一种降低重轨钢中A类夹杂物评级的连铸坯凝固组织控制方法与流程

本发明属于钢铁冶金连铸技术领域，具体涉及一种降低重轨钢中A类夹杂物评级的连铸坯凝固组织控制方法。

背景技术：

在连铸坯进行凝固的过程中，有些硫化锰(MnS)虽然析出尺寸并不大，但由于MnS属于塑性夹杂，在后期的轧制过程中极易变形，变形过程中尺寸明显变大，会对钢轨造成很大的危害。由于钢轨的超负荷工作，夹杂物的生成会使其在基体界面形成应力集中，由于长时间受力，进而产生裂纹。MnS夹杂物是在凝固末端析出，由于界面张力的原因，通常都是在晶界处富集，勾勒晶界形状的同时聚集的形状多为链状和长条状，这样会造成晶界滑移，从而生成钢材的裂纹。而在腐蚀环境下，根据电化学的原理，电极差的原因导致MnS夹杂和钢基体的界面处极易被腐蚀。

在钢轨发生损坏，需要维护和维修时，往往会需要进行高温焊接，在这一过程中，热影响区的MnS夹杂物会随着温度的升高而固溶于奥氏体晶界中，当热影响区从最高温度冷却下来而收缩时，本来存在于原奥氏体晶界上的液体MnS薄膜有可能引起热撕裂。夹杂物会使钢基体发生疲劳破坏，引起裂纹的方式共有两种，其一是钢轨在重载条件下所受到的应力，钢轨中的非金属夹杂物不能起到很好的传递作用，所以在夹杂物和钢基体接触的界面，会发生应力集中，当应力集中达到一定的峰值，就会造成裂纹；另一途径是钢材在冷热加工期间，夹杂物具有一定的变形度，尤其是像硫化锰这样的塑性夹杂，在加工过程中可直接在夹杂物与基体的界面上形成微裂纹，因此可以认为夹杂物是钢材产生疲劳破坏的起源。

通过一系列检测和分析发现，引起钢材中A类夹杂物超标和超声波探伤不合格的原因是：大尺寸MnS夹杂物(这里指的不是连铸过程中在凝固末端析出的单个大颗粒单相夹杂物，而是在钢材在后期被轧制加工成钢轨的过程中，由于变形量较大和凝固末端MnS夹杂物发生局部富集而导致大尺寸MnS夹杂物的形成)。而大尺寸的MnS夹杂物则是重轨钢中裂纹的源头，严重影响中重轨钢的性能。

MnS夹杂物是一种典型的塑性夹杂物，容易在后续热加工过程延展成长条形夹杂物，造成重轨钢钢轨A类夹杂物评级超标，同时容易造成钢轨服役过程中钢基体与MnS夹杂物接触位置应力集中而产生裂纹。此外，MnS夹杂物与钢基体的电极电位不同，在腐蚀环境下，在界面处易发生电化学腐蚀，严重威胁着高速列车行车安全。为此，控制重轨钢连铸坯中MnS尺寸，降低重轨钢中A类夹杂物评级是提高钢轨性能的关键。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种降低重轨钢中A类夹杂物评级的连铸坯凝固组织控制方法。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一种降低重轨钢中A类夹杂物评级的连铸坯凝固组织控制方法，包括如下步骤：

S1：明确连铸坯中MnS夹杂物尺寸限制条件

根据重轨钢中A类夹杂物评级标准要求重轨钢中MnS夹杂物的尺寸，采用如公式(1)定量确定重轨钢连铸坯中MnS夹杂物尺寸限制：

其中ζ为压缩比，Lc为所述连铸坯中MnS夹杂物长度，Lr为钢轨中MnS夹杂物长度；

要求重轨钢连铸坯中MnS夹杂物尺寸小于连铸坯中MnS夹杂物尺寸限制条件如公式(2_)所示，即：r≤0.5Lc (2)；

其中，所述r为连铸坯中MnS夹杂物半径；

S2：连铸坯固液两相区溶质偏析计算

根据钢凝固过程中枝晶横截面一维溶质扩散控制方程(3)计算溶质浓度；

其中，初始条件：当t＝0时，

边界条件：当x＝0和x＝1/2λ1时，

其中，所述λ1为一次枝晶间距，单位为m；所述和分别为元素i在钢液中的初始浓度、液相l和固相s中溶质浓度，单位为％；Ds,i(T)为溶质元素i在固相s中的扩散系数，单位为m²/s；t为时间，单位为s；分别为溶质元素i在s/l，δ/l，γ/l界面平衡分配系数；

