350km/h高速轨连铸坯凝固微观组织控制研究

摘要

近年来，随着我国铁路行车速度的不断提高，提升行车的安全性、改善高速轨用钢的钢材性能至关重要。而提高连铸坯质量是保证钢材性能的重要前提，因此，研究铸坯凝固机理，分析铸坯凝固的微观组织生长和演变过程，对优化连铸现场工艺具有重大意义。 本文以国内某钢厂高速轨U75V钢连铸方坯为研究对象，宏观低倍检验和金相实验为基础，使用数值模拟技术，模拟了国内某钢厂高速轨U75V钢连铸大方坯凝固微观组织结构，分析归纳了铸坯微观凝固组织生长行为和演变规律，探讨了连铸工艺参数对铸坯组织的影响，主要研究内容和取得的主要成果如下: (1)高速轨U75V钢连铸方坯从结晶器至距弯月面20m处，宽面中心各区出口温度分别为1064.7、970.6、975.4、922.7、919.1、898.6和863.3℃，窄面中心各区出口温度分别为1012.9、941.7、964.1、914.3、883.1、837.3和797.3℃。在完全凝固之前，由于凝固潜热对热量损失的补充，铸坯中心温度下降趋势较为平缓，而在完全凝固之后温度急剧下降。 (2)在连铸过程中，铸坯截面温度从中心向表面逐渐降低趋势，且温度梯度随之增大，同时由于铸坯角部二维传热，热量散失较快，温度最低。随着离结晶器弯月面距离的增加，方坯液相等温线和固相等温线逐渐向方坯中心移动，液相等温线在7.2m处消失，固相等温线在15.6m处消失。 (3)当过热度条件分别为15、25、35℃时，U75V钢方坯轴向CET位置向表面从27.8m移动到45.2、63.3mm处，柱状晶平均面积分别为0.84、1.05、1.26mm2，柱状晶平均半径分别为0.44、0.54、0.61mm;当拉速分别为0.68、0.75、0.82m/min时，U75V钢方坯轴向CET位置向表面从45.2mm移动到44.1、42.7mm处，柱状晶平均面积分别为2.59、2.45、2.35mm2，柱状晶平均半径分别为0.69mm、0.66、0.65mm;当二冷比水量从0.2211/kg分别增加至0.240，0.2731/kg时，U75V钢方坯轴向CET位置分别为40.7、45.2和47.7mm处，柱状晶平均面积分别为2.13、2.59和2.76mm2，柱状晶平均半径分别为0.57、0.69和0.78mm;当结晶器内水流量从2700L/min增加至3000L/min、3300L/min时，U75V钢方坯轴向CET位置分别为39.3、45.2和58.9mm处，柱状晶平均面积分别为2.33、2.59和2.76mm2，柱状晶平均半径分别为0.65、0.69和0.76mm。 (4)结合前人研究，提出新的物性参数，PP=D/mC0(k-1)Γ，模拟不同碳当量情况下钢方坯凝固组织，并通过多项式拟合得到铸坯等轴晶率与参数PP的关系式:rE=0.86-1.28×102·PP-2.42×104·PP2。 (5)使用低倍腐蚀技术可以使铸坯表面呈现清晰的枝晶结构。统计各晶区宽度，其中宽面各区长度分别为:柱状晶区43mm、混晶区29mm、等轴晶区118mm，窄面各区长度则为:柱状晶区39mm、混晶区32mm、等轴晶区69mm。铸坯等轴晶率约为34.6％。利用同样的方法检验了铸坯的宏观缺陷，本实验中经检测的铸坯样主要存在中间裂纹、中心偏析以及中心疏松和缩孔等缺陷。 (6)使用饱和苦味酸溶液在70℃水浴下最佳腐蚀时间为7秒。随着距铸坯边缘距离的增加，一次枝晶间距逐渐增大，二次枝晶臂间距先增大，后有所减少。比较二次枝晶臂间距的测量值与模拟值，发现实际测量值比模拟结果稍大，这可能是因为实际连铸过程冷却强度比模拟值稍弱。 (7)枝晶实际最优生长方向并不与铸坯表面垂直，而是存在一定偏移角，柱状晶生长在水平方向的偏移角α可能与电磁搅拌作用力有关，而垂直方向的偏移角β可能与拉速、电磁搅拌等引起的钢液的流动有关。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1引言

1．2研究现状

1．2．1重轨钢连铸生产现状

1．2．2连铸凝固微观组织生长与演变

1．2．3连铸凝固微观组织数值模拟研究

1．3研究内容及意义

1．3．1研究内容

1．3．2研究意义

第2章高速轨U75V钢连铸凝固数值模拟

2．1高速轨U75V钢连铸凝固传热模拟

2．1．1研究对象

2．1．2模型建立

2．1．3求解条件

2．1．4参数选取

2．1．5模拟结果

2．2高速轨U75V钢连铸凝固微观组织数值模拟

2．2．1模型建立

2．2．2宏微观耦合模拟

2．2．3模拟结果及验证

第3章高速轨U75V钢连铸工艺研究与改进

3．1过热度对凝固组织影响

3．2拉速对凝固组织影响

3．3比水量对凝固组织影响

3．4结晶器冷却强度对凝固组织影响

3．5碳当量对凝固组织影响

3．6本章小结

第4章高速轨U75V钢连铸坯凝固组织试验检测

4．1连铸坯宏观低倍检验

4．1．1实验装置设计

4．1．2低倍检验实验

4．2枝晶腐蚀

4．2．1腐蚀剂与腐蚀时间

4．2．2枝晶生长

第5章结论

参考文献

致谢

文中包含图、表、公式及文献