微合金钢TSCR工艺过程奥氏体晶粒尺寸预测方法

技术领域

本发明涉及微合金钢连铸及轧制工艺过程组织性能预测方法领域，提供了一种微合金钢薄板坯连铸连轧(TSCR)工艺过程奥氏体晶粒尺寸预测方法。

背景技术

铸坯中奥氏体晶粒尺寸对铸坯质量、轧制过程再结晶行为、轧制后冷却过程相变行为以及相变后晶粒尺寸有重要的影响。相较于传统工艺，薄板坯连铸连轧(TSCR)工艺过程具有其独特的冶金特征，这些特征致使其奥氏体生长规律也与传统工艺有明显的差异。TSCR工艺轧前铸坯组织仍为粗大的原始奥氏体组织，远大于传统工艺。从而使得TSCR工艺对细化铸坯组织的需求高于传统工艺。因此，对TSCR铸坯奥氏体晶粒尺寸的准确预测对调控铸坯组织及提高产品性能具有重要的指导意义。

目前对于奥氏体生长预测领域的相关专利技术比较匮乏。通过专利搜索引擎进行搜索，仅搜索到两篇相关专利技术申请报告，分别是2020年申请的“一种预报铸坯加热后原始奥氏体晶粒尺寸的方法”【CN 113791009 A】和2021年申请的“连铸坯加热过程奥氏体晶粒长大行为的预测方法”【CN 11152146 A】。

【CN 113791009 A】在经典等温模型的基础上推导得到其奥氏体晶粒生长的等温预测模型，进而扩展到变温过程的奥氏体晶粒尺寸预测。本预测方法同样分为等温过程奥氏体晶粒尺寸预测和奥氏体晶粒尺寸预测，但与【CN 113791009 A】方法的不同之处在于：①在等温预测模型的推导中，不仅引用了等温经典模型，还考虑了晶界迁移驱动力与晶界迁移速率的变化关系，推导建立了更精确的等温预测模型。②【CN 113791009 A】中在对变温过程进行预测时变温预测模型中参数n、M

【CN 11152146 A】中通过Matlab软件将保温过程奥氏体的晶粒尺寸与钢种成分进行简单的拟合，该预测方法仅适用于等温过程的简单预测，无法对变温过程进行预测。

本模型在经典等温模型和晶界迁移驱动力与晶界迁移速率关系的基础上进一步推导，得到本模型的等温过程预测模型。将溶质“拖拽作用”和第二相“钉扎作用”随钢种成分和温度的变化，全部归结于时间指数n*、晶界迁移参数M

发明内容

本发明提供了一种微合金钢TSCR工艺过程奥氏体晶粒尺寸预测方法，该方法在等温经典模型的基础上引入了晶界迁移驱动力与晶界迁移速率关系，综合考虑了微合金元素“溶质拖拽作用”和“第二相钉扎作用”对奥氏体晶粒生长的影响，通过有限个等温实验，建立了该钢种在等温过程和非等温过程中奥氏体晶粒生长的预测模型。模型可以准确预测TSCR工艺连铸及均热过程不同工艺节点处微合金钢铸坯中奥氏体晶粒尺寸，为调控奥氏体晶粒尺寸、优化工艺参数、提高铸坯性能与质量提供参考依据和模型基础。

本发明包括以下步骤：

步骤1)：等温过程模拟

通过高温共聚焦显微镜或其它可精准控温的加热炉模拟不同温度保温过程，获得不同温度及不同保温时间的铸坯样并淬冷；

步骤2)：原始奥氏体晶界腐蚀

将样品进行打磨、抛光，然后加入腐蚀剂中，在50～55℃热侵蚀0～3min，待试样表面变为黑色，取出用脱脂棉快速擦去试样表面的黑膜，烘干，再放入腐蚀液中，重复以上过程至晶界清晰可辨；

步骤3)：奥氏体晶粒尺寸统计

通过金相显微镜观察，统计每个样品中奥氏体晶粒的平均晶粒尺寸。将每个温度下保温0s的样品中奥氏体平均晶粒尺寸作为该保温过程中奥氏体初始晶粒尺寸D

步骤4)：奥氏体晶粒尺寸等温预测模型建立

通过对经典等温奥氏体晶粒预测模型进行推导修正，获得微合金钢等温过程中奥氏体晶粒尺寸预测模型，表示为公式(1)

其中，D

将保温过程不同时刻奥氏体晶粒平均尺寸带入式(1)中，确定出n*、M

步骤5)：温度对n*、Q及M

根据在不同温度下保温模型中确定出的n*、Q及M

n*＝f(T) (2)

M

Q＝h(T) (4)

