Q345B寬厚板微觀組織優(yōu)化數(shù)值模擬

高向宙，李京社，楊樹峰

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Q345B寬厚板微觀組織優(yōu)化數(shù)值模擬

高向宙，李京社，楊樹峰

(北京科技大學(xué) 冶金與生態(tài)工程學(xué)院，北京，100083)

為改善Q345B寬厚板中心偏析缺陷，采用CAFE法對(duì)連鑄凝固末端的鑄坯斷面微觀組織進(jìn)行模擬計(jì)算，研究鋼水過熱度和鑄坯拉速對(duì)凝固組織的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：適當(dāng)減小過熱度和降低拉速能夠提高中心等軸晶率，增加晶粒數(shù)，減小晶粒平均半徑。當(dāng)鋼水過熱度由34 ℃降低至25 ℃，拉速由0.68 m/min調(diào)整到0.56 m/min后，斷面凝固組織中心等軸晶率增加15.1%，晶粒平均半徑減小2 135 μm，晶粒數(shù)增加367.4%，且模擬組織與試驗(yàn)鑄坯得到的微觀組織形貌基本一致，鑄坯中心偏析缺陷也得到有效改善。

寬厚板；中心偏析；連鑄工藝；微觀組織；數(shù)值模擬

Q345B鋼是國內(nèi)低合金鋼中產(chǎn)量最大的鋼種，也是用于汽車大梁板的專用中厚板，要求其各向異性小，內(nèi)部組織均勻等。大多數(shù)用于生產(chǎn)汽車大梁板的連鑄坯都存在中心偏析，這必然造成鋼板沿厚度方向冶金質(zhì)量和性能的不均勻性，顯著降低鋼材的伸長率，從而對(duì)鋼板的使用性能產(chǎn)生較大的影響。因此，改善Q345B鋼寬厚板的中心偏析具有十分重要的意義。近年來，冶金界對(duì)于改善連鑄坯中心偏析研究較多，如常桂華等[1]通過對(duì)連鑄板坯的硫印數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計(jì)分析，證明了過熱度、拉速、鑄坯寬度增加均不利于改善鑄坯中心偏析；賴朝彬等[2]通過調(diào)整拉速、二冷比水量、過熱度等連鑄工藝參數(shù)，減小鑄坯橫斷面二次枝晶臂間距，來減輕中心碳偏析；研究最終認(rèn)為采取提高鋼水潔凈度、低過熱度澆注、低拉速、電磁攪拌、輕壓下和優(yōu)化二冷技術(shù)等措施是減輕連鑄坯中心偏析的有效途徑。目前改善連鑄坯偏析的研究方法仍以“工藝調(diào)整—取樣分析”為主，通過工業(yè)試驗(yàn)來改善鑄坯內(nèi)部缺陷的方法具有周期長、代價(jià)高等缺點(diǎn)，而數(shù)值模擬法憑借其成本低、周期短、見效快等優(yōu)點(diǎn)，使得越來越多的研究者傾向于利用數(shù)值模擬對(duì)鑄坯微觀組織進(jìn)行分析和研究。目前對(duì)鑄坯凝固組織模擬應(yīng)用最廣泛的是ProCAST軟件中的CAFE模塊，最早由Rappaz等[3?6]利用此方法模擬了從柱狀晶到等軸晶的轉(zhuǎn)變，并在試驗(yàn)中得到了驗(yàn)證；Wang等[7?9]應(yīng)用CAFé模型耦合了鋼液澆注、溫度場、流場、縮孔、疏松，實(shí)現(xiàn)了對(duì)易切削鋼9SMn28鑄件微觀組織的模擬；白李國 等[10]也曾利用該方法成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)金屬凝固組織形成的數(shù)值模擬。但這些研究都只針對(duì)于模鑄或者連鑄方坯和圓坯，對(duì)于板坯連鑄凝固過程微觀組織的研究仍屬罕見。為此，本文作者通過對(duì)某廠寬厚板中心偏析的情況進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)研，采用ProCAST商業(yè)軟件對(duì)370 mm×2 120 mm寬厚板凝固過程中的溫度場變化進(jìn)行計(jì)算，并在此基礎(chǔ)上運(yùn)用CAFE法對(duì)連鑄坯橫截面的微觀組織進(jìn)行模擬，使得凝固過程中等軸晶的形成和柱狀晶的生長實(shí)現(xiàn)可視化，通過對(duì)模型中工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，最終實(shí)現(xiàn)鑄坯截面的等軸晶和柱狀晶比例合理化，達(dá)到改善鑄坯中心偏析缺陷的目的。

