由于金属凝固是非平衡耗散过程,加之高温、连续化和大规模的冶金生产特点以及热物性数据的匮乏,冶金生产条件下凝固过程的研究十分困难,制约了铸坯质量提升和新技术开发。近年来大型装备制造业,特别是新能源装备制造的快速发展对大型零部件制备提出了新要求。如何消除大型铸件和铸锭组织粗大、宏观偏析、热裂、大尺度缩孔和疏松等铸造缺陷,也成为冶金工作者必须面对的新课题。基于此,我刊推出“冶金凝固过程与均质化技术”专刊,特邀上海大学翟启杰教授、宋长江教授担任专刊主编,收录原创性研究论文、综述报告及典型技术案例,为领域内学者、工程师提供集中展示前沿成果、开展学术对话的交流平台。

随着“双碳”目标的持续推进,废钢在炼钢原料中的比例不断增加。废钢中Cu、Sn、Sb、N等残余元素对钢的制备工艺,尤其是热裂倾向性的影响,已成为制约废钢循环利用的关键问题。本文系统梳理了废钢冶炼中残余元素的来源、分类及其在冶炼过程中的行为特征。在此基础上,综述了热裂形成的主要理论,并对比了各热裂预测判据的适用性与局限性;重点探讨了Cu、Sn、Sb、N四种典型残余元素在钢凝固过程中的偏析行为、析出特征及其对热裂的影响机制。其中,Cu易在晶界富集形成低熔点相,扩大脆性温度区间;Sn和Sb具有较强的晶界偏聚倾向,显著降低晶间结合力;N则通过形成氮化物或影响凝固路径来改变热裂敏感性。最后,分析了当前研究在高废钢比条件下残余元素控制策略、元素交互作用及原位表征技术等方面的不足。

薄带连铸作为契合国家“双碳”目标的钢铁短流程制备技术,具有显著的节能降碳优势,然而,其亚快速凝固过程中的界面行为与传统连铸存在本质差异,尤其在成分体系复杂、附加值高的先进钢种中,界面行为(沉积膜、润湿、传热)与凝固过程耦合作用更为复杂,频发的表面裂纹已成为制约其规模化应用的关键瓶颈。本文围绕薄带连铸钢液亚快速凝固过程中的界面行为研究现状进行综述,重点分析特殊合金元素对沉积膜形成及界面润湿与传热的影响机制,随后综述典型先进钢种表面质量的研究进展,分别探讨高强钢、耐候钢等工业化进展较为成熟的钢种所面临的特殊表面质量问题;最后,对未来薄带连铸表面质量控制方向进行展望,指出突破“界面行为-相变过程-裂纹形成”内在联系的理解、实现界面与凝固过程的协同优化是改善表面质量的关键路径。

强磁场作为1种新兴的非接触式高能物理场,通过洛伦兹力、热电磁力、磁化力、磁力矩及磁晶各向异性能等多种力学、磁学及能量效应,在不改变材料化学成分的条件下调控金属凝固过程,为改善凝固组织与性能提供了新途径。本文系统梳理了强磁场作用下金属凝固行为与组织演变的研究进展,涵盖不同磁场形式及其基本作用方式,归纳了磁场对电阻率、润湿性、扩散系数、相变温度和磁化率等基础物性的影响;从热力学与动力学角度,分析了磁场对熔体流动、动量传输、溶质迁移及固/液界面稳定性的调控机制;总结了磁场对成分偏析、凝固组织形态、柱状晶向等轴晶转变、晶粒细化、晶体取向及第二相颗粒形貌的作用规律。现有研究表明,各类磁效应与温度场、流场、溶质场和界面演化相互耦合,其主导作用受磁场强度、方向与梯度、温度梯度、凝固速率及合金磁化率等因素共同影响。最后,提出建立多磁效应竞争与协同的定量判据,发展数据驱动预测和强磁场高温原位表征技术,以推进磁场凝固技术的工程化应用。

