基于目标等轴晶尺寸和比例的钢连铸坯凝固组织细化方法技术

本发明专利技术涉及钢铁冶金技术领域，提供了一种基于目标等轴晶尺寸和比例的钢连铸坯凝固组织细化方法，应用于钢铁冶金流程，对某一成分合格的钢水，在炼钢过程中按照对应工况参数下的目标等轴晶比例和尺寸，在冶炼、精炼、连铸流程中的一处或多处节点加入指定量的一种或多种变质元素，将含有变质元素的钢水浇铸成坯即可实现对其凝固组织细化。所述方法的改善机理为：加入变质元素后生成指定类别的粒子，其作为钢凝固时非均质形核基底，提高铸坯芯部的形核密度，调控等轴晶的尺寸和比例。本发明专利技术从根本上实现钢连铸坯凝固组织的量化调整，可提高钢连铸坯凝固组织的均质性和致密度，改善凝固偏析、疏松、缩孔等缺陷，有利于提高钢的加工性能和使用性能。

Refining method of solidification structure of steel continuous casting slab based on target equiaxed crystal size and proportion

【技术实现步骤摘要】
基于目标等轴晶尺寸和比例的钢连铸坯凝固组织细化方法
本专利技术涉及钢铁冶金
，特别涉及一种基于目标等轴晶尺寸和比例的钢连铸坯凝固组织细化方法。
技术介绍
钢是国民生活中最广泛应用的材料之一，在我国经济、军事、国防、运输、通讯、土建等方方面面均起到了不可替代的作用。我国是世界上粗钢产量最多的国家，且目前仍呈现逐年上涨趋势，高端钢材开发和制备仍在工业结构用材中占有关键比重。随着二次精炼和保护浇铸等技术的深入发展和大力推广，目前国内钢材产品的纯净度已基本达到甚至超过国际先进水平。然而，由于凝固组织缺陷造成的均质性和致密度问题是影响高端钢材质量稳定性的关键！由于连铸冷却的特殊性，大多钢连铸坯的等轴晶比例小且尺寸粗大，各向异性严重，且存在显著的溶质偏析，直接影响产品的加工性能和服役性能。钢连铸坯中的组织和成分缺陷难以在热加工和热处理工序中彻底消除，影响产品使用寿命。如何细化连铸坯凝固组织成为提高其基体均质性的关键，相关研究已引起国内外学者和企业的广泛关注。随着氧化物冶金技术的长足发展，基于调控第二相粒子的结构和尺寸来开发其有益冶金功能已取得一定成果，这同时为通过在炼钢流程中添加变质元素来细化钢连铸坯的凝固组织提供了可能。变质元素的凝固组织细化作用主要体现在其对非均匀形核的贡献上，变质元素加入钢液后与O、S、N、P等元素反应生成高熔点化合物粒子，当这些化合物粒子的某些晶面与钢凝固初生相晶格错配度在一定范围内时，其可作为钢凝固形核基底，由此可通过调控粒子数量和尺寸实现对钢连铸坯等轴晶尺寸和比例的量化调整。通常，变质粒子尺寸为1×10-6～5×10-6m时，其非均质形核潜力最大，对钢连铸坯凝固等轴晶尺寸和比例的调控作用最强，且需要的加入量也比较少。与已有的超声、电场、磁场、电磁脉冲等技术相比，材料和设备成本低、对现场空间和操作的要求少，本专利技术具有广阔的市场前景。类似专利检索。已公开的关于钢连铸坯凝固组织细化的专利是申请人提交的专利技术专利《一种高锰钢连铸坯凝固组织细化的方法》，申请号：201910492147.X。本专利技术专利上述区别是：1.已公开专利对形核剂加入量的没有提供计算方法，而本专利提供了详细的计算思路和过程；2.已公开专利将形核剂仅限定于镧La、铈Ce和钇Y的一种或多种组合，而本申请提供了可以作为钢连铸坯凝固形核剂的25种元素及更多种组合；3.已公开专利未列出形核剂的选择方法，本专利给出了变质元素的择优选取的步骤；4.已公开专利仅针对高锰钢(Mn：5～30wt％)，本专利中锰的成分范围是0～5wt％，二者无重合，且两专利中碳、硅、铝、钼、铬、镍、铜、磷、硫、铌、钒、硼、钨、氧、氮等元素含量范围不同。
技术实现思路
