CN109187610B - 铸坯微观组织模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种铸坯微观组织模拟方法，包括：测量铸坯设定区域内的微观偏析度，所述微观偏析度包括铸坯微观尺度上的元素浓度差和相应的间距；根据钢种和元素浓度差确定铸坯设定区域的元素浓度范围，将不大于元素浓度差对应的间距作为间距范围；根据所述元素浓度范围和间距范围构建元素浓度分布扩散模型；根据元素浓度分布扩散模型模拟不同加热时间元素的扩散过程，结合终材性能要求制定铸坯在加热炉的加热时间。所述方法建立从连铸坯到加热和轧钢等后续流程的组织演变模拟基础，能够评价连铸坯质量的改善。
Description
技术领域
本发明涉及钢铁冶金技术领域，更为具体地，涉及铸坯微观组织模拟方法。
背景技术
连铸坯的质量可以影响后期工艺的质量，比如影响加热炉工艺、轧钢工艺、甚至于正火处理工艺，最终决定终材组织性能优劣和缺陷。现状是：利用现有连铸阶段的技术手段，铸坯的内部质量获得了显著提高，中心缩孔、中心疏松和偏析取得了明显提升，而对于终材组织却没有显著改善。
目前并没有系统的方法研究连铸坯质量如何定性定量地影响后续工艺最终终材组织，因为没有建立能定量评价连铸坯微观组织的指标，无法从全流程角度评价铸坯质量改善效果，更无法实现从连铸坯到终材的质量演变模拟。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种建立从连铸坯到加热和轧钢等后续流程的组织演变模拟的铸坯微观组织模拟方法。
为了实现上述目的，提供一种铸坯微观组织模拟方法，包括：
步骤S1，测量铸坯设定区域内的微观偏析度，所述微观偏析度包括铸坯微观尺度上的元素浓度差和相应的间距，所述元素浓度差是指微观尺度上相邻元素浓度高点和低点的元素浓度差；
步骤S2，根据钢种和元素浓度差确定铸坯设定区域的元素浓度范围，将不大于元素浓度差对应的间距作为间距范围；
步骤S3，根据所述元素浓度范围和间距范围构建元素浓度分布扩散模型；
步骤S4，根据元素浓度分布扩散模型模拟不同加热时间元素的扩散过程，结合终材性能要求制定铸坯在加热炉的加热时间。
所述的铸坯微观组织模拟方法，其中，所述设定区域包括铸坯中心设定范围内的区域和铸坯锭型偏析高点区域，所述设定范围和高点区域根据钢种和铸坯尺寸设定。
所述的铸坯微观组织模拟方法，其中，在步骤S1中，在设定区域测量设定数量的相邻高点和低点之间元素浓度差及间距，将所述设定数量的元素浓度差的最大值作为铸坯所述设定区域的元素浓度差，将多个间距的最大值作为铸坯所述设定区域的间距。
所述的铸坯微观组织模拟方法，其中，在步骤S1中，在设定区域测量设定数量的相邻高点和低点之间的元素浓度差及间距，将所述设定数量的元素浓度差的均值作为铸坯所述设定区域的元素浓度差，将多个间距的均值作为铸坯所述设定区域的间距。
所述的铸坯微观组织模拟方法，其中，至少测量20个以上的元素浓度差及其对应的间距。
所述的铸坯微观组织模拟方法，其中，在步骤S1中，采用电子探针测量元素浓度差及其对应的间距。
所述的铸坯微观组织模拟方法，其中，在步骤S1中，采用原位分析方法获得元素浓度差。
所述的铸坯微观组织模拟方法，其中，在步骤S1中，对铸坯进行酸洗，将设定区域的高点和低点之间的二次枝晶间距的最大值的一半或取平均值的一半作为铸坯所述设定区域的间距。
所述的铸坯微观组织模拟方法，其中，将铸坯二次枝晶组织的图像中的表示偏析高点出现黑点区域的跨度作为高点和低点之间的二次枝晶间距。
所述的铸坯微观组织模拟方法，其中，在步骤S1中，通过铸坯疏松偏析模型模拟铸坯组织和元素浓度分布，从而得到元素浓度差及其对应的间距。
本发明所述铸坯微观组织模拟方法建立了一种定性定量评价铸坯组织的可行方法，给出了具体参数获得方法，基于此可以建立从连铸坯到终材组织的模拟和评价，从而使得实现通过模拟定性定量获得加热和轧钢的工艺，从全流程角度进行工艺优化，最终提高终材性能，而非只是孤立地关注连铸坯质量。
附图说明
通过参考以下结合附图的说明，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：
图1是本发明所述铸坯微观组织模拟方法的流程图；
图2是测量铸坯二次枝晶间距的示意图；
图3是铸坯为此枝晶组织的显微镜图片；
图4是铸坯中心等轴晶区的显微镜图片；
图5a是铸坯中心的原位分析结构图；
图5b是铸坯1/4处的原位分析结构图；
图5c是铸坯表面的原位分析结构图；
图6是采用本发明所述铸坯微观组织模拟方法的一种加热时间的终材带状组织图；
图7是采用本发明所述铸坯微观组织模拟方法的另一种加热时间的终材带状组织图。