变组分延迟浇注方法是大型钢锭改善宏观偏析的重要手段之一,但其作用机制及工艺参数影响规律尚不清晰。本文基于自主建立的宏观偏析数值模型,对不同延迟浇注工艺参数条件下宏观偏析行为进行了系统分析。研究结果表明,增加浇注延迟时间、增大钢包间成分差异、提升冒口浇注高度均会使铸锭中心正偏析程度逐步降低,但会加剧工艺影响过渡区的成分梯度,导致局部成分不均问题愈发明显。进一步分析发现,延迟浇注会在凝固前沿形成沿界面向下的液流,改变熔池内溶质的输运规律,并快速重塑局部温度与溶质分布状态;与此同时,高温、低溶质含量钢液的汇入,还会造成凝固前沿发生局部重熔。因此在设计延迟浇注工艺时,需综合考量中心正偏析的控制效果、过渡区成分均匀性以及凝固前沿的稳定性,以此实现大型钢锭宏观偏析的精准调控。

扁平形多孔浸入式水口是薄板坯高拉速连铸的关键设备,其出口孔数增加可保障钢液供给,但会复杂化结晶器流场并影响传热、凝固和溶质输运过程。为揭示水口结构作用规律,本文针对Q235B钢薄板坯连铸过程,建立耦合流动、传热、凝固、溶质输运及恒定背景磁场的三维数值模型,分析四孔和五孔水口在不同拉速下对流场、温度场、坯壳生长及碳偏析的影响。结果表明,水口孔数和空间分布显著改变射流分配与回流结构。五孔水口因出口增多且内腔空间较小,在相同拉速下出口射流速度较高,结晶器内形成更明显的多股射流,弯月面下方0.4 m处速度峰值约1.6 m/s,高于四孔水口的0.9 m/s;其横向流动促进过热钢液向下部和窄面输送,减小水口附近高温区并改善结晶器近窄面区域温度均匀性。坯壳生长受拉速影响明显,随拉速升高,2种水口出口坯壳均减薄,应用四孔水口时变化更显著。碳偏析受钢液流动、热量输运和溶质偏聚共同控制,在钢液的冲刷下凝固前沿会形成正偏析区。随拉速升高,五孔水口峰值位置逐渐下移,且保持在1.20~1.22范围内,受拉速提升影响较小。综上所述,合理匹配多孔水口结构与高拉速工艺参数,有利于改善结晶器内流场组织、保障结晶器出口坯壳厚度并减轻中心偏析。

随着重大装备和能源工程的发展,超大型金属铸件在核电、船舶、风电、冶金及重型机械等领域的市场需求持续增长,对其内部质量与性能提出了更高要求。为阐明超大型钢锭的凝固机制,本文采用三维混合柱状晶-等轴晶-液相多相凝固模型,模拟了303 t 16Mn钢锭的冷却与凝固过程。该模型基于体积平均多相框架,通过求解流动、传热、溶质传输和等轴晶数密度方程,计算了铸锭在凝固过程中的钢液流动、等轴晶的运动、溶质在固液界面的再分配和凝固相变过程潜热的释放,实现了对等轴晶和柱状晶多相凝固过程的预测。该模型考虑了由树枝晶高次枝晶臂断裂而造成的等轴晶形核机制,计算了等轴晶在传输过程中的凝固和熔化现象。研究结果表明,钢锭底部和侧壁区域冷却速率最高,促进了柱状晶的快速生长;凝固前沿附近枝晶臂的断裂产生大量等轴晶,较重的等轴晶在重力作用下沉降并在铸锭底部区域聚集。该机制促进了柱状晶向等轴晶的组织转变,导致铸锭底部形成倒三角形状的等轴晶区。等轴晶分布对宏观偏析的分布影响显著:在铸锭底部,溶质贫化的等轴晶晶粒聚集,导致该位置出现负偏析;富集溶质元素的熔液在凝固过程中持续上浮,导致铸锭轴线和顶部冒口附近形成显著的正偏析。同时,模型预测到了冒口区域附近通道偏析的形成,模拟得到的宏观偏析分布及凝固组织与试验和以往发表的铸锭解剖试验结果分布规律一致。