步骤6)：明确非等温过程奥氏体晶粒生长速度随温度的变化规律

将式(1)中对时间t进行求导，得到奥氏体生长速率为：

将n*、Q及M

步骤7)：TSCR工艺过程微合金钢铸坯奥氏体晶粒尺寸预测

通过高温共聚焦显微观察，得到钢液完全凝固时的奥氏体平均晶粒尺寸为TSCR工艺铸坯奥氏体初始晶粒尺寸D

此时，TSCR工艺连铸及均热过程任意时刻t的奥氏体晶粒尺寸为：

本发明具有如下有益效果：

1、本发明提供的一种微合金钢TSCR工艺过程奥氏体晶粒尺寸预测方法，可用于TSCR工艺连铸及均热过程任意时刻铸坯中奥氏体晶粒尺寸的准确预测，填补了TSCR工艺铸坯奥氏体尺寸预测模型的空白。

2、本模型在等温经典模型的基础上引入了晶界迁移驱动力与晶界迁移速率关系，综合考虑了微合金元素“溶质拖拽作用”和“第二相钉扎作用”对奥氏体晶粒生长的影响，极大的提高了预测模型的准确性。

3、微合金元素“溶质拖拽作用”和“第二相钉扎作用”随温度的变化综合体现于时间指数n*、晶界迁移参数M

附图说明

图1为不同温度保温过程模拟示意图。

图2为腐蚀后奥氏体形貌。

图3为不同温度保温过程中奥氏体晶粒尺寸随时间的变化。

图4为TSCR工艺热历程及取样示意图。

图5为TSCR工艺过程不同时间节点处奥氏体晶粒尺寸实测值与预测值对比结果。

具体实施方式

本发明提供了一种TSCR工艺过程微合金钢铸坯奥氏体晶粒尺寸预测方法，下面结合附图及实施例对本发明进一步说明。

本实施例中表征设备选择的是XD30M倒置光学金相显微镜。

本实施例中选用的钢种是钛微合金化22MnB5钢，铸坯中主要化学成分及其质量分数为：Fe-0.21wt.％C-0.27wt.％Si-1.18wt.％Mn-0.008wt.％P-0.001wt.％S-0.23wt.％Cr-0.033wt.％Ti-0.0027wt.％B-0.0028wt.％N。

步骤1)等温模拟

在TSCR连铸坯厚度和宽度的1/4处取样，并加工成

步骤2)样品腐蚀

将样品进行打磨、抛光，然后加入腐蚀剂中，在50～55℃热侵蚀0～3min，待试样表面变为黑色，取出用脱脂棉快速擦去试样表面的黑膜，烘干，再放入腐蚀液中，重复以上过程至晶界清晰可辨。腐蚀后的奥氏体形貌如图2所示。

步骤3)样品奥氏体晶粒尺寸统计

将腐蚀好的样品置入金相显微镜中拍取不同视场10张照片。通过IPP图像处理软件统计出十个视图中奥氏体的平均晶粒尺寸作为该样品的奥氏体尺寸。取等面积圆的直径为该晶粒的尺寸。不同温度保温过程样品中奥氏体平均晶粒尺寸的统计结果如图3所示。

步骤4)等温模型参数(n*、Q、M

将图3中的统计结果用等温预测模型式(1)进行拟合，得到1100、1150、1200、1250、1300℃下保温过程的奥氏体等温预测模型分别为：

步骤5)n*、Q及M

通过对步骤4)不同温度保温过程中确定的n*、Q、M

n*＝-0.0003T+2.6982 (14)

M

Q＝-2.026T +66185 (16)

步骤6)非等温过程奥氏体晶粒生长速度随温度的变化关系确定

将式(14-16)带入式(5)中得到奥氏体生长速率随温度的变化关系为：

步骤7)TSCR工艺不同工艺节点处奥氏体晶粒尺寸预测

TSCR工艺连铸及均热过程铸坯温度随时间的变化规律为：

将式(18)代入式(17)中，得到TSCR工艺连铸及均热过程奥氏体生长速率随时间的变化关系。从而结合公式(8)、(17)、(18)可得到任意时刻TSCR工艺铸坯中的奥氏体晶粒尺寸。

步骤8)预测结果验证

通过高温共聚焦显微镜模拟TSCR工艺连铸及均热过程，在不同工艺时刻取样淬冷，TSCR工艺温度制度如图4所示。将TSCR工艺不同时刻样品经步骤2)和步骤3)进行腐蚀统计，将统计结果与公式(8)预测结果进行对比验证，验证结果如图5所示。图5验证结果表明该预测模型和实验测得的数据接近，平均误差为0.0323，能够很好的指导生产。