提升。本项目以高碳马氏体不锈钢凝固组织与一次碳化物控制为目标，将项目组已在连铸中工业化应用的高效低耗永磁搅拌技术用于高碳马氏体不锈钢电渣重熔。通过数值模拟研究永磁搅拌作用下电渣重熔过程磁场、流场、温度场、溶质场与组织结构特征，并对永磁搅拌器进行优化设计；在此基础上，结合系统实验、热力学和动力学理论研究永磁搅拌对凝固组织演变、溶质偏析、一次碳化物析出和生长的影响规律，解析永磁搅拌作用下凝固组织、溶质偏析及一次碳化物之间的内在联系和作用机制这一关键问题，构建永磁搅拌调控电渣重熔高碳马氏体不锈钢凝固组织和一次碳化物的技术原型。项目的研究对高碳马氏体不锈钢凝固组织和一次碳化物的控制、实现国产刀具质量的提升具有重要科学意义和应用价值。

本项目针对永磁搅拌下高碳马氏体不锈钢的凝固组织和一次碳化物控制开展了研究，包括不同设计模式和转速下钢液磁场特性和运动行为，电渣重熔参数对温度场、流场、凝固组织和元素偏析的影响，冷速对一次碳化物和凝固组织的影响，以及永磁搅拌作用下高碳马氏体不锈钢凝固组织和一次碳化物的演变，明确了永磁搅拌对一次碳化物和凝固组织的作用机制。主要研究结论为：（1）NNSS的配置模式在磁通密度、电磁力和中心区的钢水速度方面比NSNS模式具有更强的磁性和流动特性；磁性和流动特性随着磁体厚度的增加更明显，但径向速度随着磁体数量先增加后减少；磁体弧心角为90度时，中心区的径向磁通密度增加并得到最稳定分布，同时中心区的钢液具有更高的电磁力和速度；磁体转速的增加对磁通密度的分布几乎没有影响，但会加强电磁力和钢液速度，但速度不能随转速的增加而无限增加。（2）高熔速加深了金属熔池，降低了温度梯度和最高熔渣温度；随着熔速的提高，局部凝固时间（LST）、一次和二次枝晶间距（PDAS和SDAS）增加，C和Cr的偏析变得严重；随着充填比的增加，金属熔池变浅，但两相区宽度加深，LST和SDAS略有增加，但PDAS的变化很小，相同条件下的C和Cr的中心线偏析指数略有增加；随着炉渣厚度增加，金属熔池深度先增加后减少，LST、PDAS、SDAS、C和Cr的偏析随着渣厚的增加呈现与金属池深度类似的变化趋势。（3）钢液在冷却过程中先析出M7C3型碳化物，当温度降低到940.2℃时开始析出M23C6碳化物；提高ESR冷速降低一次碳化物析出，且由块状向纤维状及粒状转变，同时一次碳化物面积及二次枝晶间距都减小，在高冷速下，继续增加冷速对一次碳化物的影响减小。（4）随着永磁搅拌转速的提高，高碳马氏体不锈钢的一次碳化物面积分数和二次枝晶间距逐渐降低，旋转永磁场转速提高到150rpm，一次碳化物面积分数和平均二次枝晶间距分别减少了44%和12.2%，这可归因于永磁搅拌引起的强烈的剪切力打碎初生枝晶形成更多形核质点细化凝固组织，促进合金元素均匀分布且抑制元素偏析，最终抑制一次碳化物形成和生长。