薄帶連鑄界面熱流研究以及鋼帶相變與形變過(guò)程的原位觀察_圖文

1、上海交通大學(xué)博士后學(xué)位論文薄帶連鑄界面熱流研究以及鋼帶相變與形變過(guò)程的原位觀察姓名:梁高飛申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別:博士后專業(yè):材料加工工程指導(dǎo)教師:方園;孫堅(jiān)20070501 析了連鑄速度對(duì)熔池內(nèi)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)的影響以及流場(chǎng)與溫度場(chǎng)之間的相互影響,給出了凝固過(guò)程中熔池與鑄輥之間的熱流密度變化趨勢(shì)及隨鑄軋速度的變化規(guī)律。圖16為熔池與鑄輥的熱流密度從上到下沿接觸弧的變化,連鑄速度較慢時(shí),熔池與鑄輥接觸的時(shí)間長(zhǎng),鑄輥輥面的溫度較高。輥面與熔池之間的溫度梯度不大,故熔池與鑄輥的熱交換少,熱流密度較小。連鑄速度快時(shí),鑄輥與熔池的接觸時(shí)間短,輥面溫度較低,故熱流密度大。計(jì)算結(jié)果與Tavares等的試驗(yàn)結(jié)果(見(jiàn)圖1-

2、2吻合。 圖1.4定向凝固模擬器示意圖Fig.1-4Schematic representation of the unidirectional solidification assembly(mm圖1-5兩種工況下鋼液玲卻基體的換熱系數(shù)of the metal/coolant heat transfer coefficient for the two experimental cases Fig.1-5Behavior1.2.2界面熱流平均換熱系數(shù)薄帶連鑄過(guò)程中,各接觸點(diǎn)換熱系數(shù)是不同的,在對(duì)熔池?zé)醾鬏敂?shù)學(xué)計(jì)算過(guò)程中,8 后期,胞狀平面仍然存在擾動(dòng),二次枝晶開始在生長(zhǎng)界面前沿出現(xiàn),并在向液相

3、中快速推進(jìn)的同時(shí),在側(cè)向發(fā)生羊且化,最終發(fā)展為枝晶平面。Fe.0.2%C合會(huì)的先析出相為d相。其結(jié)晶方式、生長(zhǎng)界面與Fc一0.83%C合金中的初生T相完全不同。圖110表征了胞狀d.L界面推進(jìn)過(guò)程中;胞狀晶競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)的過(guò)程?？梢?jiàn),A、B、C均以胞狀生長(zhǎng),胞品問(wèn)距在26120m之間;5S后,胞晶A、C快速生長(zhǎng),粗化明顯,而同時(shí)介于兩者之間的胞晶B開始萎縮。 圖I-9Fe.0.83%C合金凝固過(guò)程中生長(zhǎng)界面的穩(wěn)定性Fig。19Stability ofgrowth interface during solidification ofFe-0.83%C alloy melt(aplanary-Linte

4、rface.(bperturbationsdeveloping atthe3'-Linterface a5thegrowth ratewas increased,(ccell array formed,(dcoarsening of secondary dendrite奧氏體不銹鋼對(duì)于鋼鐵材料凝固中常見(jiàn)的“卜Y包晶反應(yīng),Mcdonald掣3驂1J通過(guò)比較Fe.C、Fe-Ni、Fe.Cr-Ni合金的凝固過(guò)程發(fā)現(xiàn),d/L/7三相交界處的推進(jìn)速率隨著過(guò)冷度的增大而提高;反應(yīng)初期,丫相沿d/L界面生長(zhǎng);Fc.c合金中的丫相生長(zhǎng)速率大于Fc.Ni 合金中的T相,而與FeCr-Ni合

5、金中的丫相相當(dāng),表明包晶反應(yīng)率由Ni原子擴(kuò)散控制。 圖1.10Fc-o.2%c合金凝固過(guò)程中胞狀晶的競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)Fig.110Competitiw growth ofcells during solidification ofFe-0.2%C alloy melt(acellular crystals grown。(bthinning of cellular crystal B1.3.2固態(tài)相變低碳鋼中的d_吖相變與界面穩(wěn)定性低碳鋼d÷吖固態(tài)相變過(guò)程中,d/T界面的穩(wěn)定性影響著Y相的形態(tài)、分布、數(shù)量等,并決定低碳鋼的力學(xué)性能,因此有必要了解該相變的動(dòng)力學(xué)行為。CSLM原位觀