本专利技术的目的就是克服现有技术的不足，提供了一种基于目标等轴晶尺寸和比例的钢连铸坯凝固组织细化方法，实现对常见钢种连铸凝固质量的精准、可控调整。本专利技术采用如下技术方案：一种基于目标等轴晶尺寸和比例的钢连铸坯凝固组织细化方法，按照对应工况参数下的目标等轴晶尺寸和比例确定变质元素的加入量，并在炼钢过程中冶炼、精炼、连铸流程中的一处或多处节点加入所述变质元素，即可实现对钢连铸坯凝固组织的细化。进一步的，所述目标等轴晶尺寸在10-5～10-3m之间，目标等轴晶比例在0～100％之间；所述目标等轴晶比例定义为等轴晶面积/铸坯横剖面积。进一步的，所述变质元素的加入量通过如下方法确定：S1：根据质量控制要求确定目标等轴晶尺寸r0和目标等轴晶比例δ0；S2：根据连铸坯横剖面宽度W和厚度D计算单位长度下等轴晶区体积V0：V0＝W·D·δ0；S3：将等轴晶近似为球形，求出等轴晶区内对应目标等轴晶尺寸r0下的等轴晶数量n0：S4：设某一流程下等轴晶基于变质粒子进行非均质形核的理论效率为η(η为钢水温度T的函数)，则需要变质粒子数N0为：S5：变质粒子的密度为ρ0，其化合物中变质元素的质量分数为ω0，设粒子为球形且半径为r，则需要变质元素的重量m0为：S6：设该流程下变质元素加入时的收得率为ξ0，铸坯密度为ρ(ρ为钢水温度T的函数)，则单位质量钢变质元素实际加入量m为：S7：若冶炼、精炼、连铸等流程节点中加入变质元素分别为m1、m2和m3，则满足：m1+m2+m3＝m，且m1≥0、m2≥0、m3≥0；设单位炉次的钢水重量为w，则变质元素的单炉加入总量Q＝m·w；上述步骤S1-S7的顺序不固定。进一步的，所述工况参数包括钢种成分、钢水温度、钢水重量、流程节点、变质元素收得率等。进一步的，所述变质元素为稀土元素(镧La、铈Ce、镨Pr、钕Nd、钷Pm、钐Sm、铕Eu、钆Gd、铽Tb、镝Dy、钬Ho、铒Er、铥Tm、镱Yb和镥Lu)、钪Sc、钇Y、铪Hf、锆Zr、钛Ti、钽Ta、镁Mg、钙Ca、锶Sr、钡Ba中的一种或多种的组合。进一步的，所述变质元素的择优选取方法为：S1：根据热/动力学数据库预测变质元素加入钢液之后的高温物理化学反应，确定稳定的化学产物；S2：对比变质元素产物熔点与钢液相线温度的差异，当且仅当变质元素产物熔点高于钢的液相线温度时才可能有非均质形核潜力；S3：对比变质元素产物密度与钢液密度差异，优先选择变质元素产物密度与钢液密度差小的变质元素来细化该钢连铸坯的凝固组织；S4：计算变质元素产物的低指数晶面与钢初生相的低指数晶面之间的错配度，优先选择二者之间错配度小的变质元素来细化该钢连铸坯的凝固组织；S5：考虑其他因素的影响，如材料购买、运输、储藏及其安全性等；上述步骤S1-S4的顺序不固定。进一步的，钢的成分为：碳C：0～2.0wt％，硅Si：0～20.0wt％，锰Mn：0～5.0wt％，铝Al：0～15wt％，钼Mo：0～30wt％，铬Cr：0～30wt％，镍Ni：0～20wt％，铜Cu：0～10.0wt％，磷P：0～1.0wt％，硫S：0～1.0wt％，铌：0～10.0wt％，钒V：0～10.0wt％，硼B：0～5.0wt％，钨W：0～10.0wt％，氧O：0～1.0wt％，氮N：0～5.0wt％，氢H：0～0.1wt％，其余为铁Fe和不可避免杂质。进一步的，加入的所述变质元素为单质，或化合物，或单质加化合物。进一步的，所述变质元素加入时的状态为粉末状、颗粒状、块状、线状、条带状或包芯线中一种或多种的组合。进一步的，所述钢连铸坯的断面为圆坯、板坯、方坯、矩形坯或异形坯。本专利技术对钢连铸坯凝固组织细化的改善机理为：加入变质元素后生成指定类别的粒子，其作为钢凝固时非均质形核基底，提高铸坯芯部的形核密度，调控等轴晶的尺寸和比例。本专利技术的有益效果为：可提高钢连铸坯凝固组织的均质性和致密度，改善凝固偏析、疏松、缩孔等缺陷，有利于提高钢的加工性能和使用性能；实现了对常见钢种连铸凝固质量的精准、可控调整，同时考虑了炼钢过程中不同节点位置加入的灵活性、各异本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于目标等轴晶尺寸和比例的钢连铸坯凝固组织细化方法，其特征在于，按照对应工况参数下的目标等轴晶尺寸和比例确定变质元素的加入量，并在炼钢过程中冶炼、精炼、连铸流程中的一处或多处节点加入所述变质元素，即可实现对钢连铸坯凝固组织的细化。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于目标等轴晶尺寸和比例的钢连铸坯凝固组织细化方法，其特征在于，按照对应工况参数下的目标等轴晶尺寸和比例确定变质元素的加入量，并在炼钢过程中冶炼、精炼、连铸流程中的一处或多处节点加入所述变质元素，即可实现对钢连铸坯凝固组织的细化。


