高碳钢小方坯的一次枝晶臂间距的影响因素.pdf_大学文库

D0I:10.13374/i.issnl00113.2007.0L.006 第29卷第1期北京科技大学学报 Vol.29 No.1 2007年1月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jan.2007 高碳钢小方坯的一次枝晶臂间距的影响因素冯军陈伟庆北京科技大学冶金与生态工程学院，北京100083 摘要高碳钢小方坯显微凝固组织的研究表明：一次枝晶臂在凝固过程中不断粗化变短：碳含量高，容易形成长宽比小的一次枝晶，并且一次枝晶臂间距增宽，容易形成粗大的柱状晶组织；过热度高，易形成粗大的一次枝晶，一次枝晶臂间距增宽：拉速慢，容易形成细长的一次枝晶，一次枝晶臂间距减少：二次冷却水流量比增加，易形成细长的一次枝晶，一次枝晶臂间距降低·结晶器电磁搅拌可显著降低一次枝晶臂长宽比，并减小一次枝晶臂间距：搅拌电流增加，则一次枝晶臂间距减小效果更明显。关键词高碳钢：小方坯；连铸：枝晶臂间距：凝固组织分类号TF777.3:TG244.3 钢在连铸过程中通常以枝晶方式进行凝固，采 75mm,取样位置如图1所示，将试样打磨、抛光成用一次、二次或高次枝晶间距来衡量凝固条件对凝镜面，再用加热的饱和苦味酸溶液腐蚀后显形)，固组织的影响，是一种既方便又广泛使用的办在低倍显微镜观察A,B,C,D四点的显微结构并照法山.一般情况下，枝晶间距是指枝间的垂直距离。相(A,B,C,D四点距离铸坯边缘分别为16,29,46，一次枝晶的生长方式和枝晶间距)决定着凝固组 64mm),高碳钢小方坯不同位置的枝晶组织如图2 织的致密程度和宏观低倍组织（柱状晶和等轴晶）形所示(D点位置主要是等轴晶结构，未统计枝晶间态，树枝晶的大小和形态对金属性能有很大影响，距)，对照比例尺测量一次枝晶臂的长和宽以及一次其中枝晶间距的大小与组织中的显微偏析、夹杂物枝晶臂间距可].分别在A,B,C,D四点附近的小区形成、微裂纹与缩松的产生都有密切关系)，本文 64 研究了连铸工艺参数对一次枝晶臂间距(PDAS)的 46 29 影响 1生产条件和实验方法高碳钢的生产工艺：100t电弧炉→LF炉→ 150mm2小方坯连铸机；连铸机采用外置式结晶器电磁搅拌.主要生产钢种有60,65和70钢图1高碳钢小方坯取样位置根据小方坯横断面的几何对称形状，在 Fig.I Specimen geometry of CC billets 150mm高碳钢小方坯横断面上截取试样20mm× (a) d1 mm 图2距离铸坯边缘不同距离上的枝晶组织，(a)16mm:(b)29mm:(c)46mm:(d)64mm的枝晶组织 Fig.2 Dendritic structures at different distances to the edge of billets:(a)16mm:(b)29mm:(c)46mm:(d)64mm 收稿日期：2005-10-11修回日期：2006-06-23 域内统计40个左右的一次枝晶臂间距取平均值，作作者简介：冯军(1969一)，男，博士研究生：陈伟庆(1951一)，男，为此区域的一次枝晶臂间距入· 教授，博士生导师

高碳钢小方坯的一次枝晶臂间距的影响因素冯军陈伟庆北京科技大学冶金与生态工程学院北京100083 摘要高碳钢小方坯显微凝固组织的研究表明：一次枝晶臂在凝固过程中不断粗化变短；碳含量高容易形成长宽比小的一次枝晶并且一次枝晶臂间距增宽容易形成粗大的柱状晶组织；过热度高易形成粗大的一次枝晶一次枝晶臂间距增宽；拉速慢容易形成细长的一次枝晶一次枝晶臂间距减少；二次冷却水流量比增加易形成细长的一次枝晶一次枝晶臂间距降低．结晶器电磁搅拌可显著降低一次枝晶臂长宽比并减小一次枝晶臂间距；搅拌电流增加则一次枝晶臂间距减小效果更明显．关键词高碳钢；小方坯；连铸；枝晶臂间距；凝固组织分类号 TF777∙3；TG244∙3 收稿日期：20051011 修回日期：20060623 作者简介：冯军（1969—）男博士研究生；陈伟庆（1951—）男教授博士生导师钢在连铸过程中通常以枝晶方式进行凝固采用一次、二次或高次枝晶间距来衡量凝固条件对凝固组织的影响是一种既方便又广泛使用的办法［1］．一般情况下枝晶间距是指枝间的垂直距离．一次枝晶的生长方式和枝晶间距［2］决定着凝固组织的致密程度和宏观低倍组织（柱状晶和等轴晶）形态．