第9期 马范军等：冷却速度对含铌，钛微合金钢铸还表层组织结构的影响 。1117。 传统连铸生产中，钢中微合金元素形成的碳氮 对铸锭喷水冷却，模拟铸坯出结晶器后经过垂直段 化物大量析出在奥氏体晶界，以及奥氏体晶界上膜 的冷却过程. 状或网状先共析铁素体破坏了基体的连续性，在弯 曲或矫直时的应力集中使铸坯产生横裂纹.冷却速 自来水 冷却系统 度是影响钢中第2相与先共析铁素体析出的重要因 熔化系统 素，适当加大冷却速度能使析出物在奥氏体晶内析 出且减少品界的先共析铁素体，细小弥散均匀分布 感应炉 于晶内的第2相又成为铁素体的形核质点，可细化 个流量计 流量计 铁素体晶粒，从而提高铸坯的高温力学性能.因此， 铸坯凝固后的冷却速度是影响和决定铸坯表层组织 水泵 结构及第2相析出物分布的关键因素. 测试系统 铸锭模型 由于钢中含有铌、钛等微合金元素，在铸坯凝固 与降温过程中，其碳氮化物大量析出，重新加热时析 采集热电偶数据 计算机 出物又溶解在钢中，再降温时大部分又在原来的位 置析出，仅对试样重新加热不足以模拟析出物对组 图1重熔凝固冷却实验系统示意图 织结构的影响：因此要研究冷却速度对铸坯组织结 Fig.I Schematic ilustrat ion of experimental apparatus for remelting 构的影响，必须将试样重新熔化再模拟凝固冷却过 and soldificat ion cooling 程 本文以立弯式铸机生产的低碳微合金钢为研究 1.2实验内容 对象，开发了重熔凝固冷却实验装置。模拟铸坯在垂 铸坯出结晶器后在垂直段的冷却是快速水冷. 直段与弯曲时的凝固冷却条件，研究不同冷却速度 根据热量传输理论，强制对流传热占主导地位。运动 对含铌、钛微合金钢铸坯表层组织的影响，探求铸坯 的水与铸坯接触带走铸坯表面的热量，可用牛顿 在出结晶器后、弯曲前更为合理的冷却模式。从而控 (Isaac New ton)冷却公式表示： 制铸坯表层组织结构与析出物的析出行为，以改善 Φ=h△tF (1) 铸坯的高温性能，降低铸坯在弯曲或矫直时的裂纹 式中，④。为热量，W;F为传热面积m2;△t为铸坯 敏感性，为减少或防止铸坯在连铸过程中产生横裂 表面与冷却水的温差，℃h为表面传热系数， 纹缺陷打下基础 Wm2。℃1，计算时h可根据前人经验公式得到， 1实验装置与实验内容 即： 11实验装置 h=aw” (2) 由于微合金钢铸坯表面裂纹通常产生在铸坯皮 式中，a与n为经验常数；w为喷嘴的水流密度， 下约5mm内，因此实验模拟铸坯表层5mm的冷却 Lm2·s1.可以近似认为水流密度与水量成正 组织：由于铸坯的对称性，因此取铸坯的1/4断面. 比，即w∝Q,因此改变喷嘴的水流密度可通过改 同时，考虑铸坯的凝固潜热对表面回温的影响，将铸 变喷嘴的水量方便实现， 锭的尺寸设计为150mm×150mm×200mm,实验 实验设计了三种不同的冷却速度的冷却模式： 钢质量约35kg.铸锭模型由两个面砌成外层耐火 工厂缓冷条件（冷却速度v)、控制冷却条件（冷却 砖，内层由保温板的保温绝热结构，另两面由铜板构 速度v)和强冷却条件（冷却速度v。).控制冷却模 成铜板通水冷却，模拟结晶器.模型内装有两支热 式是模拟铸坯出结晶器后，先以相当于工厂缓冷速 电偶，用于测温：一支离铸锭表面15mm,当该热电 度约2倍的冷却水量对铸坯进行冷却，冷却时间约 偶温度达到钢的固相线温度时，模拟铸坯出结晶器 75s,然后让铸坯回温50s,当铸坯进入弯曲段时按 厚度约15mm,将铸锭模型的铜板打开，模拟二冷喷 工厂实际冷却条件冷却：强冷却模式是模拟铸坯出 水冷却：另一支热电偶用于测量铸锭表面5mm处 结晶器后，以相当于工厂3倍的实际冷却速度冷却 角部的温度，以计算铸锭角部冷却速度.实验装置 约75s,然后让铸坯回温50s,当铸坯进入弯曲段时 示意图如图1所示.实验时，将钢样在感应炉内熔 按工厂实际冷却条件冷却.三种冷却模式示意图如 化.浇铸在模拟结晶器中，然后以设定的水量用喷嘴 图2所示.传统连铸生产中 ,钢中微合金元素形成的碳氮 化物大量析出在奥氏体晶界, 以及奥氏体晶界上膜 状或网状先共析铁素体破坏了基体的连续性, 在弯 曲或矫直时的应力集中使铸坯产生横裂纹.