成果介绍-代表性成果之五

代表性研究成果简介(五)   铸轧薄带偏析行为和凝固组织控制机理研究

1 研究背景和意义 
    双辊薄带铸轧技术是当今世界上薄带生产的前沿技术，可不经连铸、加热和热轧等生产工序，由液态钢水直接生产出厚度为1～5mm的薄带坯，其特点是金属凝固与轧制变形同时进行，在短时间内完成从液态金属到固态薄带的全部过程。同传统的薄带生产工艺相比，降低设备投资约80%，降低生产成本30～40%，能源消耗仅为传统流程的1/8，工艺更加环保（例如，CO2排放仅为传统流程的20%）。另外，铸轧状态下的亚快速凝固过程在获得特殊性能方面具有独特优势，为实现高性能钢材的减量化生产提供了重要途径。因此，结合我国科技发展的“节能、高效、促进循环经济发展”的总体战略目标，集中开展薄带铸轧技术基础研究是极为必要的。 
    薄带铸轧技术在国际上已取得突破，其逐步工业化正在给钢铁界带来一场变革。为适应国际钢铁界出现的这一全新的格局和方向，实验室知难而上，把铸轧技术作为前瞻性、储备性和战略性课题来研究。在2003年初至2007年末的五年时间里，实验室针对薄带铸轧过程中存在的关键冶金学基础问题展开系统研究，开发具有自主知识产权的创新技术和工艺，引领新一代薄带生产技术，为我国在这一新领域中跻身国际前沿做出贡献。 
2 研究内容 
2.1铸轧设备开发及数值模拟研究 
    在铸轧设备与工艺的开发方面，开发出了具有自主知识产权的立式等径双辊铸轧系统。该系统包括新型的浇注系统、新的侧封系统和压紧力调整机构及关键参数的检测和数据采集系统等。开发了铸轧过程模拟系统，该系统可以模拟薄带铸轧过程中的亚快速凝固过程，并具有检测薄带与铸辊接触面的传热系数的功能，可以把“铸”与“轧”的过程分开，以探索发生在铸轧过程中的一些特殊冶金学现象的准确机理。 
    在薄带铸轧过程数值模拟研究方面，揭示了薄带铸轧过程的一系列深层规律。首次建立了能够描述双辊铸轧过程中的湍流流动、传热和凝固过程的控制方程。建立了考虑各种复杂因素在内的双辊铸轧过程流动和传热耦合的三维有限元分析理论。在这一理论的指导下，给出了浇注温度、铸轧速度、熔池液面高度、水口的出口角度、水口的浸入深度及辊套材质等参数对熔池内流场和温度场的影响规律，解决了铸轧过程中工艺参数和设备确定中一些关键问题，为水口的结构设计及铸轧工艺参数的确定提供了理论依据。模拟研究发现，当水口出口角度大于10°，熔池液面高度达到125mm以上时，熔池内出现双漩涡现象，它不但有利于熔池内金属流动和溶质分布均匀，而且使熔池表面温差减小，使铸带横向温度分布趋于均匀，有利于提高铸带表面质量。在这种理论的指导下，开发了双流和三流布流的浇注水口，在铸轧实验中成功应用。建立了铸辊三维热-力耦合有限元分析理论，提出了熔池与铸辊接触面分区和换热边界条件处理的反向方法，揭示了铸轧工艺条件和铸辊结构对铸辊温度、热应力和热变形的影响规律。 
    这部分研究工作在国内外刊物上发表论文10余篇，同时申请专利一项，并获得国家自然科学基金面上项目的资助。 
2.2 亚快速凝固组织偏析行为和组织演变规律的研究 
    在铸轧新材料、新现象的探索方面，主要进行了新型合金薄带如高P、Cu耐候钢、铁素体不锈钢、高锰TWIP和TRIP钢以及镁合金铸轧的探索性研究工作，取得了一些新的研究成果，发现了一些新的冶金学现象，对开发适合于薄带铸轧特点的产品和工艺具有明确的指导作用。 
（1）高P、Cu超高耐候钢薄带的开发。我国在超高耐候钢板带产品开发方面与国际先进水平相差甚远，主要原因之一在于我国必须节约使用Ni等稀缺元素。普通耐候钢中P、Cu元素在常规热轧带钢中出现偏析，对力学性能具有破坏性作用。与此同时，P和Cu又是提高钢材耐候性的主要元素，因此如何即提高钢中P、Cu含量又不产生破坏性作用，是生产超高耐候钢面临的主要问题。为解决这一难题，在国家重点基础研究发展规划项目（973）的支持下，探索通过亚快速凝固抑制P、Cu偏析的冶金学原理和技术途径，在钢材中添加较高的P、Cu含量，达到提高耐候性的目的。在研究工作中，进行了具有不同P、Cu含量耐候钢薄带的铸轧实验，研究发现，在铸轧薄带中，当C含量为0.05%、P含量达到0.3%时，未观察到P的宏观偏析，说明薄带铸轧过程中的亚快速凝固过程具有抑制P偏析的作用。与之相比，在相同成分的铸锭中沿晶界存在严重的P偏析。通过大量实验也发现，Cu元素在0.3～1.5%范围内，在铸轧薄带内基本呈均匀分布。这一发现为铸轧生产高P、Cu耐候钢带材的成分和工艺设计提供了新的思路。通过对低碳、中碳和高碳钢铸轧薄带中P元素偏析行为的研究发现，当P元素含量低于0.3%时，得到无明显P偏析的铸轧薄带，而当P含量超过这一数值后，沿铸轧薄带厚度方向出现明显的表面负偏析现象。铸轧薄带的加速腐蚀实验结果证明，高P、Cu钢铸带的腐蚀速度仅为普通钢材的1/5～1/6，经冷轧和退火处理后，其力学性能与常规带材基本相当。 