树枝晶的大小和形态对金属性能有很大影响其中枝晶间距的大小与组织中的显微偏析、夹杂物形成、微裂纹与缩松的产生都有密切关系［3］．本文研究了连铸工艺参数对一次枝晶臂间距（PDAS）的影响． 1 生产条件和实验方法高碳钢的生产工艺：100t 电弧炉→LF 炉→ 150mm 2小方坯连铸机；连铸机采用外置式结晶器电磁搅拌．主要生产钢种有60＃65＃和70＃钢．根据小方坯横断面的几何对称形状在 150mm 2高碳钢小方坯横断面上截取试样20mm× 75mm取样位置如图1所示．将试样打磨、抛光成镜面再用加热的饱和苦味酸溶液腐蚀后显形［4］．在低倍显微镜观察 ABCD 四点的显微结构并照相（ABCD 四点距离铸坯边缘分别为162946 64mm）．高碳钢小方坯不同位置的枝晶组织如图2 所示（D 点位置主要是等轴晶结构未统计枝晶间距）对照比例尺测量一次枝晶臂的长和宽以及一次枝晶臂间距［5］．分别在 ABCD 四点附近的小区图1 高碳钢小方坯取样位置 Fig．1 Specimen geometry of CC billets 图2 距离铸坯边缘不同距离上的枝晶组织．（a）16mm；（b）29mm；（c）46mm；（d）64mm 的枝晶组织 Fig．2 Dendritic structures at different distances to the edge of billets：（a）16mm；（b）29mm；（c）46mm；（d）64mm 域内统计40个左右的一次枝晶臂间距取平均值作为此区域的一次枝晶臂间距 λ1．第29卷第1期 2007年 1月北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．1 Jan．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．01．006

26 北京科技大学学报第29卷比水量的增加，一次枝晶变得细长；过热度低，一次 2对一次枝晶臂长宽比的影响枝晶臂趋于细长，但影响不明显；拉速慢，容易形成 2.1铸坯不同位置的一次枝晶臂长宽比细长的一次枝晶对16组不同连铸条件的高碳钢连铸小方坯一 70 次枝晶臂长宽比进行对比，结果如图3所示，可以 60 ◆-52℃ 盒70℃ 看出，从150mm2的铸坯边缘向中心延伸，一次枝晶 50 臂长宽比逐渐减少，即一次枝晶臂在凝固过程中不 40 断粗化，并且一次枝晶变短. 响 70 品 60 10 只 96 203040 50 距坯壳的距离mm 40 30 图6过热度对一次枝晶臂长宽比的影响 © Fig.6 Effect of superheat on primary dendritic dimension 10 901520253035404550 70 距坯壳的距离/mm 60 ▲2.8m,min1 ■-2.2mmin- 图3铸还不同位置的一次枝晶臂长宽比 Fig.3 Primary dendritic dimension at different specimen positions 30 2.2连铸工艺参数对一次枝晶臂长宽比的影响 20 由图4~7可知，碳含量高，使得一次枝晶(PD) 10 有加宽的趋势，在其他工艺条件不变时，随着二冷 00 2030 40 50 距坯壳的距离mm 20 15 ◇ P 图7拉速对一次枝晶臂长宽比的影响出 G Fig.7 Effect of casting speed on primary dendritic dimension 10 ▣ 口 2.3结晶器电磁搅拌对一次枝晶臂长宽比的影响在其他工艺条件不变的前提下，对有无结晶器 b.5 0.6 0.70.8 0.9 电磁搅拌(EM$)的一次枝晶臂长宽比进行对比，碳的质量分数% 如图8所示，可以看出，结晶器电磁搅拌可以显著图4碳含量对一次枝晶臂长宽比的影响地降低铸坯接近中心位置的一次枝晶臂长宽比，即 Fig.4 Effect of carbon content on primary dendritic dimension 有效地促进一次枝晶的粗化变短，促使凝固组织由柱状晶向等轴晶的转变，扩大了等轴晶区面积[6]. 70 60 ★…1.55Lkg1 ● 38 -无M-EMS 50 0.83 L.kg ★一有M-EMS 33 40 28 ￥30 ￥23 20 18 10 13 20 3040 50 距坯壳的距离mm 60 203040 50 距坯壳的距离mm 图5二冷比水量对一次枝晶臂长宽比的影响图8结晶器电磁搅拌对一次枝晶臂长宽比影响 Fig-5 Effect of secondary cooling intensity on primary dendritic Fig.8 Effect of mole-electromagnetic stirring on primary dendritic dimension dimension

