热烈祝贺东北大学建校100周年！高锰钢凝固特性及连铸工艺研究现状

热烈祝贺东北大学建校100周年！

高锰钢凝固特性及连铸工艺研究现状

罗森、朱妙勇

（东北大学冶金学院 辽宁沉阳 110819）

第 01 部分

概括

高锰钢具有良好的强度、塑性、耐磨性等性能，正在广泛应用于能源、交通、工程机械等领域。 采用连铸代替传统压铸生产高锰钢可显着提高生产效率，受到冶金企业的高度重视。 然而，目前高锰钢连铸生产仍然存在铸造质量差、铸坯质量缺陷多发等问题，严重制约了高锰钢高效、高质量连铸生产。 结合国内外研究人员前期的研究工作，本文重点对高锰钢凝固特性的基础研究和连铸实践进行综述。 一、成分对Fe-Mn、Fe-Al二元相图、Fe-Mn-C、Fe-Al-C三元相图、Fe-Mn-Al-C四元相图的影响被介绍； 高锰钢成分对固液温度、密度、导热系数等热物理参数的影响，以及对凝固组织和析出物的影响。 然后，结合高锰钢连铸生产实践，介绍了高锰钢连铸结晶器渣、冷却工艺和还原工艺的设计与优化。 虽然部分高锰钢已采用连铸代替压铸生产，但连铸坯的质量问题并未从根本上得到解决。 特别是高锰高铝钢的连铸生产仍面临相当大的困难。 今后应继续深入研究高锰钢凝固特性，并根据高锰钢凝固特性进行特种连铸工艺设计和开发，实现高锰钢连铸的精细化控制。保证高锰钢连铸的高效、高质量。 化学生产。

第02部分

关键词

高锰钢； 凝固特性； 结晶器粉； 冷却过程； 连铸坯质量

第03部分

介绍

高锰钢是含锰元素较高的合金钢，通常锰的质量分数在10%以上。 它是由英国冶金学家罗伯特·哈德菲尔德于1882年发现的，研究历史悠久，故又称哈德菲尔德钢。 高锰钢具有良好的强度、塑性和耐磨性，可用于承受较大冲击载荷的耐磨铸件。 与其他钢种不同，高锰钢结构件的表面将在强冲击载荷下进行加工。 硬化后，表面硬度增加，而心部保持奥氏体结构。 因此，高锰钢不仅具有良好的耐磨性，而且还具有良好的韧性。 这种特殊性能使其广泛应用于冶金、能源、建筑、交通等领域。 以及军工等领域，如挖掘机、车架、LNG（液化天然气）运输船等。

随着使用环境的变化，近年来出现了许多新型高锰钢。 根据主要成分和性能特点，高锰钢可分为Fe-Mn-C系列、Fe-Mn-Al-C系列、Fe-Mn-Al-Si系列和Fe-Mn-Cr-C系列。 Fe-Mn-C高锰钢的C和Mn质量分数分别为1.1%~1.3%和12%~13%，抗拉强度和延伸率分别为1000MPa和50%以上。 虽然Fe-Mn-C系合金在拉伸变形后会产生应力诱发孪晶，从而增强塑性，但Fe-Mn-C系高锰钢由于C、Mn元素含量较高，体积收缩较大。 加工过程中吸氢严重，容易导致热轧裂纹或延迟裂纹。 针对这一问题，研究人员发现，高锰钢中添加Al元素形成的α-Al2O3层可阻碍断裂，有效提高抗氢延迟断裂能力，推动了Fe-Mn-Al-C高锰钢的发展钢。 钢铁生产。 Fe-Mn-Al-C高锰钢的密度随着Al元素的增加而降低，更容易减轻汽车的重量。 因此主要用于轻量化防撞车身结构。 但较高的Al含量会增加堆垛层错能，不利于孪晶形成，并在一定程度上降低加工硬化性能。 另外，在低温条件下，C和Al元素通过抑制奥氏体向ε-马氏体的转变而产生稳定的奥氏体。 Al质量分数为2%的奥氏体钢的屈服强度比不含Al的钢高。 在稳定铁素体、扩大临界范围和降低质量密度方面，Si的影响与Al相似。 与Al相比，Si是更有效的固溶强化元素。 同时，Si元素可以降低堆垛层错能，促进TRIP。 ，发生TWIP效应，提高钢种的屈服强度和延伸率。 因此，用Si元素代替部分Al元素，生产出Fe-Mn-Al-Si高锰钢。 但Si质量分数不能太高，一般控制在3%～5%，因为Si质量分数太高，在钢坯表面会形成大量氧化皮。热轧工艺，导致酸洗困难，导致材料表面质量较差。 Fe-Mn-Cr-C系列高锰钢中，以质量分数20%以上的Mn元素替代传统低温钢中的Ni元素，并添加Cr元素以提高强奥氏体化元素（如C、N元素）的溶解度不仅降低了成本，而且增强了低温韧性。 该系高锰钢主要用作LNG储罐和运输船的制造材料，在低温领域具有广阔的应用前景。