所述λ1为连铸坯凝固组织特征参数，其与钢连铸凝固过程固液界面推进速率V和温度梯度G满足公式(4)，λ1＝ζ·V^-0.25G^-0.5 (4)；其中，ζ为常数，根据公式(5)计算获得，所述Tl为钢液相线温度，所述Ts为钢固相线温度，单位为K；Dl为溶质液相扩散系数，2.0×10^-9m²/s；k为溶质平衡分配系数；Γ为Gibbs-Thomson系数，1.9×10^-7K﹒m；

S3：连铸坯中MnS夹杂物析出计算

根据在任意时刻t，无论是否有MnS夹杂的析出，S夹杂的析出，控制单元体积内溶质元素Mn和S均满足质量守恒如公式(6)、(7)，可计算获得相中析出MnS所消耗的S含量Cinl,s：

其中，所述M为固相节点数；所述N为总节点数；所述为i节点开始凝固时j节点由于MnS析出分别消耗的溶质Mn的量，单位为％；为i节点开始凝固时j节点由于MnS析出分别消耗的溶质S的量，单位为％；为t时刻钢液中溶质元素Mn的浓度，单位为％；为t时刻钢液中溶质元素S浓度，单位为％；为t时刻固相节点i处溶质元素Mn的浓度，单位为％；为t时刻固相节点i处溶质元素S的浓度，单位为％；为溶质元素Mn在钢液中的初始浓度，单位为％；为溶质元素S在钢液中的初始浓度，单位为％；所述Ai为节点i的面积，单位为m²；

所述节点i的面积Ai与节点i的映射关系如下公式(8)所示：

根据上述获得的MnS夹杂物质量mMnS与节点i的面积Ai，按公式(9)可获得整个枝晶区域内所析出的MnS夹杂物质量mMnS，

其中：MMnS和MS分别为MnS和S的摩尔质量；ρsteel为钢夹杂物质量密度，单位为kg/m³；

根据连铸坯中MnS夹杂物尺寸与析出量之间存在如公式(10)所示的定量关系，获得所述MnS夹杂物的半径值r，

其中，所述r单位为m，所述ρMnS为MnS夹杂物质量密度，单位为kg/m³；

S4：连铸坯凝固组织控制

将所述步骤S1所确定的重轨钢连铸坯MnS夹杂物尺寸限制性条件作为模型输入条件，根据所述步骤S2中获得的一次枝晶间距和硫含量之间的关系及所述步骤S3中获得的硫含量与MnS夹杂物的半径之间的关系，做出不同硫含量条件下，MnS夹杂物的半径与一次枝晶间距的二维坐标图，进行定量确定重轨钢中，不同硫含量条件下，连铸坯凝固组织一次枝晶间距λ1所需要控制范围。

如上所述的控制方法，优选地，在步骤S2中，所述钢液相线温度Tl根据计算，所述钢固相线温度Ts根据计算，其中，所述mi为二元Fe-i相图中液相线斜率。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：

本发明提供了一种降低重轨钢中A类夹杂物评级的连铸坯凝固组织方法，建立了连铸坯凝固组织与MnS夹杂物尺寸之间的定量关系；同时，能够根据铸坯与钢轨之间的轧制变形定量关系，明确铸坯中MnS夹杂物尺寸控制范围，最终确定连铸坯凝固组织控制范围。这为定量化控制连铸坯MnS夹杂物尺寸，避免重轨钢钢轨A类夹杂物评级超标提供了理论支持，避免了传统依靠经验控制连铸坯MnS夹杂物，质量波动较大的缺点。

本发明使用数值计算的方法，首先从评级标准的要求出发，确定了铸坯中理想的MnS夹杂物尺寸限制条件；之后，通过数值计算的方法，得出了不同硫含量条件下，MnS夹杂物尺寸与凝固组织一次枝晶间距之间的关系；进而得出凝固组织一次枝晶间距的限制条件。通过控制凝固组织一次枝晶间距大小就可以控制连铸坯中MnS夹杂尺寸。

附图说明

图1为具体实施方式中降低重轨钢中A类夹杂物评级的连铸坯凝固组织控制方法的流程示意图；

图2为连铸示意图；

图3为钢连铸坯枝晶生长示意图；

图4为如下具体实施方式中重轨钢中不同S含量情况下，连铸坯凝固组织一次枝晶间距与MnS夹杂物尺寸之间的定量关系。

具体实施方式

在钢连铸凝固过程中，随着枝晶生长，溶质元素向液相中排出，富集在枝晶间残余液相中。当枝晶间浓缩钢液内Mn和S元素溶质浓度积超过平衡浓度时，MnS夹杂物将会形核长大。由此可见，连铸过程钢中MnS夹杂物尺寸控制的关键在于连铸坯凝固组织的控制。为此，根据钢种成分，控制连铸坯凝固组织，减小重轨钢连铸坯中MnS尺寸，是降低连铸坯A类评级和提高重轨钢钢轨质量的关键。

