基于二步形核理论的钢液凝固过程中夹杂物细化控制基础研究

Controlling a large number of non-metallic inclusions with small size and dispersive distribution in steel is very important to improve the mechanical properties of steels. It is a key project in steelmaking. There is a certain deviation for controlling inclusions size refinement because the regularity of inclusion formation and the relationship between solidification parameters and the number and size of inclusions based on the classical nucleation theory, cannot reveal the influence of the phase (intermediate) before nucleation to inclusion nucleating and growth. In this project, “a two-step nucleation rate model of inclusions based on the coupling of properties of intermediates and critical nucleus” will be constructed based on the two-step nucleation mechanism and used to study the formation of inclusions in solidification process of liquid steel. The electrochemical method, first principle and molecular dynamics methods will be applied to study the composition, structure and properties of the intermediate and critical nucleus. Thus, the pathway of nucleation and growth of inclusions will be revealed. The influence of melt composition and solidification process parameters to the number and size of inclusions will be investigated by the design experiments based on the Confocal Laser Scanning Microscope (CLSM). On the basis of the above study, the relationship between the melt composition and solidification parameters and the nucleation parameters will be established. The quantitative description on nucleation and growth of inclusions will be studied based on the two-step nucleation rate model, diffusion growth and Ostwald ripening mechanisms. The project has great significance to understand the formation mechanism of inclusions and their size refinement control in steels.

控制钢中形成大量弥散分布的细小夹杂物对提高钢的力学性能有重要作用，是炼钢领域的重要课题。目前，以经典形核理论为基础建立的夹杂物生成规律及凝固工艺参数与夹杂物数量及尺寸的关系，因不涉及临界核形成之前的物相（中间体）对夹杂物形核长大的影响，用于细化控制时存在一定偏差。本项目基于二步形核理论提出了“中间体和临界核性质耦合作用的夹杂物二步形核率模型”，认识钢液凝固过程中夹杂物生成规律。项目拟采用电化学检测、第一性原理和分子动力学方法，研究形核过程中间体和临界核的组成、结构及性质，揭示夹杂物形核长大途径；通过高温激光共聚焦显微镜实验，考察熔体组成和各种凝固工艺参数对夹杂物数量及尺寸的影响；在此基础上，建立熔体组成和凝固参数与形核参数之间的关系；基于二步形核率模型、扩散长大及Ostwald熟化机制，定量描述夹杂物形核长大规律。研究成果对揭示钢中夹杂物形成机理及其尺寸细化控制具有重要意义。

控制钢中形成大量弥散分布的细小夹杂物对提高钢的力学性能有重要作用，是炼钢领域的重要课题。目前，以经典形核理论为基础建立的夹杂物生成规律及凝固工艺参数与夹杂物数量及尺寸的关系，因不涉及临界核形成之前的物相（中间体）对夹杂物形核长大的影响，用于细化控制时存在一定偏差。本项目通过研究钢凝固过程中夹杂物形核路径、二步形核动力学模型及中间体物理化学性质、工艺参数对夹杂物数量及尺寸影响等主要内容，解决了中间体与临界核性质耦合作用下的夹杂物二步形核动力学，构建了二步形核率模型，揭示了凝固过程中夹杂物数量及尺寸演变规律；建立了熔体组成和工艺参数与中间体性质之间的关系，确定了夹杂物二步形核参数（熔体-中间体界面能FC-S、熔体-临界核界面能σI-S、中间体和临界核形成的临界过饱和度SC和SI）等关键科学问题。.项目在以下三方面取得重要进展，并在轴承、重轨等品种钢控制上开展了应用。1，获得了钢中氧化物、硫化物和氮化物形核中间体结构及热力学性质，揭示了夹杂物形核长大途径。2，基于夹杂物形核过程途径，研究了夹杂物形核过程动力学，建立了钢中夹杂物二步形核率模型。3，研究了熔体组成和凝固工艺参数对夹杂物形核长大的影响，基于二步形核率模型解析了工艺参数与夹杂物数量和尺寸之间的关系。.完成了全部研究目标：1）针对钢中典型夹杂物（氧化物、硫化物、氮化物），揭示了夹杂物形核及长大途径，包括中间体、临界核和核长大颗粒的组成、结构及性质的变化规律。2）从形核原理出发，构建了描述夹杂物形核过程中间体与临界核性质耦合作用影响的夹杂物二步形核率模型。3）建立了凝固过程中熔体组成和工艺参数与夹杂物数量及尺寸演变之间关系的定量关系。.项目研究成果深化了对夹杂物从原子尺度到聚集体再到颗粒尺度形核过程的认识，发展了基于第一性原理与分子动力学结合的预测方法。为利用凝固工艺调控夹杂物性质提供了方法和依据。