D0I:10.13374/i.issn1001053x.2002.03.053 第24卷第3期 北京科技大学学报 Vol.24 No.3 2002年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.2002 洁净钢氮化钛凝固细化技术的基础 成国光”朱晓霞)彭岩峰)王玉钢》赵沛》 1)北京科技大学治金学院，北京1000832)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000833)钢铁研究总院，北京100081 摘要从理论上研究洁净钢凝固过程中TN的析出和形核规律，通过试验探讨洁净钢凝固 过程TN形核并作为铁素体非均质形核核心，以及细化连铸坯凝固组织消除宏观偏析的可能 性.利用基本凝固理论计算得出了TN在凝固初期析出的条件，并利用对比试验方法研究了 TN的实际细化效果.研究表明，通过严格的工艺控制，利用TN形核是一种细化洁净钢凝固组 织的有效手段 关键词氮化钛；凝固：细晶：洁净钢：析出 分类号TG244 TN作为铁素体非均质形核核心起到细化 -2.00 晶粒的作用，并且在不锈钢（尤其是铁素体不锈 -2.50 钢)方面已有成功应用的报道.但对于普碳低 合金钢，尚未见到这方面的报道，是一个新的探 -300 lgK 索性研究课题.本文主要研究普碳洁净钢凝固 量3.50 过程中TN的析出和形核行为，探讨TN细化 lgo 4.00 连铸坯凝固组织的可能性 4.50l 1TN在凝固初期的析出条件 0 20 40 60 80100 人/% 对于反应-： 图1TN在凝固过程中的析出图 TiN=[Ti]+[N] (1) Fig.1 Segregation of TiN during solidification K=10-790640 (2) 点认为，当钢中[Ti]-0.02%0.03%,N0.005% 2-[%T]-[%N]=[%Tiw1-E.6N. -+13) 左右时，要使TN在凝固前沿液相中形核，只有 式中，K为平衡浓度积；Q为实际浓度积；[%T], 当固相分率达到0.8左右时才成为可能.但这已 [%N]为液相中凝固过程中的钛、氨质量分数； 经是凝固末期，对抑制柱状晶生长，提高等轴晶 [%T),[%N为液相中初始钛、氨质量分数：￡固 率不会有明显的作用.本文提出了一种新的思 相分率.作图得1og2-,1ogK-曲线，求氮化钛 路，就是针对图1中的E点，能否采取特定的工 的开始析出点.如图1所示，描述了TN在凝固 艺条件，使E点向左移动，也就是说，使TN的析 过程中析出的一般规律.随着凝固的进行，铁液 出提前进行.为了达到E点左移的目的，可以从 中的溶质元素氮、钛会在液相中富集，从而导致 两方面来考虑，其一就是使gQ线向上移动，可 氨、钛浓度积逐渐升高.当Q大于K值，也就是图 以通过提高凝固前沿钢中氮、钛含量等手段来 1中lgQ>gK时，实际氮、钛浓度积已经大于形成 达到；其二可以使gK向下移动，即通过提高钢 TN所需的平衡浓度积，在热力学方面已经具 液过冷度的办法实现. 备了在凝固前沿液相中析出TN的条件 图2表示了TN在凝固初期的析出条件. 从目前查阅的国内外文献来看，普遍的观 其中，△T表示凝固过冷度.从图中可以看出，当 △T0K,初始氮含量为5.0×10时，TN在f>80% 收稿日期2001-12-03成国光男，37岁，博士，副救授 *国家新一代钢铁材料的重大基础研究(973)资助课题(No.J1998061511-3)第 24 卷 第 3 期 2 0 02 年 6 月 北 京 科 技 大 学 学 报 OJ u r n a l o f U n iv e r s iyt o f s c ci n c e a n d 介c h n o 】o gy B e ij i n g M 〕 1 . 2 4 No 一 3 J u n . 2 020 洁净钢氮化 钦凝 固细化技术的基础 成 国光 ` , 朱晓 霞 ” 彭岩 峰 ” 王 玉 钢 ” 赵 沛 ” l )北京科技大学冶金学院 , 北京 10 0 0 8 3 2 )北京科技大学材料科学与工程学院 , 北京 10 0 0 8 3 3 )钢铁研究总 院 , 北京 10 0 0 8 1 摘 要 从 理论上研究 洁净钢凝 固过 程 中 IT N 的析出和形核规律 、 通 过试验探讨洁净钢凝 固 过程 IT N 形 核并作为铁素体非均 质形核 核心 , 以及细化 连铸坯凝 固组 织消 除宏观偏 析 的可能 性 . 