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

实施例1

本实施例提供一种降低重轨钢中A类夹杂物评级的连铸坯凝固组织控制方法，如图1所示，包括如下步骤：

步骤1：连铸坯中MnS夹杂物尺寸限制条件

确定钢种成分，冷却条件，各冷却区对应水流量如表1所示，用于模拟温度场。

如图2为连铸示意图，连铸机总长度为20m，连铸坯断面380mm×280mm，重轨钢U75V成分如表2所示。其中，在图2中ZoneⅠ-Ⅴ分别是二冷区的五个区，A是二冷区，B是末端电磁搅拌，C是支撑辊，D是矫直辊，E是火线切割点。

表1各区冷却长度和水量

表2重轨钢U75V钢主要成分，wt.％

连铸坯中MnS夹杂物在轧制成钢轨的过程中将会延展变形，根据如下关系式可确定连铸坯MnS夹杂物尺寸Lc与钢轨中MnS夹杂物尺寸Lr之间的定量关系如公式(1)所示：

式中ζ为压缩比。

根据中国高速铁路钢轨标准，要求A类≤2.0级，在压缩比为12.82的条件下，结合钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法(GBT 10561-2005)，可以定量确定重轨钢连铸坯MnS夹杂物尺寸限制，见表3所示：

表3钢中MnS尺寸与评级之间的定量关系

由此可见，为了保证重轨钢钢轨A类夹杂物不超标，即A类夹杂物低于2级，根据国标GBT 10561-2005要求，必须保证钢轨中MnS夹杂物尺寸小于436μm。结合连铸坯中MnS夹杂物尺寸Lc与钢轨中MnS夹杂物尺寸Lr之间的定量关系式，可知连铸坯中MnS夹杂物尺寸必须小于34μm。为了保证钢轨中A类夹杂物评级安全，将连铸坯中MnS夹杂物尺寸控制到低于30μm。

为了保证重轨钢A类夹杂物评级不超标，必须要求重轨钢中连铸坯MnS夹杂物尺寸小于连铸坯中MnS夹杂物尺寸限制条件，即：

r≤0.5Lc (2)

式中：r为连铸坯MnS夹杂物半径，Lc为连铸坯MnS夹杂物长度。

步骤2：连铸坯固液两相区溶质偏析计算

假设枝晶形貌为横截面为正六边形，如图3所示为钢连铸坯枝晶生长示意图。其中a为连铸坯凝固两相区示意图，b为枝晶尖端形貌示意图，c为枝晶横截面形貌示意图，d为溶质传输几何模型示意图。钢凝固过程中枝晶横截面一维溶质扩散控制方程为如下式(3)，根据公式(3)计算获得浓度场；

初始条件：当t＝0时，

边界条件：当x＝0时，当x＝1/2λ1时，

以上各式中，λ1为一次枝晶间距，单位为m；分别为元素i在钢液中的初始浓度，液相l和固相s中溶质浓度，单位为％；Ds,i(T)为溶质元素i在固相s中的扩散系数，单位为m²/s；t为时间，单位为s；分别为溶质元素i在s/l，δ/l，γ/l界面平衡分配系数，具体物性参数见表4。

表4元素的平衡分配系数和扩散系数

一次枝晶间距λ1为连铸坯凝固组织特征参数，其与钢连铸工艺冷却条件紧密相连，其值与钢连铸凝固过程固液界面推进速率V和温度梯度G有关，满足如下关系式(4)，

λ1＝ζ·V^-0.25G^-0.5 (4)

式中：ζ为常数，与合金体系有关，钢连铸凝固过程固液界面推进速率V和温度梯度G通过工艺冷却条件计算获得。对于Fe-C二元合金体系，满足如下关系式：

式中：Tl钢液相线温度和Ts为钢固相线温度，单位为K；Dl为溶质液相扩散系数，2.0×10^-9m²/s；k为溶质平衡分配系数；Γ为

Gibbs-Thomson系数，1.9×10^-7K﹒m。

钢液相线温度Tl、钢固相线温度Ts和凝固过程中δ/γ相转变开始温度TAr4分别采用如下表达式：

式中：为元素i在δ/l相界面处液相中的浓度；mi和ni分别为二元Fe-i相图中液相线斜率和Ar4线斜率，具体参数见表4。

ζ为常数，与合金体系有关，也就是说ζ由合金的成分决定的。公式(5)中涉及了ζ的具体计算，其中钢的固相线温度Ts与液相线温度Tl是与硫含量有关系的，因此一次枝晶间距λ1与硫含量建立了关系。