冷却速 度是影响钢中第 2 相与先共析铁素体析出的重要因 素,适当加大冷却速度能使析出物在奥氏体晶内析 出且减少晶界的先共析铁素体 , 细小弥散均匀分布 于晶内的第 2 相又成为铁素体的形核质点, 可细化 铁素体晶粒 ,从而提高铸坯的高温力学性能 .因此 , 铸坯凝固后的冷却速度是影响和决定铸坯表层组织 结构及第 2 相析出物分布的关键因素. 由于钢中含有铌 、钛等微合金元素 ,在铸坯凝固 与降温过程中, 其碳氮化物大量析出,重新加热时析 出物又溶解在钢中 ,再降温时大部分又在原来的位 置析出 ,仅对试样重新加热不足以模拟析出物对组 织结构的影响;因此要研究冷却速度对铸坯组织结 构的影响, 必须将试样重新熔化再模拟凝固冷却过 程[ 5-6] . 本文以立弯式铸机生产的低碳微合金钢为研究 对象 ,开发了重熔凝固冷却实验装置,模拟铸坯在垂 直段与弯曲时的凝固冷却条件 , 研究不同冷却速度 对含铌、钛微合金钢铸坯表层组织的影响,探求铸坯 在出结晶器后、弯曲前更为合理的冷却模式, 从而控 制铸坯表层组织结构与析出物的析出行为, 以改善 铸坯的高温性能 ,降低铸坯在弯曲或矫直时的裂纹 敏感性 ,为减少或防止铸坯在连铸过程中产生横裂 纹缺陷打下基础 . 1 实验装置与实验内容 1.1 实验装置 由于微合金钢铸坯表面裂纹通常产生在铸坯皮 下约 5 mm 内 ,因此实验模拟铸坯表层 5 mm 的冷却 组织;由于铸坯的对称性 , 因此取铸坯的 1/4 断面 . 同时 ,考虑铸坯的凝固潜热对表面回温的影响 ,将铸 锭的尺寸设计为 150 mm ×150 mm ×200 mm , 实验 钢质量约 35 kg .铸锭模型由两个面砌成外层耐火 砖,内层由保温板的保温绝热结构 ,另两面由铜板构 成,铜板通水冷却,模拟结晶器 .模型内装有两支热 电偶, 用于测温 :一支离铸锭表面 15 mm , 当该热电 偶温度达到钢的固相线温度时 , 模拟铸坯出结晶器 厚度约 15 mm ,将铸锭模型的铜板打开,模拟二冷喷 水冷却 ;另一支热电偶用于测量铸锭表面 5 mm 处 角部的温度 ,以计算铸锭角部冷却速度.实验装置 示意图如图 1 所示.实验时, 将钢样在感应炉内熔 化,浇铸在模拟结晶器中 ,然后以设定的水量用喷嘴 对铸锭喷水冷却, 模拟铸坯出结晶器后经过垂直段 的冷却过程 . 图 1 重熔凝固冷却实验系统示意图 Fig.1 Schematic illustration of experiment al apparatus f or remelting and solidification cooling 1.2 实验内容 铸坯出结晶器后在垂直段的冷却是快速水冷. 根据热量传输理论 ,强制对流传热占主导地位, 运动 的水与铸坯接触带走铸坯表面的热量, 可用牛顿 (Isaac New ton)冷却公式表示 : Υc =hΔtF (1) 式中 , Υc 为热量, W ;F 为传热面积, m 2 ;Δt 为铸坯 表面与 冷却水的温差 , ℃;h 为表面传热 系数, W·m -2·℃-1 ,计算时 h 可根据前人经验公式得到, 即 : h =aw n (2) 式中 , a 与 n 为经验常数;w 为喷嘴的水流密度, L·m -2 ·s -1 .可以近似认为水流密度与水量成正 比 ,即 w ∝Q , 因此改变喷嘴的水流密度可通过改 变喷嘴的水量方便实现 . 实验设计了三种不同的冷却速度的冷却模式: 工厂缓冷条件(冷却速度 v f)、控制冷却条件(冷却 速度 v c)和强冷却条件(冷却速度 v s).控制冷却模 式是模拟铸坯出结晶器后 ,先以相当于工厂缓冷速 度约 2 倍的冷却水量对铸坯进行冷却, 冷却时间约 75 s,然后让铸坯回温 50 s,当铸坯进入弯曲段时按 工厂实际冷却条件冷却 ;强冷却模式是模拟铸坯出 结晶器后,以相当于工厂 3 倍的实际冷却速度冷却 约 75 s,然后让铸坯回温 50 s,当铸坯进入弯曲段时 按工厂实际冷却条件冷却.三种冷却模式示意图如 图 2 所示. 第 9 期 马范军等:冷却速度对含铌、钛微合金钢铸坯表层组织结构的影响 · 1117 ·