连铸结晶器速度调节对板坯结晶结构的影响.pdf
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1、第 2 期连铸结晶器速度调节对板坯结晶结构的影响王雄文(南京钢铁股份有限公司,江苏 南京210035)冶 金 与 材 料Metallurgy and materials第 44 卷 第 2 期2024 年 2 月Vol.44 No.2Feb.2024摘要:随着现代工业对高性能金属材料需求的不断增长,板坯的结晶结构优化成为提高材料性能的重要课题。在此背景下,连铸结晶器的速度调节作为一种关键工艺参数,对板坯的微观结构形貌产生深远影响。文章旨在深入探讨速度调节在连铸结晶过程中的原理和方法,并系统研究其对板坯结晶结构的影响机制,为优化材料性能提供理论基础。通过对速度调节的细致分析,力求揭示其在晶粒形状
2、、晶界分布等方面的微观调控效果,以期为工业应用中的结晶结构精细调控提供可行的优化策略。关键词:连铸结晶器;速度调节;板坯结晶结构;材料性能作者简介:王雄文(1981),男,湖南安化人,主要研究方向:连铸凝固理论。1连铸结晶器速度调节的原理和方法1.1速度调节原理在连铸过程中,速度调节是通过改变板坯的冷却速度,从而影响结晶组织形成的关键工艺参数。速度调节的原理基于传热学和热力学,其核心在于通过调整板坯的冷却速率,控制板坯内部温度分布,从而影响晶粒的生长行为。通过调节速度,可以改变板坯内部的温度梯度,进而影响凝固过程中晶粒的形成和发展。高速冷却通常促使细小晶粒的形成,而相对较慢的冷却则有助于生成较
3、大的晶粒。这一原理为调控板坯结晶结构提供了关键手段。1.2常见的速度调节方法速度调节的方法多种多样,其中包括但不限于变化结晶器出口速度、调整冷却水量、控制结晶器下游冷却区温度等。变化结晶器出口速度是一种常用的速度调节手段,通过改变板坯在结晶器中的通过速度,调整晶粒的形貌和尺寸。此外,通过调整冷却水量,可以实现对板坯冷却速度的精确控制,进而影响晶粒的生长速率。结晶器下游冷却区温度的调控则可以通过控制结晶器出口板坯的温度分布,从而对结晶结构产生影响咱1暂。2板坯结晶结构及其影响因素2.1板坯结晶结构特征板坯的结晶结构是指材料在凝固过程中形成的晶粒形状、晶界分布、晶粒尺寸和取向等微观特征,如表1。这
4、些结构特征直接影响着材料的力学性能、导热性能以及其他关键物理化学性质。晶粒形状是结晶结构的基本特征之一,不同的晶粒形状与晶粒的取向分布密切相关。板坯中晶界的分布对材料的塑性变形、断裂行为以及疲劳性能产生显著影响。此外,晶粒尺寸和取向均决定了材料的终端应用性能,如板坯用于汽车结构时的强度和韧性等。描述等轴晶、柱状晶、板状晶等清晰、弯曲、密集或稀疏等平均晶粒尺寸,可能有范围或分布的统计参数晶粒的生长方向和取向分布,包括各向同性或各向异性是否均匀分布或存在一定方向性结晶结构特征晶粒形状晶界分布晶粒尺寸晶粒取向晶界取向表 1结晶结构特征2.2结晶结构对材料性能的影响板坯的结晶结构对材料性能产生直接而深
5、刻的影响。晶粒形状决定了材料的表面形貌和晶体取向,进而影响了材料的机械性能,如强度和硬度。例如,具有等轴晶结构的板坯往往表现出较好的塑性,适用于要求较高韧性的应用场景。晶界的分布对材料的断裂机制和断裂路径有显著影响,对于防止裂纹扩展和提高材料抗拉强度具有重要作用。晶粒尺寸和取向的优化可调控材料的导电性和导热性,对电子器件和高温应用具有重要意义。2.3其他影响因素简介在板坯的结晶过程中,除了速度调节外,还存在着多种影响结晶结构的因素,这些因素相互作用,共同塑造着最终的晶粒形貌和板坯性能。温度是影响结晶组织的关键因素之一,不同温度条件下的凝固速率会直接影响晶粒的生长速率和晶界形貌。此外,浇铸工艺参
6、数也是影响板坯结晶结构的重要因素,如浇注速度、浇注温度和板坯的凝固路径,均会对晶粒尺寸、取向以及晶粒的分布产生影响。19冶金与材料第 44 卷在板坯结晶过程中,合金成分也扮演着重要角色。合金成分的变化会改变板坯的凝固行为,从而影响晶粒的形成和发展。合金元素的添加或调整可导致晶粒形貌的变化,对板坯的力学性能、化学性质以及其在特定应用场景中的适用性产生重要影响。这些因素相互交织、互相影响,在结晶过程中共同作用,形成了板坯最终的结晶结构特征。3连铸结晶器速度调节对板坯结晶结构的影响3.1速度调节对结晶组织形貌的影响3.1.1晶粒形状的变化在高速冷却条件下,例如冷却速度达到 10mm/s 以上,板坯内
7、部的冷却速率迅速增加,导致晶粒生长速度加快。此条件下,晶粒呈现出更为均匀的等轴晶形态,其平均直径可能降至 20滋m 以下。相比之下,在较慢的冷却速度条件下(约 1mm/s),晶粒生长相对缓慢,晶粒尺寸可能增大到几百微米。这种速度调节所带来的晶粒形状的变化在显微镜下清晰可见,从而实现了晶粒尺寸的微观调控,如表 2。表 2不同冷却速度下晶粒的尺寸和形状冷却速度 mm/s1050100平均晶粒尺寸/滋m1005020晶粒形状柱状晶混合等轴晶等轴晶晶粒形状的演变直接关联着材料的力学性能和变形行为。细小的等轴晶结构通常表现出较高的韧性,这意味着材料在受力时更容易发生塑性变形而不容易发生断裂。相反,柱状晶
8、结构可能对材料的强度提供更大的贡献,使其更适用于一些对抗拉强度要求较高的应用场景。因此,通过调整连铸结晶器速度,实现晶粒形状的有序变化,为满足不同工程领域对材料性能的多样需求提供了有利的技术手段。3.1.2晶界的分布变化速度调节还会显著影响晶界的分布特征。在高速冷却条件下,晶粒生长速度加快,晶粒边界形成更多,晶界密度增大。例如,冷却速度达到 100mm/s 时,板坯中的晶界密度可能超过 500 个/mm2。这样的高密度晶界使得晶界之间的距离更为接近,晶界分布更为密集。相比之下,低速冷却则导致晶界分布相对稀疏,晶粒尺寸增大,晶界间的距离较远。例如,冷却速度降至10mm/s 时,板坯中的晶界密度可
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