高锰钢合金含量高，裂纹敏感性强。 国内外多采用模具铸造生产，存在效率低、成本高的缺点。 如果能用连铸代替传统压铸生产高锰钢，不仅可以提高钢的成材率、降低能耗，而且还可以提高金属回收率。 但高锰钢连铸生产过程中，存在铸坯表面裂纹频繁、组织和碳化物粗大、铸坯分层开裂等突出问题。 近年来，为了实现高锰钢连铸高效优质生产，国内外学者对高锰钢连铸的凝固组织特征、碳化物析出特征、连铸生产工艺等方面进行了深入研究。随着高锰钢连铸工业化实践的开展，韩国浦项和我国宝钢、太钢、鞍钢、连阳钢铁等国内外大型钢铁企业均实现了连铸工业化生产耐磨钢Mn13和低温钢Mn24，但高锰钢大多实现连铸工业化，锰钢的连铸工业化生产还很难实现，尤其是高Al含量的高锰钢。 本文结合国内外高锰钢的研究开发情况，重点详细介绍高锰钢的凝固特性及连铸工艺设计，以期为冶金同仁提供理论参考，协助冶金同仁高效、高锰钢的生产。优质生产高锰钢连铸。

第04部分

精选图表

第05部分

结论与展望

在“碳达峰、碳中和”双碳战略背景下，Fe-Mn-C耐磨钢、Fe-Mn-Al-C低密度高锰钢等新产品具有以下优点：高强塑性、高韧性不断涌现。 钢种越来越关注行业的低碳发展。 近年来，国内外学者针对高锰钢的研发开展了大量的基础研究工作，主要集中在高锰钢的成分设计和凝固组织控制方面。 但在生产过程和推广过程中仍存在许多棘手问题。 高锰钢锰、碳含量高，导热系数低，钢水凝固缓慢，其凝固特性与其他钢种相比非常特殊。 这导致高锰钢在连铸过程中容易出现质量缺陷。 ，主要表现为：随着高锰钢含铝量的增加，渣钢反应剧烈，连铸结晶器的润滑和传热变差，连铸坯表面容易出现凹痕等表面缺陷。甚至出现裂纹，甚至出现粘结、漏钢事故。 。 另外，高锰钢连铸坯内部组织粗大，内部温度梯度大。 连铸过程中，钢坯内部热应力较大，容易产生热裂纹。 此外，高锰钢凝固收缩系数大，连铸坯液相穴深，凝固时间长，铸坯中心偏析、中心气孔等内部质量缺陷严重。 因此，为了提高高锰钢产品质量，促进高锰钢的规模化工业化生产，未来的研究应继续关注高锰钢的凝固特性和连铸工艺设计。

1）在凝固特性方面。 由于Fe-Mn-C耐磨高锰钢的铸造组织主要是奥氏体相和碳化物，大量碳化物的析出不仅会促进内应力的产生和形成裂纹，而且会降低塑性和韧性。钢材的韧性。 ，因此有必要对凝固过程中碳化物的析出机理进行深入研究； 当成分体系和生产工艺不同时，Fe-Mn-Al-C低密度高锰钢的析出相也不同，钢的显微组织演变和高温性能都会受到严重影响。沉淀相。 然而，关于Fe-Mn-Al-C系低密度钢的组织性能与析出相关系的相关研究报道较少。 微观组织演化和高温力学性能对它们之间相互作用的研究还不够详细。 此外，Fe-Mn-Cr-C系列低温高锰钢的低温韧性问题尚未得到解决。

2）连铸工艺设计。 CaO-SiO2系高锰钢连铸结晶器渣的研发主要着眼于延缓铸造过程中结晶器渣性能的恶化，但钢渣反应仍难以避免。 因此，在实际应用过程中，润滑和传热问题仍然突出，导致板坯缺陷严重，无法实现多炉连铸。 新型非反应性CaO-Al2O3结晶器渣通过抑制钢渣反应，在改善高锰高铝钢连铸工艺方面具有巨大潜力。 但由于结晶渣结构发生变化，结晶和传热性能不稳定，工业应用仍需进一步研究。 完美的; 由于高锰钢含锰量高，固液两相区温度范围宽，导热系数低，线膨胀系数大，在凝固过程中容易受到热应力的影响而产生裂纹。 。 应采用低过热度铸造，并重点设计合理的连铸冷却工艺，控制铸坯冷却的均匀性，减少裂纹的发生。 因此，高锰钢连铸生产工艺有待进一步改进。

第06部分

引用这篇文章

罗森，朱妙勇. 高锰钢凝固特性及连铸工艺研究进展[J]. 钢铁，2023，58(9)：39-58。 罗森，朱妙勇. 高锰钢凝固特性及连铸工艺研究进展[J]. 钢铁，2023，58(9)：39-58。

第07部分

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来源：《钢铁》2023年第9期 东北大学建校100周年·钢铁关键共性技术专刊

结尾

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