具体实施方式
在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。以下将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。
图1是本发明所述铸坯微观组织模拟方法的流程图，如图1所示，所述铸坯微观组织模拟方法，其特征在于，包括：
步骤S1，测量铸坯设定区域内的微观偏析度，所述微观偏析度包括铸坯微观尺度上的元素浓度差和相应的间距，所述元素浓度差是指微观尺度上相邻元素浓度高点和低点的元素浓度差；
步骤S2，根据钢种和元素浓度差确定铸坯设定区域的元素浓度范围，将不大于元素浓度差对应的间距作为间距范围；
步骤S3，根据所述元素浓度范围和间距范围构建元素浓度分布扩散模型；
步骤S4，根据元素浓度分布扩散模型模拟不同加热时间元素的扩散过程，结合终材性能要求制定铸坯在加热炉的加热时间。
上述铸坯的设定区域可以是分散的区域，但要求能覆盖铸坯研究的重点区域，优选地，所述设定区域包括铸坯中心设定范围内的区域和铸坯锭型偏析高点区域，所述设定范围和高点区域根据钢种和铸坯尺寸设定，例如，铸坯中心区域20*20mm以内的区域。
在本发明的一个实施例中，在步骤S1中，在设定区域测量设定数量的相邻高点和低点之间元素浓度差及间距，将所述设定数量的元素浓度差的最大值作为铸坯所述设定区域的元素浓度差，将多个间距的最大值作为铸坯所述设定区域的间距。
在本发明的另一个实施例中，在步骤S1中，在设定区域测量设定数量的相邻高点和低点之间的元素浓度差及间距，将所述设定数量的元素浓度差的均值作为铸坯所述设定区域的元素浓度差，将多个间距的均值作为铸坯所述设定区域的间距。
在上述两个实施例中，优选地，至少测量20个以上相邻高点和低点的元素浓度差及其对应的间距。
在本发明的一个实施例中，步骤S1的铸坯设定区域的元素浓度差或/和间距，可以通过下述方法中的一种或多种获得：
方法1，采用电子探针(EPMA)测量元素浓度差及其对应的间距，其中元素浓度差可以通过测量设定区域内一定个数(n)的元素浓度差求其最大值，间距可以通过测量一定个数(n)的微观偏析出现的间距求其最大值获得；也可以通过获得一定个数(n)的元素浓度差和对应的间距，取微观元素浓度差平均值和间距平均值，作为设定区域的元素浓度差和间距；
方法2，采用原位分析(OPA)方法获得元素浓度差，可以获得设定区域一定个数(m)的元素浓度，将最大值和最小值的差值作为设定区域的元素浓度差，偏析间距可以通过设定(根据铸坯生产经验设定)给出，从而模拟现有元素浓度范围和给定偏析间距条件下的后期组织演变情况，作为定性评估工艺的手段；
方法3，对铸坯进行酸洗，将设定区域的二次枝晶间距的最大值的一半或取平均值的一半作为铸坯所述设定区域的间距，元素浓度差可以通过方法1或者方法2获得，也可以通过设定(根据铸坯生产经验设定)给出，从而模拟现有偏析间距和设定元素浓度差情况下后期的元素扩散情况，作为定性评估工艺的手段；
方法4，通过铸坯疏松偏析模型模拟铸坯组织和元素浓度分布，从而得到元素浓度差及其对应的间距。
当采用多种方法测试铸坯设定区域的元素浓度差或/和间距时，可以取最大值或者平均值作为最终结果。
在方法3中，中心等轴晶区的二次枝晶并不典型，优选地将铸坯二次枝晶组织的图像中的表示偏析高点出现黑点区域的跨度作为高点和低点之间的二次枝晶间距。
在步骤S3中，可以根据下式(1)通过所述元素浓度范围和间距范围构建元素浓度分布扩散模型
其中，C为设定区域的元素浓度范围，x为设定区域的间距范围，t为扩散时间，D为元素扩散系数。
但是本发明的扩散模型并不限于式(1)的模型，可以是在式(1)基础上所作的变形的扩散模型，例如，可以是添加了与形状有关的系数、碳的扩散激活能的模型。
在步骤S4中，设定加热炉的加热时间时，可以考虑铸坯所有元素随加热时间的扩散程度，也可以只考虑关键元素随时间扩散的扩散程度，甚至可以只考虑C元素随时间扩散的扩散程度，因为铸坯中最主要的是C元素。另外，铸坯的设定区域可以选择多个区域，也可以选择铸坯的关键区域(中心区域、铸坯1/4处、铸坯表面等)，甚至可以只考虑中心区域，因为中心区域的缺陷是最严重的。
在本发明的一个具体实施例中，以某钢厂GCr15为例，一般铸坯中心区域的疏松、缩孔和偏析最严重，所以更加关注中心区域的微观偏析度，当然本方法适合铸坯任何区域。
微观偏析和铸坯的疏松度有紧密的关系，从铸坯显微组织中测试二次枝晶间距λ2可以作为微观偏析度中间距变量的来源，如图2所示，从铸坯的显微照片看，黑点是偏析高点出现的位置，如图3所示，铸坯不同位置处枝晶组织不太相同，在枝晶区测量二次枝晶间距相对容易，而铸坯中心区域一般为等轴晶区，如图4所示，测量二次枝晶间距相对较难，此时可以统计偏析高点出现黑点区域的跨度作为微观偏析度的间距变量来源。