第1期冯军等：高碳钢小方坯的一次枝晶臂间距的影响因素 27 由图9可以看出，增加搅拌电流，一次枝晶臂长宽比 3,2铸坯不同位置的一次枝晶臂间距减小. 如图12所示，从铸坯边缘向中心延伸，由于冷却速率降低，一次枝晶臂间距入增加 60 4 -搅拌200A/5Hz ▲搅拌246A/5Hz 500 450 50F 400 ◇ 40 350 300 30 250 200 20 4 150 100 20 30 40 50 0 20 40 60 距坯壳的距离mm 距坯壳的距离mm 图9搅拌电流值对一次枝晶臂长宽比的影响图12不同位置的一次枝晶臂间距 Fig.9 Effect of stirring current on primary dendritic dimension Fig.12 Primary dendritic arm spacing at different specimen posi- tions 3对一次枝晶臂间距的影响 3.3连铸工艺参数对一次枝晶臂间距的影响 3.1结晶器电磁搅拌对一次枝晶臂间距的影响分析高碳钢小方坯的碳含量、过热度、拉速和二在其他工艺条件不变的条件下，对有无结晶器冷比水量等参数对一次枝晶臂间距入的影响，结果电磁搅拌的一次枝晶臂间距进行对比，如图10.可如图13~16所示，可以看出，随着碳含量的增加，以看出，结晶器电磁搅拌可以显著地降低一次枝晶一次枝晶臂间距增宽；随着过热度的升高，一次枝晶臂间距入向，使得枝晶组织致密，并且随着结晶器臂间距加宽；连铸拉速增加，一次枝晶臂间距有电磁搅拌电流的增加，一次枝晶臂间距入进一步减增加的趋势，距铸坯边缘越近影响越显著；二冷比水小（如图11）量的增加，一次枝晶臂间距减小. 380 600 无M-EMS 具 330 有M-EMS 500 400 280 300 0口P 230 200 180 10吗3 0.5 0.7 0.9 碳的质量分数% 130 分 29 46 距坏壳的距离mm 图13 碳含量对一次枝晶臂间距的影响 Fig.13 Effect of carbon content on primary dendritic arm spacing 图10结晶器电磁搅拌对一次枝晶臂间距影响 Fig-10 Effect of mole-electromagnetic stirring on primary den- 380 dritic arm spacing 400 且 340 300 复350 260 300 220 250 盒2.2mmin 180 △2.8 m.min- 200 △一电流200A 140 20 30 40 50 150 ★一电流246A 距坯壳的距离/mm 1000 的 30 40 50 坯完的距离mm 图14拉速对一次枝晶臂间距的影响 Fig.14 Effect of casting speed on primary dendritic arm spacing 图11搅拌电流值对一次枝晶臂间距的影响 Fig.11 Effect of stirring current on primary dendritic arm spac- 3.4讨论 ing 从微观形核过程和枝晶型微观组织的生长可以