6、察發(fā)現(xiàn)15l,d一r相變過(guò)程中,丫相優(yōu)先在d相三叉晶界處形核,初始丫晶體傾向于沿d晶界擴(kuò)展,從而形成T晶薄片;另外,d一生長(zhǎng)界面形態(tài)為拇指狀,在低過(guò)冷度下, d/丫界面沿d晶界推進(jìn);而在過(guò)冷度較大時(shí),dA界面甚至可以推進(jìn)至d相基體中。與d一7相變過(guò)程完全不同,低碳鋼升溫過(guò)程中,在不存在外部干擾的情況下,Yd 相變中的d/T界面一直保持平面狀或者彎曲輪廓。d/丫界面的形態(tài)與材料的過(guò)熱度、d 晶粒大小、d/T界面的遷移速率以及擴(kuò)散場(chǎng)無(wú)關(guān)。7一d相交與dT相變中d一界面穩(wěn)定性的明顯差異,主要與溶質(zhì)原子的熱擴(kuò)散有關(guān),其機(jī)理可以借鑒凝固中的經(jīng)典成分過(guò)冷理論予以解釋。低碳鋼d相的自修復(fù)結(jié)構(gòu)在

7、近終形制造工藝中,鋼鐵材料的雙輥薄帶連鑄一直是冶金界百年來(lái)追求的目14 第二章研究方法與擻術(shù)路線圖像,并且由于其光源為激光,單色性好,成像聚焦后焦深小,縱向分辨率高,可無(wú)損地對(duì)樣品作不同深度的層掃描和熒光強(qiáng)度測(cè)量,不同焦平面的光學(xué)切片經(jīng)三維重建后得到樣品的三維立體結(jié)構(gòu)。顯微成像系統(tǒng)IIJ包括一個(gè)高質(zhì)量的白光顯微鏡,可以產(chǎn)生彩色視頻圖像,作為表面檢測(cè)的輔助手段。當(dāng)光學(xué)顯微鏡或與CSLM接口的其它表面檢測(cè)工具搜索到需要檢測(cè)的區(qū)域后,計(jì)算機(jī)坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件能自動(dòng)移動(dòng)X-Y平臺(tái)使其到CSLM視場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行詳細(xì)觀察。Lasertec共焦激光掃描顯微鏡可提供極大的景深與高分辨率的實(shí)時(shí)圖像,從而原位觀測(cè)加熱(冷卻和

8、高溫拉伸過(guò)程中材料組織的變化。同時(shí),采用聲光偏轉(zhuǎn)設(shè)備,在高速率掃描獲得高質(zhì)量圖像的同時(shí),對(duì)樣品的熱破壞降至最低,同時(shí)還提供了慢掃描功能來(lái)提高靈敏度。 1.Metallurgy furnace2.Microscope3.Tensile fumace4.Protective air system5.Circularwater system6.Worktahie7.Vacuum pump8.Temperature control system9.Computer10.Tensile control systemmonitor11.Image圖2-3寶銅共焦激光掃描顯微鏡系統(tǒng)組成圖CSLM of Ba

9、osteelFig.2-3Arrangement diagram of金相加熱爐與拉伸加熱爐均采用紅外燈管(1.5KW,100V聚焦加熱,爐身為橢圓形鏡面(鍍金密封結(jié)構(gòu)。其中,對(duì)于金相加熱爐,有效加熱區(qū)域:奪10x10鋤,加熱溫度范圍:5016000C,最大加熱速率:300oC/rain;對(duì)于拉伸加熱爐,有效加熱區(qū)域:巾10xS0mm,加熱溫度范圍:5012000C,最大加熱速率:300oC/min;兩爐保溫時(shí)溫度起伏在±1oC之間,由溫控系統(tǒng)控制并實(shí)時(shí)監(jiān)視。利用溫控系統(tǒng),可以在試驗(yàn)前預(yù)先設(shè)定材料的加熱與冷卻曲線,研究加熱與冷卻速率對(duì)材料相變與顯微組織演化的影確規(guī)律;并可以在整個(gè)實(shí)驗(yàn)