2.如权利要求1所述的基于目标等轴晶尺寸和比例的钢连铸坯凝固组织细化方法，其特征在于，所述目标等轴晶尺寸在10-5～10-3m之间，目标等轴晶比例在0～100％之间；所述目标等轴晶比例定义为等轴晶面积/铸坯横剖面积。


3.如权利要求1所述的基于目标等轴晶尺寸和比例的钢连铸坯凝固组织细化方法，其特征在于，所述变质元素的加入量通过如下方法确定：
S1：根据质量控制要求确定目标等轴晶尺寸r0和目标等轴晶比例δ0；
S2：根据连铸坯横剖面宽度W和厚度D计算单位长度下等轴晶区体积V0：
V0＝W·D·δ0；
S3：将等轴晶近似为球形，求出等轴晶区内对应目标等轴晶尺寸r0下的等轴晶数量n0：



S4：设某一流程下等轴晶基于变质粒子进行非均质形核的理论效率为η，η为钢水温度T的函数，则需要变质粒子数N0为：



S5：变质粒子的密度为ρ0，其化合物中变质元素的质量分数为ω0，设粒子为球形且半径为r，则需要变质元素的重量m0为：



S6：设该流程下变质元素加入时的收得率为ξ0，铸坯密度为ρ，ρ为钢水温度T的函数，则单位质量钢变质元素实际加入量m为：



S7：若冶炼、精炼、连铸等流程节点中加入变质元素分别为m1、m2和m3，则满足：m1+m2+m3＝m，且m1≥0、m2≥0、m3≥0；设单位炉次的钢水重量为w，则变质元素的单炉加入总量Q＝m·w；
上述步骤S1-S7的顺序不固定。


4.如权利要求1所述的基于目标等轴晶尺寸和比例的钢连铸坯凝固组织细化方法，其特征在于，所述工况参数包括钢种成分、钢水温度、钢水重量、流程节点、变质元素收得率。


5.如权利要求1-4任一项所述的基于目标等轴晶尺寸和比例的钢连铸坯凝固组织细化方法，其特征在于，所述变质元素为稀土元素镧La、铈Ce、镨Pr、钕Nd、钷P...

【专利技术属性】
技术研发人员：兰鹏，张家泉，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京;11