步骤3：重轨钢连铸坯MnS夹杂物析出计算

随着钢凝固过程的推进，钢液中溶质元素Mn、S在固液界面前沿富集。当溶质元素浓度超过钢液中MnS平衡溶解度时，将以[Mn]+[S]＝(MnS)反应析出MnS，其标准吉布斯自由能变ΔG^Θ(J/mol)采用下式计算：

ΔG^Θ＝-165248.81+90.90T (9)

此时，固液界面前沿剩余溶质元素浓度为平衡浓度：

式中：fMn和fS分别为钢液中溶质元素Mn，S的活度系数，可由下式计算所得：

式中：为活度相互作用系数，如表5所示。

表5 1873K时活度相互作用系数

任意时刻t，无论是否有MnS夹杂的析出，控制单元体积内溶质元素Mn和S均满足质量守恒，即：

式中：其中，所述M为固相节点数；N为总节点数；为i节点开始凝固时j节点由于MnS析出分别消耗的溶质Mn的量，单位为％；为i节点开始凝固时j节点由于MnS析出分别消耗的溶质S的量，单位为％；为t时刻钢液中溶质元素Mn的浓度，单位为％；为t时刻钢液中溶质元素S浓度，单位为％；为t时刻固相节点i处溶质元素Mn的浓度，单位为％；为t时刻固相节点i处溶质元素S的浓度，单位为％；为溶质元素Mn在钢液中的初始浓度，单位为％；为溶质元素S在钢液中的初始浓度，单位为％；Ai为节点i的面积，m²；可由如下公式(15)求得：

钢液凝固过程，整个枝晶区域内所析出的MnS夹杂物质量mMnS可由如下公式(16)确定：

式中：MMnS和MS分别为MnS和S的摩尔质量；ρsteel为钢夹杂物质量密度，单位为kg/m³。

假设MnS析出过程以球型形核和长大，在二维情况下，MnS夹杂物成圆形，其半径可由如下公式(17)求得：

式中：ρMnS为MnS夹杂物质量密度，单位为kg/m³。

通过此公式(17)可以建立半径与硫含量的数量关系，与公式(5)的一次枝晶间距与硫含量的数量关系，可以确定半径、硫含量和一次枝晶间距三者之间的关系。

步骤4：重轨钢连铸坯凝固组织判断

根据上述具体实施方案，将步骤2所确定的重轨钢连铸坯MnS夹杂物尺寸限制性条件作为模型输入条件，可定量确定重轨钢中不同硫含量条件下，连铸坯凝固组织需要控制的范围。就是通过以上三者之间的关系，确立出不同硫含量条件下MnS夹杂物的半径r与一次枝晶间距的关系，做出二维坐标图，根据连铸坯MnS夹杂物尺寸限制性条件确定一次枝晶间距的控制范围。

如图4为不同硫含量条件下连铸坯凝固组织与MnS夹杂物尺寸的关系图。由图可见，本发明能够根据重轨钢中硫含量动态确定连铸坯凝固组织，从而确保铸坯中MnS夹杂物尺寸控制到低于30μm，确保重轨钢钢轨评级符合国标要求。根据图4可知，当S含量分别为0.005wt％，0.010wt％和0.015wt％时，重轨钢连铸坯凝固组织需要控制一次枝晶间距λ1分别小于250μm，160μm和120μm。

总体而言，本发明的具体实施步骤见图1所示。首先根据国标GBT10561-2005要求定量确定重轨钢钢轨中A类夹杂物尺寸，结合铸坯压缩比确定重轨钢连铸坯中MnS夹杂物尺寸限制条件，并以此作为连铸坯MnS夹杂物控制的基础条件，结合重轨钢钢中成分和工艺条件，计算不同重轨钢中S含量和连铸坯凝固组织(一次枝晶间距λ1)，确定连铸坯中MnS尺寸与钢中S含量和一次枝晶间距之间的定量关系；在此基础上，结合重轨钢连铸坯中MnS夹杂物尺寸限制条件，定量确定重轨钢中不同S含量条件下所需控制的连铸坯凝固组织，从而达到满足重轨钢A类夹杂物控制要求。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明做其它形式的限制，任何本领域技术人员可以利用上述公开的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。