雙輥鑄軋不銹鋼薄帶表面與內(nèi)部裂紋的生成機制

1、雙輥鑄軋不銹鋼薄帶表面與內(nèi)部裂紋的生成機制、演變規(guī)律及預(yù)防措施燕山大學(xué) 關(guān)小霞 田建軍 楊健指導(dǎo)教師：楊慶祥教授摘要：采用金相和掃描電鏡對實際鑄軋304不銹鋼顯微組織和裂紋形貌進(jìn)行觀察，確定裂紋源、裂紋擴展路徑以及開裂溫度，并采用數(shù)值模擬結(jié)合物理模擬的方法研究雙輥鑄軋不銹鋼薄帶表面與內(nèi)部裂紋的生成機理、演變規(guī)律以及預(yù)防措施。關(guān)鍵詞：304不銹鋼；雙輥鑄軋薄帶；裂紋分析1、研究背景雙輥鑄軋不銹鋼薄帶技術(shù)是目前冶金及材料領(lǐng)域的前沿技術(shù)之一1，是直接用鋼水制成2-5mm厚薄帶的工藝過程，如圖1。該技術(shù)可以大大簡化薄帶鋼的生產(chǎn)流程，降低生產(chǎn)成本，并形成低偏析、超細(xì)化的凝固組織，從而使帶材具有良好的性能

2、，被公認(rèn)為鋼鐵工業(yè)的革命性技術(shù)。為此，寶鋼在“十五”期間把雙輥鑄軋不銹鋼薄帶作為重大產(chǎn)業(yè)化項目進(jìn)行研究。但是，不銹鋼經(jīng)鑄軋后，薄帶表面會形成宏觀的裂紋，從而降低不銹鋼薄帶的力學(xué)性能，影響其質(zhì)量。凝固點S出口鑄輥冷卻水 入口薄帶bSb液相圖1 雙輥鑄軋不銹鋼薄帶工藝系統(tǒng)的示意圖2、方案論證國內(nèi)外在雙輥鑄軋不銹鋼薄帶技術(shù)上已經(jīng)開展了一些研究工作。文獻(xiàn)2對鑄軋304不銹鋼薄帶過程中高溫鐵素體的溶解動力學(xué)進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)3對不銹鋼薄帶鑄軋過程中凝固熱參數(shù)和組織進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)4對304不銹鋼在加熱過程中的高溫鐵素體形核與長大和夾雜物在固液界面的聚集進(jìn)行了原位觀察；文獻(xiàn)5對薄帶鑄軋溶池液面進(jìn)行了物理模擬

3、。但是，缺少對鑄軋不銹鋼薄帶表面與內(nèi)部裂紋的生成機理、演變規(guī)律以及預(yù)防措施方面的研究。在鑄軋過程中，液態(tài)金屬與軋輥之間的熱交換、金屬的結(jié)晶及固體金屬的軋制變形都在短時間內(nèi)完成，這些過程的研究很難實時進(jìn)行。因此本課題組采用數(shù)值模擬并結(jié)合物理模擬的方法研究雙輥鑄軋不銹鋼薄帶表面與內(nèi)部裂紋的生成機理、演變規(guī)律以及預(yù)防措施。3、研究方法通過在實際鑄軋的304不銹鋼薄帶上取樣觀察分析，用數(shù)值模擬的方法研究鑄軋過程幾何及工藝參量對開裂行為的影響并進(jìn)行驗證，提出解決方案。具體內(nèi)容如下：1、在實際鑄軋的304不銹鋼薄帶上取樣，采用金相和掃描電鏡觀察顯微組織和裂紋形貌，確定裂紋源、裂紋擴展路徑以及開裂溫度(高溫