由图9可以看出增加搅拌电流一次枝晶臂长宽比减小．图9 搅拌电流值对一次枝晶臂长宽比的影响 Fig．9 Effect of stirring current on primary dendritic dimension 3 对一次枝晶臂间距的影响 3∙1 结晶器电磁搅拌对一次枝晶臂间距的影响在其他工艺条件不变的条件下对有无结晶器电磁搅拌的一次枝晶臂间距进行对比如图10．可以看出结晶器电磁搅拌可以显著地降低一次枝晶臂间距 λ1 ［6］使得枝晶组织致密．并且随着结晶器电磁搅拌电流的增加一次枝晶臂间距 λ1 进一步减小（如图11）．图10 结晶器电磁搅拌对一次枝晶臂间距影响 Fig．10 Effect of mole-electromagnetic stirring on primary dendritic arm spacing 图11 搅拌电流值对一次枝晶臂间距的影响 Fig．11 Effect of stirring current on primary dendritic arm spacing 3∙2 铸坯不同位置的一次枝晶臂间距如图12所示从铸坯边缘向中心延伸由于冷却速率降低一次枝晶臂间距 λ1 增加．图12 不同位置的一次枝晶臂间距 Fig．12 Primary dendritic arm spacing at different specimen positions 3∙3 连铸工艺参数对一次枝晶臂间距的影响分析高碳钢小方坯的碳含量、过热度、拉速和二冷比水量等参数对一次枝晶臂间距 λ1 的影响结果如图13～16所示．可以看出随着碳含量的增加一次枝晶臂间距增宽；随着过热度的升高一次枝晶臂间距加宽［7］；连铸拉速增加一次枝晶臂间距有增加的趋势距铸坯边缘越近影响越显著；二冷比水量的增加一次枝晶臂间距减小．图13 碳含量对一次枝晶臂间距的影响 Fig．13 Effect of carbon content on primary dendritic arm spacing 图14 拉速对一次枝晶臂间距的影响 Fig．14 Effect of casting speed on primary dendritic arm spacing 3∙4 讨论从微观形核过程和枝晶型微观组织的生长可以第1期冯军等：高碳钢小方坯的一次枝晶臂间距的影响因素 ·27·

,28 北京科技大学学报第29卷 420 当连铸二冷比水量大、低过热度和低拉速的情况下，都增加了凝固传热的温度梯度，使得一次枝晶臂间距入减小. 0 0 一次和二次枝晶臂间距的比值（入/入2）可以由 220 452℃ 下式求得： 180 ★一70℃ λ1/2=12.945x0.02≈12.946 (1) 20 30 40 50 式中，X是指凝固前沿的位置，在此为测量位置；距坯壳的距离mm 为物理性能，是钢的过热度和表面温度的函数，连图15过热度对一次枝晶臂间距的影响铸过程中，在过热度和表面温度的变化范围内，专值 Fig.15 Effect of superheat on primary dendritic arm spacing 几乎不受影响，这里假设过热度为40℃，所以专的取值为0.123 400 ■ 350 由此公式可算出高碳钢连铸小方坯的入/入2的 300 口近似值为1.6 薹 250 实测高碳钢小方坯一次和二次枝晶间距的比值 200 平均值为1.65（图17），非常接近式(1)计算所得到 150 口-0.83L·kg1 100 △-1.14L-kg1 的比值1.6. ★-1.55Lkg 50 20 3040 50 4结论距坯壳的距离mm (1)断面150mm2的高碳钢连铸小方坯，从铸图16二冷比水量对一次枝晶臂间距的影响坯边缘向中心延伸，一次枝晶臂长宽比减小，即一次 Fig-16 Effect of secondary cooling intensity on primary dendritic 枝晶在凝固过程中不断粗化，并且一次枝晶变短， arm spacing 同时，从铸坯边缘向中心延伸，冷却速率降低，一次枝晶臂间距增加 2.7 2.4 (2)随着碳含量的增加，一次枝晶变得粗大，一 2.1 次枝晶臂间距增宽；过热度高，一次枝晶粗大，一次 oppr.om e1.5 枝晶臂间距增加；提高连铸拉速，易形成粗大的一次 1.2 枝晶，一次枝晶臂间距增加；二冷比水量增加，一次 0.9 0.60 枝晶变得细长，一次枝晶臂间距减小， 102030 40 距坯壳的距离mm (3)结晶器电磁搅拌可以显著地降低一次枝晶臂长宽比，即有效地促进一次枝晶的粗化变短，进而图17一次和二次枝晶臂间距的比值，/ 促使凝固组织由柱状晶向等轴晶的转变，扩大了等 Fig-17 Ratio of primary dendritic arm spacing to secondary den- 轴晶区面积，并且结晶器电磁搅拌可以显著地降低 dritic arm spacing 一次枝晶臂间距，使得枝晶品组织致密；搅拌电流值越看出8]，金属凝固的过冷度越大，形成晶体尖端生大，上述影响的效果越显著，长速率低，容易形成细长的一次枝晶，而二冷比水量 (4)对于高碳钢小方坯，实测一次和二次枝晶大、过热度低和低拉速都使得凝固的过冷度增加，因间距的比值平均值为1.65. 