界面作用控制钢中夹杂物遗传特性及其晶粒细化机制

This project aims to discover and reveal the influence and mechanism of smelting, casting, rolling and heat treatment on interfacial interaction between ferritic stainless steel matrix and inclusions and genetic characteristics of inclusions. Segregation and existing state of elements including C, N, S, O, etc. as well as its effects on interfacial interaction between ferritic stainless steel matrix and inclusions, grain size of steel and formation of acicular ferrite are illuminated. Internal and quantitative relations among technological parameter, genetic characteristics of inclusions, grain size and mechanical property of ferritic stainless steel matrix are clearly clarified. Combined with relevant pilot tests, thermodynamic and dynamic theoretical models to control and predict genetic characteristics of inclusions are constructed. In this study, theoretical and practical foundation is established to open up a new approach to refine grain size and enhance mechanical property of ferritic stainless steel matrix.

本项目拟以铁素体不锈钢及其内部夹杂物作为研究载体，探索和揭示不同冶炼、浇铸、轧制以及热处理工艺条件对铁素体不锈钢钢基体与夹杂物之间界面作用以及夹杂物遗传特性的影响规律和机理。阐明钢中C、N、S、O等元素在钢基体晶界和夹杂物附近的偏聚和存在状态，及其对铁素体不锈钢钢基体与夹杂物之间界面作用、钢的晶粒度以及晶内针状铁素体形成的影响性。明晰“工艺参数-夹杂物遗传特性-钢基体晶粒度-机械性能”四者之间的内在联系和定量关系，最终构建相应的热力学和动力学理论模型，定量调控和预测夹杂物的遗传特性，并结合相应工业实验，为开辟一条利用夹杂物细化铁素体不锈钢钢基体晶粒，强化铁素体不锈钢钢基体机械性能的新工艺途径奠定理论和实践基础。

本项目研究了精炼、凝固、热处理以及轧制过程中430铁素体不锈钢中夹杂物的衍变规律和界面影响机理，揭示了整个生产流程中夹杂物物化特性之间的关联性和遗传机制，结合热力学和动力学数学模型，实现了生产过程中对430铁素体不锈钢中夹杂物的精准调控，有利于进一步细化钢基体晶粒，强化钢基体性能。.研究结果表明：（1）高温平衡实验表明，1600℃下不锈钢中夹杂物以复合SiO2-MnO-Al2O3-Cr2O3氧化物为主。随着精炼渣碱度的增加，夹杂物中Al2O3含量增加，钢中全氧含量、夹杂物平均尺寸和夹杂物密度逐渐降低。（2）构建了钢渣界面液态夹杂物的转移模型，探究了影响夹杂物在钢渣界面去除的因素。降低夹杂物与精炼渣之间的界面张力，降低精炼渣的粘度有利于夹杂物的去除。当夹杂物不能进入渣层时，界面张力决定了夹杂物的最终分离率，增加精炼渣的粘度会降低夹杂物的速度。（3）基于热力学软件和溶质偏析模型，对不锈钢凝固过程中非金属夹杂物的析出过程展开了热力学和动力学分析。在钢液凝固率为0.8时，Si、Mn、Al、C、P、S、O等元素产生明显偏析；当钢液偏析比为0.9时，N元素有明显的凝固偏析；在凝固末端时，Cr元素才有少量偏析趋势。根据吉布斯自由能计算可知，钢液中有SiO2、Al2O3、MnO、Cr2O3夹杂物析出，在凝固末端有MnS夹杂物析出。（4）根据二次枝晶间距和凝固冷却速度的关系，在本研究实验中采用炉冷、空冷、液氮和水冷四种冷却方式处理钢液时，夹杂物平均尺寸与冷却速率的关系为：d=6.786ν-0.385。（5）铸态430不锈钢在1200 ℃热处理过程中，钢中的[Cr]、[Mn]和[Ti]可与Mg-Al-Si-Ca氧化物相中的SiO2发生反应，从而形成Al2O3-TiOx-Cr2O3-MnO相。（6）1100和1400 ℃恒温加热过程中，钢基体中的Cr、Mn、Si会与氧化物中的CrOx、MnO、SiO2发生反应，保温4 h后界面处基本达到化学平衡。液态渣中的铬氧化物主要为CrO，随着温度降低，主要转化为尖晶石相中的Cr2O3。（7）计算了1100和1400 ℃下相关元素在430不锈钢中的扩散系数。1400 ℃下Cr和Mn的扩散系数范围分别为1.10~3.04×10-12和0.71~1.38×10–11 m2·s-1，1100 ℃下Mn和Si的扩散系数范围分别为0.62~3.62×10-13