高强双相汽车钢DP590钢应用广泛,但在日趋严苛的使用环境下,由铸坯内部质量缺陷引起的轧材均质性问题开始逐渐凸显,而连铸轻压下工艺是解决这一问题的有效技术途径。针对DP590双相汽车钢连铸板坯的中心疏松、缩孔、中间裂纹等内部缺陷,本研究结合数值模拟与热模拟试验,系统分析了不同压下量下铸坯的热状态与微观组织演变规律,以此确定合理的轻压下量控制区间。研究结果表明,轻压下作用可有效传递至铸坯中心区域,当压下量由0 mm增加至18 mm时,铸坯中心节点温度降低0.633 ℃,一定程度上加快了中心凝固进程,但同时铸坯中心形变波动显著增大,中心裂纹萌生与扩展风险随之提升。应力应变分布规律分析显示,铸坯表面应力主要集中于角部区域,且外弧应力水平明显高于内弧,内弧应变值显著大于外弧。随着压下量增大,铸坯内外弧整体应力同步升高,内弧应变增幅尤为显著,进而导致铸坯宽度方向变形不均,产生不均匀展宽现象。热模拟试验进一步证实,轻压下工艺可有效细化铸坯凝固组织,同时对块状铁素体的析出行为产生显著影响。其中,距铸坯内弧1/4厚度位置处,9 mm压下量对应的凝固组织均匀性最佳,可有效抑制铸坯中间裂纹的产生。

针对连铸坯中夹杂物成分空间分布难以测量和预测的问题,本文以某钢厂生产的280 mm×380 mm大方坯为研究对象,将Brody-Fleming偏析方程与夹杂物成分转变热力学和动力学模型进行了耦合,9种元素的平衡分配系数均采用FactSage 计算,并拟合为液相分数的线性函数,所建立的耦合模型在完善元素热力学性质描述的基础上,实现了连铸过程中钢中溶解元素含量和夹杂物含量三维空间分布及动态演变的同步预测。计算结果表明,模型能够较好表征连铸过程中溶质元素和夹杂物含量的空间分布特征。在弯月面以下27 m处,连铸坯中心区域计算得到的总硫质量分数约为0.007%、总铝质量分数约为0.003 8% 、溶解铝质量分数约为0.002 64%。由于连铸坯不同位置溶解元素含量存在差异,所以夹杂物成分演变规律也表现出明显的空间不均匀性。在连铸坯边部,夹杂物含量计算结果与测量结果较为接近;在连铸坯内部,Al₂O₃、CaO、CaS和SiO₂含量的计算结果与测量结果吻合较好,而连铸坯中心区域MnS含量的计算值高于测量结果。受MgO热力学性质影响,其计算结果与测量结果主要在数值上较为接近,但在空间分布规律上仍存在差异。总体而言,模型计算得到的元素含量与试验测量结果具有较好的一致性。

针对连铸坯一火材工艺制备高标轴承钢常见的夹杂物型水浸探伤不合问题,本文从精炼与浇注源头系统探究了该类缺陷的来源与形成机制,并提出基于结晶器内钢水流动控制的有效措施。通过对轧材探伤缺陷部位、冶炼过程钢液和铸坯中夹杂物特征以及水口结瘤物成分的关联分析,本文发现轧材中呈链状分布的大尺寸Mg-Al-(Ca)-O类复合夹杂物是造成水浸探伤不合的主要诱因。钢中内生Al₂O₃和MgO-Al₂O₃夹杂物在浇铸过程中聚集在水口内壁形成结瘤,结瘤物脱落后未能在结晶器中有效上浮,进而从铸坯遗传到轧材中。结瘤物上浮效果差是由结晶器流场不合理造成,为此采用1∶1物理模拟并结合数值模拟的方法优化了水口结构。基于此,本文所提出的上倾角式四侧孔浸入式水口,可在不引起液面异常波动和卷渣的前提下,活跃结晶器流场并促进夹杂物上浮去除,采用该水口浇注后,高标轴承钢一火材的水浸探伤合格率由62%提高至95%以上。

