汽車(chē)用鋼液相線溫度的試驗(yàn)與計(jì)算研究

王 楊 吳 通 宋 偉 周 蕾 鄭偉森

（1.南京鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京 210035；2.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200444）

連鑄過(guò)程中鋼水的過(guò)熱度是保證連鑄產(chǎn)量和鑄坯質(zhì)量的關(guān)鍵工藝參數(shù)，若鋼水過(guò)熱度太低，易引起鋼水發(fā)黏，造成水口堵塞，甚至引發(fā)鋼水停澆風(fēng)險(xiǎn)；而鋼水過(guò)熱度過(guò)高，則造成鑄坯中心偏析加重，影響鑄坯質(zhì)量，甚至可能會(huì)引發(fā)漏鋼風(fēng)險(xiǎn)［1］。在實(shí)際生產(chǎn)中，過(guò)熱度的控制重點(diǎn)在于鋼種液相線溫度的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，而液相線溫度與鋼的成分密切相關(guān)。為了預(yù)測(cè)液相線溫度，研究人員通過(guò)擬合液相線試驗(yàn)數(shù)據(jù)將液相線溫度表示為合金元素的線性關(guān)系，從而獲得液相線溫度的經(jīng)驗(yàn)公式［2-10］。然而，絕大多數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式僅針對(duì)特定鋼種，適用的合金成分范圍有限，對(duì)汽車(chē)用鋼液相線溫度的預(yù)測(cè)并不適用。因此，有必要針對(duì)汽車(chē)用鋼合金體系建立一套可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)液相線溫度的計(jì)算模型，這對(duì)保證汽車(chē)用鋼連鑄工序的質(zhì)量至關(guān)重要。

本文首先采用差熱分析技術(shù)對(duì)典型汽車(chē)用鋼的液相線溫度進(jìn)行測(cè)定，然后采用現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)液相線溫度進(jìn)行計(jì)算，并評(píng)估不同經(jīng)驗(yàn)公式的可靠性。同時(shí)，基于汽車(chē)用鋼合金成分子體系的液相線溫度試驗(yàn)數(shù)據(jù)，探究合金元素對(duì)液相線溫度的影響規(guī)律，并利用最小二乘法優(yōu)化合金元素對(duì)液相線溫度的作用系數(shù)，以獲得適用于汽車(chē)用鋼的液相線溫度預(yù)測(cè)模型。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合汽車(chē)用鋼液相線溫度試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步證明了本文建立的液相線溫度預(yù)測(cè)模型的可靠性。

1 試驗(yàn)材料與方法

選取17種典型汽車(chē)用鋼，化學(xué)成分如表1所示。試驗(yàn)材料為某公司提供的汽車(chē)用鋼棒線材，采用線切割從棒線材的心部切取φ4.5 mm×1.0 mm的試樣，并用DTA-TG STA 449 F3型同步熱分析儀測(cè)定試樣的液相線溫度。為了保證測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確，采用高純鐵、鎳、鋁、銅對(duì)設(shè)備進(jìn)行校正。為了提高試驗(yàn)效率，試樣首先以30℃/min的速率升溫至1 450℃，然后以5℃/min的速率升溫至1 560℃，并采用峰值法對(duì)差熱分析（differential thermal analysis，DTA）曲線進(jìn)行處理，獲得液相線溫度。

表1 典型汽車(chē)用鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical compositions of typical automotive steels （mass fraction） %

2 結(jié)果與討論

2.1 DTA試驗(yàn)結(jié)果

幾種典型DTA曲線如圖1所示，采用峰值法分析得到試驗(yàn)鋼種的液相線溫度。圖1（a）為A11鋼的DTA曲線，根據(jù)兩個(gè)放熱峰可判斷該鋼種在熔化前經(jīng)歷了包晶反應(yīng)，與其含碳量相一致。A12鋼的含碳量最低，在加熱過(guò)程中不發(fā)生包晶反應(yīng)（圖1（b））。A14和A15鋼的含碳量不同，其余合金元素相同，由于兩者含碳量均較高，故不發(fā)生包晶反應(yīng)。A15鋼的含碳量高于A14鋼，導(dǎo)致A15鋼的液相線溫度低于A14鋼（圖1（c，d））。17種典型汽車(chē)用鋼的液相線溫度如表2所示，液相線溫度最低為1 479.2℃，最高為1 533.3℃。前已述及，目前有較多的液相線溫度經(jīng)驗(yàn)公式，但是僅有3組經(jīng)驗(yàn)公式［3-4，8］可覆蓋本文所涉及的汽車(chē)用鋼合金體系，分別為：