（2）铸轧铁素体不锈钢的开发。我国为严重Ni资源短缺国家，开发不含Ni的铁素体不锈钢代替含Ni的奥氏体不锈钢，是解决Ni资源紧缺的主要途径。然而，铁素体不锈钢在板坯连铸过程中容易产生发达的、存在成分偏析的柱状晶，比例有时甚至多达70～80%。铁素体不锈钢在热轧过程中，没有或很少发生相变，热轧带几乎全部由拉长的变形带组成，在随后的再结晶退火过程中很难完全消除，导致冷轧退火后产品成型性差、易产生表面皱褶。目前，针对我国铁素体不锈钢生产中存在的这些问题，部分不锈钢厂已经采用了多种手段降低柱状晶比例，如添加铌、钛等微合金元素，连铸过程中采用电磁搅拌，适当控制连铸二冷段冷却水量等，但问题仍然没有得到很好解决。为此，在国家重点基础研究发展规划项目（973）的支持下，探索通过薄带铸轧中亚快速凝固过程消除bcc合金柱状晶凝固组织和成分偏析的原理和技术途径。在研究工作中，发现等轴晶组织比率与浇注过热度及铸轧速度密切相关，通过采用控制浇注温度和铸轧速度的方法，在实验室条件下得到了具有不同凝固组织的铁素体不锈钢铸轧薄带，而且通过优化浇注温度和铸辊转速，可以得到完全等轴晶、晶粒尺寸相对细小且成分分布均匀的铁素体不锈钢铸轧薄带。铸带经过后续热处理和冷轧变形后，其成品的力学性能指标为屈服强度280MPa、抗拉强度415MPa、延伸率27％，成品纵向r值达到1.38，与日本的JIL优质铁素体不锈钢相当，比采用传统工艺生产的产品的平均r值（～1.10）高出近40％。对等轴晶铸轧薄带织构的分析表明，等轴晶铸带具有强度较低、随机分布的织构。经冷轧和退火处理后，形成强烈的-纤维织构。为进行对比，在相同成分的连铸坯上切取等轴晶部分作为实验室热轧坯料，经热轧、冷轧和退火处理后，对试样的织构进行的分析发现，由铸坯切取的等轴晶坯料的冷轧成品，其主要织构出现在{228}<583>而不是典型的-纤维织构。尽管铸坯成品织构强度略高，但对成型性而言，显然不如铸带成品形成的-纤维织构。这些结果显示，铸轧工艺在控制铁素体不锈钢凝固组织方面具有天然优势，采用铸轧技术具有生产优质铁素体不锈钢的潜力，是提高铁素体不锈钢薄带成型性能的极佳途径。 
（3）采用铸轧技术生产难变形合金薄带。为解决新一代汽车结构材料－高锰TWIP和TRIP钢的难变形问题，探索了采用铸轧技术制备这类钢的薄带。实验结果表明，铸轧技术不仅可以解决热轧过程中出现的边裂问题，而且具有良好的力学性能，是解决这类难变形钢材生产的较好途径。镁合金为密排六方晶体结构，很难进行冷加工塑性变形，生产镁合金冷轧薄板一直是我国材料界攻关的课题。为解决这一难题，探索了采用双辊铸轧工艺直接制备1.5～3.0mm的镁合金薄带的技术。对铸带的组织观察发现，铸轧镁合金薄带的具有细小的等轴晶组织。由于铸带组织减少或消除了柱状晶，极大地提高了镁合金薄带的变形能力，单道次压下量达40％时未出现裂纹，实现了铸带的直接冷轧。 
3 创新性贡献 
①  发现P在低碳钢铸带中存在独特的偏析现象，在成分为0.05%C－0.3%P的铸带厚度方向上无偏析现象，而在0.16%C－0.3～0.7%P的铸带厚度方向存在P的表面负偏析现象。 
②  发现铸轧状态下铁素体不锈钢铸带的凝固组织具有可控性，提出了铸带凝固组织等轴晶比率在0～100％的浇注过热度控制方法，找到了具有100％等轴晶凝固组织铸带可提高产品成型性的原因。 
③  采用铸轧方法生产常规流程难以驾驭的材料更能够发挥亚快速凝固和近终型成形的优势，这一点与国外报道的产品定位有很大不同，已被行业接受并在铸轧技术研究中采用。 
4 国内外主要影响 
〔1〕2005和2006年连续获得国家重大基础研究规划（973）研究课题、自然科学基金重大、重点和面上项目（2项）以及宝钢前沿课题的研究资助，资金额度近1000万元。 
〔2〕有关铸轧薄带中P的表面负偏析现象的发现，引起了日本国立材料科学研究所（NIMS）首席科学家Nagai教授的关注，于2006年专程来实验室访问，建立了深入研究这种现象科学原因的双方合作意向。 
〔3〕有关铸轧薄带的产品定位，已经被国内同行接受并在相关的研究工作中采用。 
〔4〕在本领域主流学术期刊上发表论文50余篇，国际、国内专业会议特邀报告2次。从2003年至今，培养铸轧领域专门人才11人（博士后2人、博士研究生2人、硕士研究生7人），对我国铸轧技术的发展起到了推动作用。