随着海洋装备逐步向深远海与极寒区域延伸,大厚度海洋工程用钢对低温强韧性和服役可靠性提出了更高要求。为解决厚钢板芯部组织易粗化、韧性差的难题,利用亚微米级非金属夹杂物诱导针状铁素体异质形核的氧化物冶金技术,已成为改善其心部组织与性能的核心手段。然而,在实际大断面连铸凝固过程中,各类夹杂物极易发生碰撞、团聚并生成大尺寸有害颗粒,该现象不仅破坏细小夹杂的均匀分布,还会割裂钢基体,诱发疲劳开裂。现有化学改性手段与依托斯托克斯定律开发的物理净化工艺,难以同时实现“去除大尺寸有害夹杂物”与“细化弥散小尺寸有益夹杂物”的双重目标。针对这一亟待解决的夹杂物均匀化调控难题,本研究基于电流密度梯度驱动理论,提出了1种利用脉冲电流调控钢液凝固过程中夹杂物均匀化分布的新方法,并系统探究了脉冲电流对夹杂物均匀化分布的调控机制。研究结果表明,脉冲电流频率是决定夹杂物迁移效率的关键参数。工业连铸试验进一步证实,脉冲电流可驱动铸坯心部聚集的夹杂物向坯体两侧迁移,从而消除铸坯心部严重的夹杂物富集现象,实现非金属夹杂物在铸坯全断面上的均匀分布。与此同时,经脉冲电流作用后,夹杂物平均尺寸显著降低,细小夹杂物的比例显著提高,这是由于夹杂物界面微区电流绕流引发的局部焦耳热效应降低了夹杂物的表面能,提升了钢液对非金属夹杂物的润湿性,进而提高了夹杂物间碰撞聚合的热力学势垒,抑制了夹杂物的碰撞长大。

特厚板坯因断面尺寸大、凝固时间长,故传统电磁外场控流技术难以有效改善其中心偏析。电磁旋流技术作为1种由内向外调控钢液流动的新型电磁控流方法,可实现对结晶器内初始流场的有效调控。本文针对国内某钢厂450 mm厚特厚板连铸机尾炉非稳态浇注工况,在电流 600 A、频率 50 Hz条件下开展电磁旋流工业试验,并结合多物理场耦合数值模拟,研究了电磁旋流作用前后结晶器内钢液流动模式的变化特征。结果表明,电磁旋流技术可明显改善特厚板尾炉铸坯中心偏析,偏析评级均控制在C1.0以内。在电磁旋流作用下,结晶器内初始射流呈低速、均匀、稳定、低冲击深度的S型分散流动特征,有利于减轻对初始凝固坯壳的冲刷。

针对国内某企业双真空冶炼Inconel 718合金铸锭中存在的偏析与组织不均匀问题,采用有限元数值模拟、热力学计算及微观组织表征等手段,系统研究了真空自耗熔炼过程中的熔池演化规律、枝晶组织特征与元素偏析行为,以及均匀化处理中Laves相回溶及Nb扩散动力学特性。研究结果表明,真空自耗熔炼过程中,熔池形貌由初始浅平逐渐演变为稳定的“U”形;糊状区的扩展使枝晶尺寸由铸锭表层向中心逐渐粗化。Nb、Mo等元素在枝晶间呈现明显正偏析,铸锭整体表现为顶部组织劣化、中心偏析加剧的不均匀特征,其中顶部中心区域的Nb偏析系数最高达2.86。在均匀化过程中,Laves相逐渐回溶,Nb元素分布趋于均匀。动力学分析表明,Laves相体积分数随均匀化时间呈指数衰减。通过优化两段式均匀化工艺,Nb残余偏析指数由铸态的1.00降至0.14,最终确定最佳均匀化制度为1 160 ℃保温20 h后升温至1 180 ℃保温45 h,所建立的残余偏析指数模型可为Inconel 718合金均匀化工艺的优化提供理论依据。经上述工艺制备的合金棒材整体组织致密均匀,无明显宏观缺陷,平均晶粒度达8~10.5级,室温及高温拉伸性能、持久性能及冲击韧性均优于国家标准要求。