在图4的铸坯中心区域枝晶显微照片，测量至少20个以上黑点的跨度获得微观偏析的间距尺寸，如图4所示的中心区域，如果取测量点的最大间距值为280μm，如果取测量点的平均值作为间距则具体为220μm，这样就获得了微观偏析度的间距变量值。
采用了原位分析(OPA)统计铸坯的中心区域、距离铸坯一侧表面(边部)1/4处和铸坯一侧表面(边部)的C元素分布(即图5中的统计偏析度：C元素在直径为1mm范围内的元素百分含量)，如图5a-5c及下表1所示，
表1
从5a-5c和上表1中给出了不同位置处原位分析得到的元素分布，从中可以看出铸坯中心处的偏析程度最厉害。通过图5a中铸坯中心的C元素分布，可以得到C元素的元素浓度差，即1.949％-0.801％＝1.148％。其中1.949为铸坯中心的C元素最大元素浓度，0.801为铸坯中心的C元素最小元素浓度。
通过本实施例，可以得到GCr15钢种的铸坯样中心区域的两种微观偏析度：
第一种为：最大间距和最大元素浓度差，即280μm和1.148％；
第二种为：平均间距和最大元素浓度差，即220μm和1.148％。
采用第一种微观偏析度得到GCr15钢种的铸坯中心区域的元素浓度范围为1％±0.574％，间距范围为≤280μm。
根据上述元素浓度范围和间距范围变化的采用公式(1)的扩散模型模拟C元素的扩散过程，在高温扩散温度为1150℃，高温扩散时间为5小时后，C元素的最高元素浓度为1.492％，将加热处理后的铸坯经过轧制后得到的终材的带状组织如图6所示，评价等级为3.3,不能满足轴承钢产品的要求，在相同工艺条件下，高温扩散时间为12小时后，C元素的最高元素浓度为1.244％，对应的终材的带状组织如图7所示，评价等级为1.6，可以满足轴承钢产品的要求。
尽管前面公开的内容示出了本发明的示例性实施例，但是应当注意，在不背离权利要求限定的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。根据这里描述的发明实施例的方法权利要求的功能、步骤和/或动作不需以任何特定顺序执行。此外，尽管本发明的元素可以以个体形式描述或要求，但是也可以设想具有多个元素，除非明确限制为单个元素。
Claims (5)
1.一种铸坯微观组织模拟方法，其特征在于，包括：
步骤S1，测量铸坯设定区域内的微观偏析度，所述微观偏析度包括铸坯微观尺度上的元素浓度差和相应的间距，所述元素浓度差是指微观尺度上相邻元素浓度高点和低点的元素浓度差；
步骤S2，根据钢种和元素浓度差确定铸坯设定区域的元素浓度范围，将不大于元素浓度差对应的间距作为间距范围；
步骤S3，根据所述元素浓度范围和间距范围构建元素浓度分布扩散模型；
步骤S4，根据元素浓度分布扩散模型模拟不同加热时间元素的扩散过程，模拟现有元素浓度范围和偏析间距条件下终材组织演变情况，结合终材性能要求制定铸坯在加热炉的加热时间，
其中，在步骤S1中，采用电子探针测量元素浓度差及其对应的间距或采用原位分析方法获得元素浓度差，或，
在步骤S1中，对铸坯进行酸洗，将设定区域的高点和低点之间的二次枝晶间距的最大值的一半或取平均值的一半作为铸坯所述设定区域的间距，并且，将铸坯二次枝晶组织的图像中的表示偏析高点出现黑点区域的跨度作为高点和低点之间的二次枝晶间距，或，
在步骤S1中，通过铸坯疏松偏析模型模拟铸坯组织和元素浓度分布，从而得到元素浓度差及其对应的间距。
2.根据权利要求1所述的铸坯微观组织模拟方法，其特征在于，所述设定区域包括铸坯中心设定范围内的区域和铸坯锭型偏析高点区域，所述设定范围和高点区域根据钢种和铸坯尺寸设定。
3.根据权利要求1所述的铸坯微观组织模拟方法，其特征在于，在步骤S1中，在设定区域测量设定数量的相邻高点和低点之间元素浓度差及间距，将所述设定数量的元素浓度差的最大值作为铸坯所述设定区域的元素浓度差，将多个间距的最大值作为铸坯所述设定区域的间距。
4.根据权利要求1所述的铸坯微观组织模拟方法，其特征在于，在步骤S1中，在设定区域测量设定数量的相邻高点和低点之间的元素浓度差及间距，将所述设定数量的元素浓度差的均值作为铸坯所述设定区域的元素浓度差，将多个间距的均值作为铸坯所述设定区域的间距。
5.根据权利要求3或4所述的铸坯微观组织模拟方法，其特征在于，至少测量20个以上的元素浓度差及其对应的间距。
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