10、過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)控溫度。圖像監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用于實(shí)時(shí)觀察材料自由面微觀組織的變化規(guī)律,并輸入至微機(jī)系統(tǒng)中。微機(jī)系統(tǒng)為mM高性能大容量計(jì)算機(jī),由于CSLM試驗(yàn)需要將圖像連續(xù)記錄在視頻文件中,因此要求微機(jī)運(yùn)算速率較高,存儲(chǔ)容量很大,硬盤耗費(fèi)量為4.7M/s。寶銅股份研究院上海交通大學(xué)博士后出站報(bào)告保護(hù)氣系統(tǒng)供應(yīng)給金相加熱爐與拉伸加熱爐持續(xù)氣流,保護(hù)氣為高純氬氣、氬氣+氦氣等,具體種類由CSLM試驗(yàn)要求和目的決定。由于CSLM試驗(yàn)大都在高溫下進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間,囡j比需要冷卻會(huì)相加熱爐與拉伸加熱爐,該工作通過(guò)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)完成。拉伸器控制系統(tǒng)設(shè)定材料的拉伸速率,結(jié)合溫控系統(tǒng),可以測(cè)定不同溫度、不同拉伸速率下材料的應(yīng)力

11、.應(yīng)變曲線,并利用圖像檢測(cè)以及微機(jī)系統(tǒng),原位觀察拉伸過(guò)程中材料組織的演化。2.2雙輥薄帶連鑄數(shù)值模型薄帶連鑄熔池由兩異向旋轉(zhuǎn)的結(jié)晶輥、布流器【2】、側(cè)封板包圍而成。本文只對(duì)熔池建模,如圖2-4所示,并作以下假設(shè)。(1水口寬度等于鑄輥寬度,采用絕熱的側(cè)封,故整個(gè)結(jié)晶輥長(zhǎng)度方向上鋼水布流均勻且沒(méi)有沿結(jié)晶輥長(zhǎng)度方向的流動(dòng),將可忽略邊緣效應(yīng),簡(jiǎn)化為二維模型;(2鋼水在凝固以后,仍然具有流動(dòng)特性,只是其自身粘度大大增加。這樣可以將固體按照流動(dòng)特性進(jìn)行分析,而不影響其傳熱:(3結(jié)晶輥附近的鋼液與結(jié)晶輥無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng),換熱界面為移動(dòng)邊界,在此界面上施加結(jié)晶輥線速率:(4忽略熔體與布流器壁的熱量傳輸;(5忽略Ki

12、ss點(diǎn)至出帶口段,軋制對(duì)界面熱流密度的影響;(6布流器兩入口處澆鑄溫度相同,流體速度對(duì)稱。 圖2-4寶鋼雙輥薄帶連鑄熔池示意圖Hg.2.4Schematic diagram of the twin-roll strip caster of BaosLcel 第三章薄帶連鑄熔池鑄輥界面熱流與凝固組織特征軋制作用,而Tavares等試驗(yàn)中出現(xiàn)的第二峰是由糊狀枝晶對(duì)凝固殼的壓力所致,故該界面?zhèn)鳠崮M裝置不可能獲得雙峰現(xiàn)象。操作參數(shù)的控制鋼液-銅塊瞬態(tài)接觸界面熱流密度僅考慮幾百毫秒內(nèi)的數(shù)據(jù),并且熱流密度在這段時(shí)間內(nèi)變化幅度非常大,因此對(duì)試驗(yàn)的精度要求極高。然而,本系統(tǒng)存在許多不確定的環(huán)境

13、影響因素,容易對(duì)試驗(yàn)的最終結(jié)果帶來(lái)很大的誤差。因此,對(duì)影響界面熱流密度的實(shí)驗(yàn)操作因素進(jìn)行分析研究,量在實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)過(guò)程的有效控制。(1接觸時(shí)間銅塊與鋼水不同接觸時(shí)間對(duì)熱流密度的影響,如圖3.2所示?？梢?jiàn),隨著接觸時(shí)間的增加,所測(cè)定的熱流密度逐漸增大,達(dá)到最大熱流所需的時(shí)間為o.5s,這是由于鋼液的凝固潛熱較大,在極短的接觸時(shí)間內(nèi),銅試樣塊上的熱流沒(méi)有達(dá)到最大值便停止接觸。因此,試驗(yàn)中接觸時(shí)間控制在0.5s左右。 圖3-:2接觸時(shí)間對(duì)界面熱流密度的影響Fig.3-2Effect ofcontact time on the interface beat flux(2插入深度圖3.4為插入深度對(duì)熱流密