利用基 本凝 固理论计 算得 出 了 T IN 在凝 固初期 析 出的条件 , 并利 用对 比试验 方法研 究了 T IN 的实际 细化效果 . 研究表 明 , 通过 严格的 工艺控制 , 利用 IT N 形核 是一种 细化洁 净钢凝 固组 织的有 效手段 . 关键 词 氮 化铁 ; 凝 固; 细晶 ; 洁净钢 ; 析 出 分类号 T G 2 4 4 T IN 作为铁素体非均质形核核心 起到细化 晶粒的作用 , 并且在不锈 钢(尤其是铁素体不锈 钢 )方面 已有成功应用 的报道 〔, ] . 但对 于普 碳低 合金钢 , 尚未见到这方面 的报道 , 是一个新 的探 索性研究课题 . 本 文主要研究普碳 洁净钢 凝固 过程 中 IT N 的析 出和形核行为 , 探讨 T IN 细化 连铸坯凝 固组织 的可 能性 . 一 2 . 0 0 2 . 50 气内」J 臼一切 一一 ù 蕊 lg Q 4 . 00 I T 训 在凝 固初期 的析 出条件 对于 反 应 12 一 4 ,: T IN = [Ti] + 困 ] K = 1 0( 嘿黔 场 , 40) 少【% T i〕 · 【% N 」= 【% T i〕 。 ( l 一 厂) 岛 。 一 ’ [% N 」 0 不(栋一 1+) 1 式 中犬为平衡浓 度积 ;Q 为实 际浓度 积 ; 「% iT ] , 〔% N] 为液相 中凝 固过程 中的钦 、 氮质量分数 ; 〔% iT 」 , 「% N ]为液相 中初始 钦 、 氮质量分数 沃 固 相分率 . 作 图得 Iog Q一不 , fo 萝一关曲线 ,求氮化钦 的开始析 出点 . 如 图 1 所示 , 描述了 IT N 在凝 固 过程 中析出 的一般规律 . 随着凝固 的进行 , 铁液 中的溶质元素氮 、 钦会在液相中富集 , 从而导致 氮 、 钦浓度积逐渐升高 . 当Q大于尤值 , 也就是 图 1 中lg >Q l gK 时 , 实际氮 、 钦浓度积已 经大于形成 r r 1N 所需 的平衡浓度 积 , 在热力学方面 已经具 备 了在凝 固前沿液相中析出 IT N 的 条件 . 从 目前查阅的国内外文献来看 5[] , 普遍 的观 -4 . SO L一 一 一习` - 一 — ~ 一 ~ — ~ 一 - 一 l — 一一』 0 2 0 4 0 6 0 80 10 0 不 /% 图 I T 训 在凝 固过 程 中的析 出图 F i g · 1 S e g er g a iot n o f T讲 d u r i n g s o li d in c a ti o n 点认 为 , 当钢 中 [T i」= 0 . 0 2 % 一 0 . 0 3 % , 困」二 0 . 0 0 5 % 左右时 , 要使 T IN 在凝 固前沿液相 中形核 , 只有 当固相分率达到 0 . 8 左右时才成 为可 能 . 但这 已 经是凝 固末期 , 对抑制柱状晶生长 , 提高等轴晶 率不 会有明显 的作用 . 本 文提 出 了一种新的思 路 , 就是针对 图 1 中的 E点 , 能否 采取特定的工 艺条件 , 使 E点 向左移动 , 也就是说 , 使 T NI 的析 出提前进行 . 为 了达到三点左移 的 目的 , 可 以从 两方面来考虑 , 其一就是使 lg Q线 向上移 动 , 可 以通过提高凝 固前沿钢 中氮 、 钦含量等手段来 达到 ; 其二可 以使 l萝向下移动 , 即通过提 高钢 液过冷度 的办法实现 . 图 2 表示 了 T NI 在凝 固初期 的析 出 条件 . 其 中 , 么r 表示凝 固过冷度 . 从图中可 以看 出 , 当 △卜O K , 初始氮含量 为 5 . 0x 10 一 , 时 , T IN 在式> 80 % 、产. 、产、、声. 1 1 `,内j z `、了. 了 . 、 收 稿日期 2 0 01 一 12 刁3 成 国光 男 , 37 岁 , 博士 , 副教授 * 国家新 一代钢 铁材料 的重大基础研 究( 9 73 〕资助课题( N 以 J 19 9 8 O61 5 H , 3) DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2002. 03. 053