[发明专利]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

摘要

本发明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，该方法通过确定重轨钢钢轨中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含量的连铸坯凝固组织(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。本发明首次提出通过控制凝固组织的一次枝晶间距达到有效控制硫化锰夹杂物尺寸的目的。

主权项

1.一种降低重轨钢中A类夹杂物评级的连铸坯凝固组织控制方法，其特征在于，其该方法包括如下步骤：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，所述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C_l，i和C_s，i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％；D_s,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T_l为钢液相线温度，所述T_s为钢固相线温度，单位为K；D_l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A_i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。