微米级球形合金颗粒在电子封装及半导体制造等领域具有重要应用前景,其微观组织与性能主要取决于快速凝固过程中的枝晶生长行为。本文以Al-4.5%Cu(质量分数)合金微球为研究对象,针对其脉冲微孔喷射法制备过程,建立耦合传热与传质的枝晶生长相场法三维数值计算模型,并系统探讨过热度及多枝晶竞争对枝晶生长行为的影响规律。结果表明,模拟所得二次枝晶臂间距(20.76 μm)与试验测量值(21.85 μm)的相对误差为5.3%,验证了模型的可靠性。凝固过程中,枝晶呈周向生长特征,优先沿球表面蔓生形成壳层,随后向内部推进,初始过热度对枝晶形貌影响显著。单晶核条件下,当过热度高于某一临界值时,微球内部形成稳定温度梯度,枝晶沿球表面蔓生生长,最终形成“球壳”结构;多晶核体系中,随过热度增加,枝晶臂由粗壮趋于细长,且向球体内部的径向生长受明显抑制。多枝晶生长过程呈现从初期独立生长向后期竞争抑制的演变特征,先形成晶核通过改变局部热溶质场而占据生长优势,最终主导微球的组织分布特征。

表面横裂纹是低碳微合金钢板坯连铸过程中的常见质量缺陷,严重影响铸坯质量与生产效率。本研究针对EH40钢连铸生产实际,提出1种适用于二冷区的双相变冷却制度,并通过热模拟试验研究该制度下铸坯表层奥氏体晶粒的生长行为。结果表明,在一次相变阶段,较高的冷却速率可抑制沿晶界析出的膜状先共析铁素体,促使铁素体在晶内呈弥散分布;在二次相变阶段,晶内铁素体重新转变为新生奥氏体,对原始奥氏体晶粒起到分割作用,进而细化晶粒。与现行冷却制度相比,双相变冷却制度对铸坯表层奥氏体晶粒具有显著的细化效果,其中矫直段起点处表层晶粒最大尺寸减小约60%,连铸结束并空冷约3 000 s后仍可减小约50%。因此,在连铸生产中采用双相变冷却制度可显著细化EH40钢铸坯表层奥氏体晶粒,有利于降低矫直裂纹敏感性。

为了研究Mo元素对轻质钢中强化相析出行为的影响规律,通过亚快速凝固工艺制备了Fe-20Mn-9Al-1.2C-xMo(x=0, 1.0%, 2.0%, 3.0%, 4.0%,质量分数)轻质钢,系统探究了Mo元素含量对强化相析出结构演变及力学性能的调控作用。结果表明,轻质钢的屈服强度随Mo元素含量增加呈现先降低后升高的变化趋势。组织分析显示,Mo元素的添加提高了κ-碳化物的形成能,并缩窄其析出温度区间,导致κ-碳化物尺寸减小、数量减少;同时,Mo元素的添加促进了晶界Mo₂C颗粒的析出,显著细化奥氏体晶粒。值得关注的是,仅添加0.5%(质量分数)Mo即可促使奥氏体中形成短程有序结构(SRO),且SRO数量随Mo含量增加而增多,有效提高了奥氏体基体的强度。定量强化机制分析表明,高Mo钢中强度的回升主要归因于SRO结构提供的本征强化增量(约94.8 MPa)及Mo₂C引起的细晶强化,二者有效弥补了κ-碳化物减少所导致的强度损失。

为明确冷却速率与钛含量对含钛无取向硅钢析出相及显微组织的影响规律,以钛质量分数分别为0.000 9%和0.002 5%的30Y无取向硅钢连铸坯为研究对象,采用高温激光共聚焦热处理、场发射扫描电镜(FESEM)及电子背散射衍射(EBSD)等方法,分析了在1、10及50 ℃/s三种冷却速率下试样的析出相特征、晶粒组织及织构演变规律。结果表明,试样中主要析出相为MnS、Cu₂S等硫化物及AlN,高钛试样中还存在TiN、TiC等含钛析出相,各类析出相尺寸多在200~500 nm,呈不规则分布;随冷却速率升高,高、低钛试样的析出相总数及硫化物数量均呈下降趋势。钛元素促进析出相形核,故高钛试样在各冷却速率下的析出相数量均显著高于低钛试样,且慢速冷却时钛化物数量最多,AlN数量则随冷却速率升高略有增加。织构演变方面,低钛试样在10 ℃/s冷速下呈现有利取向富集,在50 ℃/s时最有利取向进一步强化;高钛试样在50 ℃/s时,有利织构{110}<001>的面积占比显著增加至35.7%,同时不利取向几乎完全消除,表明其磁性能相关取向达到最优状态。综上,提升冷却速率可整体强化有利磁性能取向并削弱不利取向,钛含量与冷却速率的协同调控可为含钛无取向硅钢析出相及组织织构的优化提供有效途径。