此形成长宽比大的细长一次枝晶.同样，随着距铸坯边缘距离的增加，凝固过冷度不断降低，所以一次参考文献枝晶臂长宽比降低， [1]冯科，陈登福，连铸坯枝晶凝固的重要微观结构特征参数的研结晶器电磁搅拌极大地改善了凝固过程的传质究进展.特殊钢，2004,25(3)：1 和传热，均匀了温度和成分，降低了凝固过冷度，降 [2]吴旭敏，铸铁枝晶组织分析及数值模拟[学位论文]武汉：武汉理工大学，2001 低了一次枝晶臂长宽比，促进一次枝晶粗化，减小了 [3]翟慎秋，魏亚杰.金属树枝晶的生长行为：山东工业大学学一次枝晶臂间距.并且搅拌电流越大，入减小的越报，1997,27(2)：181 明显 [4]Cabrera J M.Carreno-galindo V.Macro micro modeling of the 一次枝晶臂间距由文献[8]中的计算公式可知， dendritic microstructure of steel billets processed by continuous

图15 过热度对一次枝晶臂间距的影响 Fig．15 Effect of superheat on primary dendritic arm spacing 图16 二冷比水量对一次枝晶臂间距的影响 Fig．16 Effect of secondary cooling intensity on primary dendritic arm spacing 图17 一次和二次枝晶臂间距的比值 λ1／λ2 Fig．17 Ratio of primary dendritic arm spacing to secondary dendritic arm spacing 看出［8］金属凝固的过冷度越大形成晶体尖端生长速率低容易形成细长的一次枝晶而二冷比水量大、过热度低和低拉速都使得凝固的过冷度增加因此形成长宽比大的细长一次枝晶．同样随着距铸坯边缘距离的增加凝固过冷度不断降低所以一次枝晶臂长宽比降低．结晶器电磁搅拌极大地改善了凝固过程的传质和传热均匀了温度和成分降低了凝固过冷度降低了一次枝晶臂长宽比促进一次枝晶粗化减小了一次枝晶臂间距．并且搅拌电流越大λ1 减小的越明显．一次枝晶臂间距由文献［8］中的计算公式可知当连铸二冷比水量大、低过热度和低拉速的情况下都增加了凝固传热的温度梯度使得一次枝晶臂间距 λ1 减小．一次和二次枝晶臂间距的比值（λ1／λ2）可以由下式求得［9］： λ1／λ2＝12∙94ξX 0∙02≈12∙94ξ （1）式中X 是指凝固前沿的位置在此为测量位置；ξ 为物理性能是钢的过热度和表面温度的函数．连铸过程中在过热度和表面温度的变化范围内ξ值几乎不受影响这里假设过热度为40℃所以 ξ的取值为0∙123．由此公式可算出高碳钢连铸小方坯的 λ1／λ2 的近似值为1∙6．实测高碳钢小方坯一次和二次枝晶间距的比值平均值为1∙65（图17）非常接近式（1）计算所得到的比值1∙6． 4 结论（1）断面150mm 2 的高碳钢连铸小方坯从铸坯边缘向中心延伸一次枝晶臂长宽比减小即一次枝晶在凝固过程中不断粗化并且一次枝晶变短．同时从铸坯边缘向中心延伸冷却速率降低一次枝晶臂间距增加．（2）随着碳含量的增加一次枝晶变得粗大一次枝晶臂间距增宽；过热度高一次枝晶粗大一次枝晶臂间距增加；提高连铸拉速易形成粗大的一次枝晶一次枝晶臂间距增加；二冷比水量增加一次枝晶变得细长一次枝晶臂间距减小．（3）结晶器电磁搅拌可以显著地降低一次枝晶臂长宽比即有效地促进一次枝晶的粗化变短进而促使凝固组织由柱状晶向等轴晶的转变扩大了等轴晶区面积．并且结晶器电磁搅拌可以显著地降低一次枝晶臂间距使得枝晶组织致密；搅拌电流值越大上述影响的效果越显著．（4）对于高碳钢小方坯实测一次和二次枝晶间距的比值平均值为1∙65．参考文献［1］冯科陈登福．连铸坯枝晶凝固的重要微观结构特征参数的研究进展．特殊钢200425（3）：1 ［2］吴旭敏．铸铁枝晶组织分析及数值模拟［学位论文］．武汉：武汉理工大学2001 ［3］翟慎秋魏亚杰．金属树枝晶的生长行为．山东工业大学学报199727（2）：181 ［4］ Cabrera J MCarreno-galindo V．Macro-micro modeling of the dendritic microstructure of steel billets processed by continuous ·28· 北京科技大学学报第29卷

