钢铁反向凝固法生产复合奥氏体不锈钢薄带的研究张建张立君王万军甄同乐许中波王新华（北京科技大学）究了反向凝固法生产复合奥氏体不锈钢薄带的可行性。实验表明，随着母带在钢液中浸渍时间的增加，新相层的生长经历快速生长、平衡相持和迅速回熔阶段新相层厚度随着钢液过热度的增加而近似线性地减少。此外，母带表面状态、母带在钢液中的浸渍时间及钢液过热度对铸带质量有显著影响，控制合适的工艺参数可以获得质量优良的铸带。
前言薄带连铸技术是世界钢铁工业界正在努力开发的前沿技术。反向凝固连铸技术作为一种崭新的薄带连铸技术，突破了传统的连铸和轧制模式，其原理简单，流程简洁紧凑，能耗和生产成本低，可实现性高，已受到广泛的重视。反向凝固工艺的原理为，将一定厚度的热轧或冷轧钢带作为母带，低温母带以一定速度由下而上穿过凝固器中一定高度的钢液钢液在低温母带的两个表面凝固生长，形成新生相凝固层（简称新相层）离开凝固器钢液表面时，新相联系人：王新华，教授，北京（ 100083）北京科技大学冶金学院层和母带牢固地结合在一起，形成数倍于原母带厚度铸带刚刚离开凝固器的铸带表面还处于半凝固状态，置于凝固器上部的平整轧辊对此铸带进行平整初轧，从而得到表面平整、厚度均匀的薄带由反向凝固工艺原理可以看出，采用反向凝固连铸技术可以方便、连续地生产经济型复合薄带，它有别于目前复合板带的主要生产方法如热压轧制法、爆炸法、爆炸轧制法、焊接法及浇铸轧制法等具有一定的优势。实验研究已经证实了反向凝固法生产复合铁素体不锈钢薄带及复合马氏体不锈钢薄带的可行性，但是国内外对复合奥氏体不锈钢薄带的研究尚属空白。鉴于奥氏体不锈钢消费量占整个不锈钢用量的65～70 [3 ]，开发奥氏体不锈钢复合薄带具有很大的经济意义，为此，作者对反向凝固法生产复合奥氏体不锈钢薄带的可能性进行了实验研究。
实验方案将厚度为1. 2 mm的15F热轧碳素结构钢薄板裁成长、宽分别为250 mm、20 mm的窄条用作母带，对母带进行碱洗、酸洗以及其它表面处理。实验过程中，在氮气保护气氛下，将3 kg典型奥氏体不锈钢1Cr18Ni9试料置于刚玉坩埚中，在功率为50 kW汤曼炉（ Tamman炉）内加热熔化。实验涉及的材料参数列于表1.通过WRe热电偶测控炉内温度，用Pt Rh― Pt热电偶间断地直接测量钢液温度，以达到校正控制钢液温度的目的。钢液加热到预定的实验温度后，将预先制备的母带从炉口上方插入坩埚熔池中，在一定的浸渍时间后从熔池中取出，获得凝固铸带。将铸带制成金相试样，采用金相、SEM方法分析铸带界面的结合性能。
材料钢种主要成分/液相线/℃固相线/℃长×宽×厚/m m母带新相层3实验结果和讨论3. 1新相层的增长规律母带厚度、母带的初始温度、钢液过热度以及母带在钢液中的浸渍时间是影响铸带中新相层生长的主要因素。
浸渍时间的影响实验中，采用相同的酸洗处理工艺对母带进行表面处理，使之具有大致相同的表面状态，控制钢液温度在1 467～1 473℃，浸渍时间从0 s起每隔约0. 5 s取一个水平，直至母带表面的新生相凝固层全部回熔。考察新相层厚度L随浸渍时间t的变化规律。
根据实验结果可得回归方程式（ 1）.
本次实验的条件下在浸渍过程的初始阶段，随浸渍时间的增加新相层厚度迅速增长，称此阶段为快速生长阶段当浸渍时间达到2 s时，新相层厚度基本不再增加，在2～5 s的时间段内，厚度稳定在2. 5 mm附近，称此阶段为平衡相持阶段浸渍时间在5s以后，已经凝固的新相层开始回熔，其厚度逐渐减薄，并且在很短的时间内熔化完毕，称此阶段为迅速回熔阶段。
对反向凝固实验现象的分析可知，铸带中温度梯度的变化导致铸带新相层中热量收支在非平衡与平衡状态之间转化，推动了新相层凝固前沿的生长、停滞和回熔。新相层厚度变化的三个阶段，正是浸渍实验过程中新相层与母带、新相层与钢液之间的热交换由不平衡到动态平衡（或接近平衡）进而又进入不平衡状态的宏观体现。
钢液过热度的影响当采用相同的酸洗工艺处理母带表面并控制母带在钢液中的浸渍时间于3. 0 s时，得到钢液过热度与新相层厚度的关系。
从中可见，钢液过热度在8～93℃的范围内变化时，随着钢液过热度的增加，铸带新相层厚度近似线性地减少，直至最后过热度达到93℃时，母带在3 s的浸渍时间内熔化。新相层厚度L与钢液过热度ΔT的关系可用回归方程式（ 2）来表示：3. 2铸带的质量铸带质量是评判反向凝固工艺的重要标准，其中铸带的界面结合质量是影响铸带质量的限制性环节。实验中，通过针对性的试验安排考察了母带在钢液中的浸渍时间、钢液过热度及母带表面状态对铸带质量的影响。
