论文摘要
自1991年典型牌号2205（Fe-22.5Cr-5Ni-3Mo-0.17N）问世以来，双相不锈钢已广泛用于对耐蚀性要求较高的石油天然气管道、化工、造纸、建筑、海洋平台、能源热交换器、淡水处理等工业领域。但由于不锈钢导热性能差、钢水粘度大、凝固形态比较复杂和含多种合金元素，使得其在连铸生产中极易出现组织粗大、裂纹、堵塞水口等问题，浇铸过程中易形成夹杂物等生产缺陷，降低了其生产效益。针对双相不锈钢新材料的特点以及连铸坯生产中遇到的问题，本文分别采用传统定向凝固、连铸坯热模拟装置以及异质核心技术，研究了2205双相不锈钢的凝固特性、连铸工艺参数对凝固组织的影响以及异质核心对凝固组织细化的作用。根据相选择理论分析和定向凝固实验结果显示，2205双相不锈钢凝固模式为F型，先形成相为铁素体，奥氏体在铁素体基底上由固态相变析出，相变过程为：L→L+δ→δ→δ+γ。根据界面响应函数计算和定向凝固实验结果，得到2205双相不锈钢平-胞转换临界速率为Vcs=2μm/s，胞-枝转变速率为Vcd=5μm/s。生长速率为10100μm/s时，固/液界面形貌为树枝状。当生长速率为5001000μm/s时，界面形貌为细树枝状。固/液界面处主要溶质元素Cr、Ni、Mo、Mn和Si的波普分析（WDS）表明，元素Cr为k>1的元素，其它元素Ni、Mo、Mn和Si则均为k<1。并且随着固/液界面推进速率的增加，奥氏体析出温度升高。在2205双相不锈钢中，奥氏体析出温度从2μm/s的1096℃增加至100μm/s的1275℃。对比分析表明，连铸坯枝晶生长热模拟试样的宏观组织及微观组织与实际连铸坯相似，但模拟试样等轴晶区的晶粒比连铸坯大很多。模拟实验研究发现，调整过热度与冷却强度对2205双相不锈钢的柱状晶向等轴晶转变（CET）的影响较小。对不同实验参数下动态温度梯度的分析发现，由于双相不锈钢导热能力较差，实验参数调节对样品距水冷底面60mm以内的温度场影响较大；而样品60mm以上的温度场几乎没有影响，致使工艺参数的调节对CET的影响减弱。热模拟实验中施加机械搅拌可有效提高双相不锈钢的等轴晶率、细化凝固组织。随着搅拌速率的增加，柱状晶区域长度从8.2cm降到了4.6cm，等轴晶区域的平均晶粒尺寸从9.5mm降到了1.2mm；同时搅拌速率增加，双相不锈钢晶粒内部的第二相也明显细化，奥氏体形貌由粗大的针状和魏氏组织转变为细碎的颗粒和岛状形貌。通过对两相间元素分布分析，发现晶界上两相间的元素分配差别大于晶粒内部，但柱状晶区和等轴晶区内元素分布特性差别不大。理论计算表明，凝固过程中由于偏析均能导致Ti、N、O产生过饱和，而且Ti2O3的过饱和度显著大于TiN的过饱和度，这有利于Ti2O3优先于TiN析出，而形成Ti2O3+TiN异质核心，使得形核核心大幅提高，从而使得等轴晶率显著提高。利用添加适量的钛粉的模拟实验证实，利用Ti2O3/TiN异质核心作为异质形核核心是一种细化双相不锈钢凝固组织的有效手段，可明显提高铸坯的等轴晶率、细化凝固组织和第二相组织，并且在复合核心的基础上，较低的Ti含量就可获得较高的等轴晶组织，可有效避免含钛钢连铸过程中水口结瘤和表面夹杂等问题。