圖1 典型的DTA曲線Fig.1 Typical DTA curves

表2 典型汽車(chē)用鋼的液相線溫度Table 2 Liquidus temperatures of typical automotive steels

上式中合金成分均以質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示。需要指出的是，由于試驗(yàn)鋼中P、S、N含量較低，本文計(jì)算不考慮其含量。采用上述經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算試驗(yàn)鋼的液相線溫度，并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果如圖2所示，其中虛線范圍表示試驗(yàn)與計(jì)算的液相線溫度差值為±15℃。對(duì)比可見(jiàn)，3組經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)液相線溫度的預(yù)測(cè)值均高于偏差范圍（±15℃），L3經(jīng)驗(yàn)公式的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率較高，達(dá)到88%，而L1和L2經(jīng)驗(yàn)公式的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率較低，分別為71%和41%。因此，汽車(chē)用鋼液相線溫度的現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)公式均需進(jìn)一步改進(jìn)。

圖2 試驗(yàn)鋼液相線溫度的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比Fig.2 Comparison of the measured and calculated liquidus temperatures of the tested steels

2.2 汽車(chē)用鋼液相線溫度預(yù)測(cè)模型

針對(duì)汽車(chē)用鋼合金體系，收集可靠的Fe-C［11-13］、Fe-Si［14］、Fe-Mn［15-16］、Fe-Cr［15］、Fe-Ni［17］、Fe-Mo［18］、Fe-Cu［19］二元系液相線試驗(yàn)數(shù)據(jù)，基于液相線溫度與成分的線性關(guān)系，結(jié)合純鐵熔點(diǎn)（1 538℃），采用最小二乘法優(yōu)化合金元素對(duì)液相線溫度的作用系數(shù)，結(jié)果如表3所示?？梢?jiàn)，碳對(duì)液相線溫度的影響最為顯著，其次是硅，鉻的影響最為微弱，這與Fe-Cr二元相圖液相線變化趨勢(shì)一致。采用合金元素的作用系數(shù)分別對(duì)文獻(xiàn)中二元系試驗(yàn)合金的液相線溫度進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖3所示，其中虛線和點(diǎn)線范圍分別表示試驗(yàn)與計(jì)算的液相線溫度差值為±15和±5℃。可見(jiàn)，計(jì)算值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合度較高，偏差基本在±5℃以內(nèi)，僅有4種合金液相線溫度的計(jì)算值偏差大于5℃。

表3 合金元素對(duì)液相線溫度的作用系數(shù)Table 3 Coefficients of the effect of alloying elements on liquidus temperature

圖3 鐵基二元合金液相線溫度的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比Fig.3 Comparison of the measured and calculated liquidus temperatures of the iron-base binary alloys

基于合金元素的作用系數(shù)優(yōu)化汽車(chē)用鋼液相線溫度的預(yù)測(cè)模型：

利用該預(yù)測(cè)模型對(duì)試驗(yàn)鋼液相線溫度進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖4所示?？梢?jiàn)，除了A7鋼的計(jì)算值偏差略大于15℃外，其余均在±15℃內(nèi)，說(shuō)明本文開(kāi)發(fā)的液相線溫度預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性較高。為了進(jìn)一步驗(yàn)證該液相線溫度預(yù)測(cè)模型的可靠性，結(jié)合文獻(xiàn)中不同鋼種的液相線溫度試驗(yàn)數(shù)據(jù)［8，20-22］，采用不同預(yù)測(cè)模型對(duì)所有鋼種的液相線溫度進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖5所示。可見(jiàn)，相比于L1、L2、L3經(jīng)驗(yàn)公式，本文預(yù)測(cè)模型計(jì)算的液相線溫度與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合得最好。通過(guò)分析不同計(jì)算模型的準(zhǔn)確率，發(fā)現(xiàn)本文預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確率達(dá)97%，而L1、L2、L3經(jīng)驗(yàn)公式的準(zhǔn)確率均低于90%，分別為87%、81%、84%。

圖4 試驗(yàn)鋼液相線溫度的實(shí)測(cè)值與本文計(jì)算結(jié)果對(duì)比Fig.4 Comparison bewteen the measured liquidus temperatures of the tested steels and the calculated results in the present work

圖5 所有鋼種液相線溫度的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比Fig.5 Comparison of the measured and calculated liquidus temperatures of all steels

3 結(jié)論

（1）DTA測(cè)得的典型汽車(chē)用鋼液相線溫度最低為1 479.2℃，最高為1 533.3℃。

（2）根據(jù)合金元素對(duì)液相線溫度的作用系數(shù)得出，碳對(duì)液相線溫度的降低作用最為顯著，其次是硅，而鉻的影響最微弱。

（3）汽車(chē)用鋼液相線溫度可以采用公式Tm[℃ ] ＝1 538－75.12C－14.38Si－5.25Mn－1.15 Cr－4.25Ni－3.03Mo－4.03Cu進(jìn)行計(jì)算，準(zhǔn)確率達(dá)到97%。

（4）基于鐵基二元系試驗(yàn)數(shù)據(jù)優(yōu)化獲得的合金元素作用系數(shù)可有效預(yù)測(cè)實(shí)際鋼的液相線溫度，其準(zhǔn)確性遠(yuǎn)高于文獻(xiàn)中的經(jīng)驗(yàn)公式，可推廣應(yīng)用于包含更多合金元素的鋼種。