母带表面状态的影响采用不同的表面处理工艺制备实验用母带，如序号分类典型处理工艺原始表面商品钢板未经处理的表面酸洗表面碱洗酸洗水漂擦干烘干活化表面碱洗酸洗水漂活化擦干烘干打磨表面碱洗 150号砂纸碱洗酸洗砂轮将未经表面处理的母带作为母带表面状态水平之一，以利于和其他母带表面状态进行对比。实验发现，未经表面处理的母带所对应的铸带，其奥氏体不锈钢相与母带基本不产生冶金结合，在钢液温度及浸渍时间控制合适的条件下，铸带界面裂缝清晰，凝固的新相层如同一层外壳包裹于母带周围。
母带表面经活性处理后，铸带界面的结合状态并没有获得预期的效果。首先，母带表面活化后，界面结合状态对钢液过热度的变化很敏感，即在较高的过热度下，如90℃，不锈钢液几乎不能在母带表面粘附。其次，在其他工艺条件合适时，铸带界面仍存在间断的裂缝缺陷。
当母带表面经酸洗或打磨处理后，控制合适的钢液过热度和浸渍时间，铸带中奥氏体不锈钢新相和母带之间可以实现良好的界面结合。图3示出了母带经酸洗处理后获得的铸带界面，铸带中包含了三种不同的组织，分别标示出组成铸带的不同区域：母带区、过渡区和奥氏体不锈钢新相层。母带区为典型的大晶粒粗晶组织，主要由先共析铁素体、魏氏组织铁素体和珠光体等组成，靠近界面时珠光体含量逐渐减少。界面左侧紧邻过渡区的是新相层中不锈钢等轴晶区，等轴晶区连接了逐渐粗化的柱状枝晶直至铸带边界。从界面处放大6000倍的二次电子像（图3（ b） ）可见，铸带在过渡区结合良好，实现了无缺陷冶金结合。
分析上述工艺条件下的钢液温度和母带固、液相线的关系可见，实验控制的钢液温度1467～1 473℃小于母带的理论固相线温度1481℃和液相线温度1 521℃，不能在宏观尺度上使母带熔化。实验中，当浸渍时间达到7. 1 s时，铸带上已经凝固的新相层全部回熔而母带并未熔化的事实证实了这一点。
由此可以推论，钢液温度超过母带的液相线温度并非是获得良好的铸带界面结合质量的必要条件3. 2. 2浸渍时间的影响在考察浸渍时间对新相层厚度变化的影响的同时，采用金相显微分析方法检验了每一条实验铸带的质量情况。控制钢液温度在1 467～1473℃内，当浸渍时间小于1. 0 s时，铸带的表面有严重的纵向和横向裂纹，而且界面处两相间存在宏观可见的裂缝当浸渍时间在1. 0～3. 0 s时，表面裂纹消失，界面处的裂缝由宏观尺度渐变为微观尺度、由连续变为间断当浸渍时间在3. 5～6. 0 s时，铸带界面结合基本良好，铸带宽度方向的两个边缘处开始出现回熔迹象浸渍时间继续增大时，边缘处的回熔区增大，直至最后凝固的新相层全部重新熔化。
实验证明，在3. 5～6. 0 s的浸渍时间区域内，可以获得质量良好的实验铸带。这个时间区域与新相层厚度的平衡相持阶段基本重合，可以确定对应实验条件下的浸渍时间窗口为3. 5～6. 0 s.
钢液过热度的影响钢液过热度对铸带质量也产生较大影响。在较小的钢液过热度下，铸带虽能获得很好的表面质量，但其界面普遍存在程度不同的裂缝缺陷当过热度很大时，铸带宽度方向两侧的完全回熔区很大。实验发现，浸渍时间为3. 0 s时，钢液过热度在35～50℃时，铸带质量良好。由此可以初步确定相应实验条件下的钢液温度窗口为过热度35～50℃。
需要指出的是，浸渍时间和钢液温度之间存在交互作用，即时间窗口中的某一浸渍时间对应有其独特的温度窗口，反之亦然。
（ 1）采用反向凝固技术，以奥氏体不锈钢作为新相层材料，控制合适的工艺参数，可以获得界面结合质量和表面质量优良的铸带。
（ 2）母带的表面状态、铸带在钢液中的浸渍时间以及钢液过热度对铸带的质量有显著影响。存在可控的浸渍时间窗口和钢液温度窗口。
（ 3）其他工艺条件一定时，随着浸渍时间的增大，铸带新相层的生长经历快速生长阶段、平衡相持阶段和迅速回熔阶段。
（ 4）随着钢液过热度的增加，铸带新相层的厚度近似线性减少。
（ 5）凝固器中钢液温度大于母带液相线温度并不是获得界面质量优良的复合奥氏体不锈钢铸带的必要条件。
最近，为了降低坯料成本，提高产品成材率，对该厂的5号连铸机（圆坯连铸机）进行了改造，开发了O330 mm圆坯连铸技术。
该5号连铸机是6流弧型连铸设备，考虑到O330 m m的需要量，只改造其中的1流改造，铸造的钢种为0. 18 ～0. 48 C钢（包括一部分高强度钢）及2. 25 Cr钢。
经改造后，通过实际操作，得到了良好的结果。连铸出的O330 mm大断面圆坯，其表面和内部均无裂纹等缺陷，中心疏松也很小，振痕部的凹度与同时铸造的O330 m m铸坯的相等。用O330 mm圆坯制成钢管后，通过磁探伤和超声波探伤，确认钢管表面及内部质量均无问题。