1 CAFE模型的介紹

隨著連鑄凝固理論的發(fā)展和成熟，越來越多的科研工作者開始熱衷于對(duì)凝固組織的研究，而且數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展也實(shí)現(xiàn)了凝固組織生長的可視化，與此同時(shí)，許多用來模擬金屬凝固組織的計(jì)算方法也相繼提出，如確定性方法、隨機(jī)性方法、相場方法等[11?12]，其中隨機(jī)性方法是采用概率方法來研究凝固過程中晶粒的形核和長大，包括形核位置的隨機(jī)分布和晶粒的隨機(jī)取向，其主要特點(diǎn)是建立形核和枝晶生長動(dòng)力學(xué)及結(jié)晶取向物理機(jī)制，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示每個(gè)晶粒的具體形態(tài)及生長演變[13]。金屬實(shí)際凝固過程中的傳質(zhì)過程以及能量和結(jié)構(gòu)起伏等都是隨機(jī)的，所以，隨機(jī)性方法更容易受到人們的青睞。

元胞自動(dòng)機(jī)(cellular automation，CA)方法既是隨機(jī)法的一種，它是一種時(shí)間、空間、狀態(tài)都離散的動(dòng)力學(xué)模型。在凝固模擬過程中，它基于形核的物理機(jī)制和晶體生長動(dòng)力學(xué)理論，用隨機(jī)性原理處理晶核分布和結(jié)晶方向，從而模擬凝固過程的微觀組織。CA法模擬不依賴于計(jì)算過程中的單元網(wǎng)格劃分結(jié)構(gòu)，具有計(jì)算速度快，計(jì)算區(qū)域大等特點(diǎn)，這也使它很適合于描述自由枝晶、柱狀枝晶的形成以及柱狀晶與等軸晶直接的轉(zhuǎn)化[14?15]。隨著模擬技術(shù)的不斷發(fā)展，到20世紀(jì)90年代，Gandin等[16]將元胞自動(dòng)機(jī)模型與有限元方法(FE)耦合起來建立了宏觀?微觀的元胞自動(dòng)機(jī)模型，即CAFE法，它的優(yōu)勢具體表現(xiàn)為凝固區(qū)域首先用較粗的網(wǎng)格(即FE)來計(jì)算溫度場，在此網(wǎng)格內(nèi)劃分成更細(xì)而均勻的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的溫度通過插值函數(shù)獲得，在其中采用CA模型進(jìn)行形核與生長計(jì)算，這樣就可以大大節(jié)省內(nèi)存和計(jì)算時(shí)間。

1.1 形核模型

本文采用Rappaz等[3]提出的基于高斯分布的連續(xù)形核模型，在某一給定的過冷度?條件下，其形成的晶粒密度(?)可通過對(duì)該分布曲線的積分求得

1.2 枝晶生長模型

將式(4)~(8)聯(lián)立，可得枝晶尖端生長速度和過冷度之間的關(guān)系。對(duì)KGT模型擬合之后，得到如下枝晶尖端生長速度的三次多項(xiàng)式：

式中：2和3為擬合多項(xiàng)式的系數(shù)；為枝晶尖端總過冷度。

2 Q345B連鑄坯凝固組織的模擬

2.1 模型參數(shù)的確定

該模型是以某特鋼廠生產(chǎn)的特寬特厚板為研究對(duì)象建立的，模型與實(shí)際鑄坯尺寸比例為1:1，橫斷面 (長×寬)為2 120 mm×370 mm，鋼種為Q345B鋼，鋼種化學(xué)成分如表1所示，連鑄的基本工藝參數(shù)如表2所示。