casting．ISIJ Int199838（8）：812 ［5］里摩吉斯 J贝特尔曼 L．二次冷却和结晶器电磁搅拌对高碳钢碳偏析及其凝固结构的影响．白静译．天津冶金2002 （4）：40 ［6］张伟强．金属电磁凝固原理与技术．北京：冶金工业出版社 2004 ［7］常国威薛庆国．电流改变定向凝固单相合金枝晶间距机理．北京科技大学学报199921（2）：175 ［8］ Imagumbai M．Relation between primary and secondary-dendrite arm spacing of C—Mn steel unidirectionally solidified in steady state．ISIJ Int199434（12）：986 ［9］ Taha MJacobi HImagumbai M．et al．Dendrite morphology of several steady state unidirectionally solidified iron base alloys． Metall Trans198213A：2131 Influential factors of primary dendritic arm spacing in high-carbon steel billets FENG JunCHEN Weiqing Metallurgy and Ecology Engineering SchoolUniversity of Science and Technology Beijing100083BeijingChina ABSTRACT The microstructure during solidification of high-carbon steel billets was investigated．The results showed that primary dendritic arms in the billets were becoming coarser and shorter with evolvement of solidification．A higher carbon content in the steel was favorable to form short and thick primary dendrites as well as wider primary dendritic arm spacings （PDAS） and coarsening columnar structure．A higher superheat promoted coarse primary dendrites and wider PDAS．With the withdrawal rate slowerit was easy to form narrow PDAS． The greater the secondary cooling water flow ratiothe easier the spindly primary dendrites and narrow PDAS formed．Mole-electromagnetic stirring （M—EMS） greatly reduced the PDAS and dendritic length-to-width ratio． With the increase of M—EMS electric currentthe PDAS was reduced obviously． KEY WORDS high carbon steel；billets；continues casting；primary dendritic arm spacing；solidification structure 第1期冯军等：高碳钢小方坯的一次枝晶臂间距的影响因素 ·29·