14、度的影響規(guī)律。可見(jiàn),在淺插入時(shí),熱流密度很小,而全部插入鋼水后,熱流密度達(dá)到最大值,這是由于當(dāng)鋼液面沒(méi)有完全浸沒(méi)銅塊時(shí),熟電偶所在的部位不是一維導(dǎo)熱,導(dǎo)致兩根熱電偶直接的溫度差交小,從而不能真實(shí)地反映出界面的熱流密度。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中為保證獲得相同的傳熱條件,應(yīng)該將試樣塊完全浸沒(méi)于鋼液中。 第三章薄帶連鑄熔澎鑄輥界面熱流與凝固組織特征因此,圖3-9中200ms內(nèi)的測(cè)定數(shù)據(jù)對(duì)于實(shí)際工況具有參照意義。(2過(guò)熱度圖3.10為在0.116%Si硅鋼在不同過(guò)熱度下,距離界面O.5mm處的熱電偶所測(cè)定的溫度曲線。可見(jiàn),雖然鋼液過(guò)熱度存在很大差異,但升溫曲線基本相同,表明過(guò)熱度對(duì)界面熱流密度沒(méi)有影響。3.1.2

15、銅片系統(tǒng)圖3.加過(guò)熱度對(duì)界面熱流密度的影響規(guī)律Fig.310Effect of superheating oilthe interface heat flux銅塊系統(tǒng)可以定性得到工藝參數(shù)對(duì)界面熱流密度的影響規(guī)律,但不能得到定量結(jié)果。為此,本節(jié)設(shè)計(jì)了可以測(cè)定界面熱流密度的銅片系統(tǒng),結(jié)構(gòu)示意圖如圖2.2(b所示。集總參數(shù)法當(dāng)固體內(nèi)部的導(dǎo)熱熱阻遠(yuǎn)小于表面的換熱熱阻時(shí),固體內(nèi)部的溫度趨于一致,可以認(rèn)為整個(gè)固體在同一瞬間均處于同一溫度下。各點(diǎn)溫度僅是時(shí)間的一元函數(shù)而與坐標(biāo)無(wú)關(guān),固體原來(lái)連續(xù)的質(zhì)量和熱焓可匯總于一點(diǎn),具有一個(gè)溫度值。這種忽略物體內(nèi)部熱阻的方法稱為集總參數(shù)法。由式(3.6可得:

16、殘。生蘭(3.121/h式中,d為銅片厚度?？梢?jiàn),研可反映固體內(nèi)部單位導(dǎo)熱面積上熱阻與單位表 面積上換熱熱阻(即外部熱阻之比。歷越小,意味著內(nèi)部熱阻越小或外部熱阻越 第三章薄帶連鑄熔池喵輥界面熱流與凝固組織特征圖3.14薄帶連鑄AISl304不銹鋼界面熱流密度Fig.3-14Interface heat flux ofstrip castAISl304stainless steel calculated3.2.2薄帶連鑄凝固與組織特征二圖3.15為寶鋼薄帶連鑄三角熔池的組織形貌。由宏觀形態(tài)可見(jiàn),沿鋼液.鑄輥界面,在點(diǎn)A(2/3左右之前凝固殼非常薄,點(diǎn)A之后界面處出現(xiàn)明顯的凝固殼,微觀組織表明凝

17、固殼為柱狀晶層。因此,雙輥薄帶連鑄過(guò)程中,凝固殼并非均勻生長(zhǎng),而在界面處存在臨界點(diǎn),超過(guò)該點(diǎn)后凝固殼突然增厚。圖3.15薄帶連鑄三角熔池組織Fig.315Morphologyofthetrmglemeltpoolofstrip casting40寶鋼股份研究院上海交通大學(xué)博士后出站報(bào)告圖316為薄帶連鑄流場(chǎng)與溫度場(chǎng)分布圖?？梢?jiàn),薄帶連鑄過(guò)程中,在熔池下部存在兩個(gè)渦流區(qū),鑄輥表面處的鋼液分兩路:一部分繼續(xù)向出帶口運(yùn)動(dòng),另一部分則自下而上運(yùn)動(dòng)。薄帶凝固組織的很多特點(diǎn)都與渦流區(qū)息息相關(guān)。熔池為三角狀,越向下雙輥之間熔池越小,并且多余的鋼液以渦流方式返回至熔池上方,總體熱容量快速下降,鋼液快速凝固、增厚,因此,凝固殼生長(zhǎng)存在一臨界增厚點(diǎn),如圖3.15所示。 圖3.16薄帶連鑄流場(chǎng)與溫度場(chǎng)分布Fig.316Fluid and temperature fields ofstrip casting另外,由圖3.15可見(jiàn),左側(cè)凝固殼明顯厚于右側(cè)殼。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,兩結(jié)晶輥以及通水措施的設(shè)計(jì)完全相同,因此可以認(rèn)為冷卻能力相同。對(duì)于兩側(cè)凝