本文系统研究了加压对高氮不锈钢电渣重熔铸锭物性参数和凝固组织的影响规律,揭示了加压对二次枝晶间距与析出相的影响机制。采用Thermo-Calc热力学软件计算了0.5~10.0 MPa压力范围内的相图、固液相线温度、密度及热焓,并在0.5、1.0、1.5 MPa压力下进行加压电渣重熔试验。结果表明,压力对物性参数的影响较小,在0.5~1.5 MPa范围内可忽略不计;随着压力增大,铸锭各部位的二次枝晶间距显著减小,边部由94.4 μm降低至71.9 μm,加压降低了电极熔速,使熔池变浅、温度梯度增大,同时改善界面传热、提高冷却速率,从而抑制枝晶粗化。铸锭中的析出相主要为颗粒状M₂(C,N)和片层状M₂₃(C,N)₆两种碳氮化物,其面积占比随压力增大明显下降。加压通过细化枝晶缩短溶质扩散距离、改善枝晶间偏析,从而限制析出相生长。偏析比R_S计算显示,加压后心部R_S降低、边部R_S升高,整体趋于1,表明宏观偏析得到改善。

20CrMnTi齿轮钢连铸凝固过程中大尺寸的TiN会显著降低产品的耐腐蚀性能,再加热是调控TiN尺寸与分布的关键手段之一。本文开展了不同加热温度(900、1 000、1 100 ℃)与不同保温时间(0.5、1.0、1.5、2.0 h)下的加热试验,并对加热处理后坯不同位置处的试样进行电化学试验,借助全自动夹杂物分析系统和电化学工作站,揭示了加热工艺对TiN夹杂物演变的影响规律,阐明了加热工艺对耐腐蚀性能的作用机制,明确了加热工艺-TiN特征-耐腐蚀性能三者之间关系。结果表明,提高加热温度、在 0.5~1.5 h 区间内延长保温时间,能够有效促进 TiN 固溶,使TiN 颗粒数量减少、尺寸细化、形貌圆滑。若保温时间延长至 2.0 h,Ti元素与N元素扩散速率不匹配会造成基体局部溶质过饱和,促使 TiN 二次析出,颗粒数量有所增加。电化学性能测试表明,当 TiN 数量减少、大尺寸颗粒占比降低时,试样极化电阻由10⁴ kΩ·cm²量级提升至10⁵ kΩ·cm²量级,耐腐蚀性能显著改善。综合考量后确定最佳加热工艺为加热至1 100 ℃保温1.5 h,该条件下TiN减少率达94.83%,极化电阻达2.03×10⁵ kΩ·cm²。

高Ti含氮316Ti钢凝固过程中易生成粗大TiN夹杂物及其团簇。通过改变Ti、N元素质量分数及其添加顺序,系统研究了TiN夹杂物的析出、长大及团簇演化行为。采用扫描电镜结合ImageJ软件分析了夹杂物的形貌、数量及尺寸分布。利用FactSage热力学计算和微观偏析模型,理论解析了Ti、N含量对TiN析出热力学和动力学的影响。结果表明,Ti质量分数由0.2%增至0.6%时,TiN析出起始温度从1 419 ℃升至1 495 ℃,液相析出区间扩大,有利于高温下TiN长大;N质量分数由0.004%增至0.009%时,起始析出温度从1 421 ℃升至1 505 ℃,TiN夹杂物总数由21个增至41个,数密度由190.9 mm^-2升至372.7 mm^-2,中大型团簇数量占比由33.3%升至48.8%。凝固过程中,固相率超过0.9后,凝固前沿液相中[Ti]·[N]浓度积急剧升高,促进TiN在凝固末期析出并团聚。相较于合金化前增N,合金化后增N可使1 450 ℃取样节点处的TiN生成量减少65%,显著抑制TiN在高温液相区的析出。