4、或低溫)，對薄帶開裂部位進(jìn)行細(xì)致的金屬學(xué)分析。2、測定304不銹鋼及相關(guān)材料的熱學(xué)及力學(xué)參量；進(jìn)行試驗驗證，確定其正確性；研究鑄軋過程幾何及工藝參量對開裂行為的影響。3、建立有限元模型，對鑄軋工藝過程中溫度場、結(jié)晶過程、應(yīng)力應(yīng)變場進(jìn)行數(shù)值模擬、理論分析，并不銹鋼試樣（置于石英管中）加熱到熔化溫度后，冷卻到不同變形溫度加載變形，測量其在高溫下的形變行為和抗裂特性(塑性極限)，特別是其塑性極限隨溫度的變化規(guī)律。4、階段研究結(jié)果4.1鑄坯裂紋形貌的金相觀察將薄帶切開后，內(nèi)部裂紋擴展形貌如圖1所示。從圖中可以看出，近表面處存在著粗大的裂紋，而且裂紋沿著柱狀晶晶界向內(nèi)部擴展，如圖1(a)所示。同時在柱狀

5、晶晶間，近心部位置存在著大量的縮孔及微裂紋，見圖1(b)。(a)30m(b)30m圖1 鑄坯內(nèi)部裂紋形貌 (a)近表面裂紋 (b)近心部裂紋4.2 鑄坯裂紋及斷口形貌觀察和夾雜物分析圖2為鑄坯斷口夾雜物形貌，鑄坯具有細(xì)小的鑄態(tài)組織，析出相非常細(xì)小(2m)并呈球形并形成彌散分布(圖2(a)。但是，鑄坯中同時也存在尺寸較大的夾雜(10m)，而且這些夾雜不再是球形，而是不規(guī)則形狀(圖2(b)。這些尺寸較大的夾雜物作為獨立相存在于鋼中，破壞了基體的連續(xù)性，成為304不銹鋼鑄軋開裂的原因之一。鑄坯夾雜物的能譜分析結(jié)果表明，鑄坯中的夾雜物主要為硫化物、氧化物和硅酸鹽等。項目創(chuàng)新點雙輥鑄軋薄帶技術(shù)難于實現(xiàn)產(chǎn)

6、業(yè)化，其重要原因之一是保證鑄軋過程穩(wěn)定的工藝參數(shù) (鋼水溫度，鑄軋熔池尺寸，鋼水液面、鑄輥直徑、間距、轉(zhuǎn)速，冷卻水流量等) 很多，需要對其進(jìn)行綜合研究，以實現(xiàn)優(yōu)化控制；但若通過試驗的方法來尋找工藝參數(shù)及其間的關(guān)系會浪費很大的人力、物力和財力，且很難達(dá)到優(yōu)化。本項目擬采用數(shù)值模擬技術(shù)，研究薄帶在鑄軋過程中的流動、傳熱、結(jié)晶以及變形行為。10m(a)10m(b)圖2 鑄坯斷口夾雜物形貌(SEM) (a)球狀夾雜物 (b)不規(guī)則形狀夾雜物1、建立有限元模型，對鑄軋工藝過程中溫度場、應(yīng)力應(yīng)變場進(jìn)行數(shù)值模擬并試驗驗證，研究鑄軋過程各工藝參量的影響，確定造成開裂的“原動力”和材料開裂抗力的本質(zhì)及其表征參量

7、，并建立開裂的臨界條件；為防止不銹鋼薄帶在鑄軋過程中開裂提供理論基礎(chǔ)。2、通過物理模擬304不銹鋼在高溫下的形變行為，分析其塑性極限隨溫度的變化規(guī)律，并根據(jù)開裂的臨界條件和數(shù)值模擬結(jié)果，對不銹鋼薄帶鑄軋開裂進(jìn)行預(yù)報，提出工藝優(yōu)化的方案。參考文獻(xiàn)：1. A. Hunter, M. Ferry. Comparative study of texture development in strip-cast ferritic and austenitic stainless steels. Scripta Materialia 2002, 47: 3493552. S.H. Kim, H.K. Moo

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