一、研究的背景与问题

由于高效、节能等优势，连铸成为钢铁生产的主流工艺，目前全球98%以上的钢采用连铸工艺生产。但是，由于选分结晶和强制冷却等特点，连铸坯往往出现柱状晶发达、宏观偏析严重、凝固裂纹和夹杂物偏聚等缺陷。连铸凝固过程控制成为冶金工业技术发展急需解决的问题。

然而，研究手段的不足制约了人们对连铸凝固过程的深入认识和连铸技术的发展。凝固是非平衡耗散过程，并伴有自组织现象，理论研究十分困难。金属熔体高温不透明的特点使其摸不得、看不见，加上连续化大规模的冶金工业特征，铸坯凝固过程的实验研究一直是国际难题，至今没有理想解决方案，导致生产工艺优化、缺陷控制和新材料工艺开发带有很大盲目性，造成时间和物质的巨大浪费，并制约了新技术发展。

二、技术解决方案

上海大学先进凝固技术中心（简称CAST）聚焦冶金工业对凝固过程研究方法的迫切需求，提出基于特征单元热相似性的凝固过程热模拟方法，发明了连铸凝固过程热模拟技术及装备。历时20年，在不断完善连铸凝固过程热模拟技术及装备的同时，发明了异质形核、凝固裂纹和亚快速凝固等热模拟技术及装备，构建了一套比较完整的面向冶金生产工艺流程的凝固热模拟实验系统，实现了生产条件下凝固过程的离线再现。这一成果对认识凝固过程、组织及缺陷形成规律和优化工艺具有重要价值，并为凝固数值模拟提供了简单可靠的实验支撑。

1、理论基础

凝固热模拟技术的提出是基于对连铸金属凝固过程的深入分析。连铸中金属液经过结晶器进入二冷区，影响其凝固过程的关键因素包括：（1）浇注初期结晶器型壁急冷引起的爆发式形核；（2）熔体温度场演变历程及其对枝晶生长的影响；（3）固液界面前沿过冷熔体的异质形核能力。上述因素包含了金属熔体本身的性质与其所处的外部条件，它们共同决定了金属熔体的凝固过程与组织。

根据上述分析，凝固过程热模拟必须充分考虑金属熔体本身性质的一致性，同时保证其凝固的外部条件相似。基于这一认识，要准确反映生产中金属凝固过程，必须采用所要研究的金属作为实验材料。同时，掌握并再现熔体凝固过程不断变化的外部条件。CAST团队由此提出了基于特征单元热相似性的金属凝固过程热模拟方法。

2、基于特征单元热相似性的金属凝固过程热模拟方法

首先将能够反映所研究对象凝固过程与组织的最小单元定义为凝固特征单元（以下简称特征单元）。对于一个特定的研究对象和研究目的，特征单元可以是一个，也可以是若干个。如，连铸板坯，由于铸坯大部分位置凝固过程和组织相近，可选择一个特征单元来研究其凝固过程及组织，见图1。

三、主要创新性进展

1、板坯连铸枝晶生长热模拟技术及装备。

围绕影响连铸凝固过程的关键因素和研究需要，发明并研制了具有原位浇铸、枝晶水平生长、温度梯度和枝晶生长速率可控及原位液淬等功能的连铸坯枝晶生长热模拟试验机。

热模拟原理及过程如下：（1）如图2a、b，选择连铸坯特征单元并计算其温度场和枝晶生长速率；（2）将与特征单元重量相同的金属料置于加热体内加热熔化，达到设定过热度，然后原位浇铸，再现爆发式形核；（3）试样一端喷水模拟铸坯表面水冷，并通过加热体温度及位移的函数控制再现枝晶生长的温度环境和固液界面推进速率（图2c），从而实现特征单元凝固过程的热模拟。

连铸坯枝晶生长热模拟试验机（图3）具有以下功能和特点：

（1）原位翻转浇铸，实现结晶器内激冷爆发式形核及晶粒竞争生长阶段的热模拟（图4a,b），经理论和实验优化，热模拟水冷铜模的热流密度与板坯结晶器实测热流密度一致（图4c）。

（2）温度场与固液界面推进速率函数调控，再现连铸柱状晶生长、心部等轴晶形核及二者的竞争生长。验证实验表明，热模拟试样固液界面推进速率、凝固组织和元素分布与实际连铸坯一致（图5）。

（3）原位液淬，适时“冻结”凝固过程，获得不同时刻固液界面形貌、溶质和夹杂物分布及演变过程等其它实验方法无法得到的重要信息（图6）。

2、凝固裂纹热模拟技术及装备

凝固裂纹是连铸和铸造生产中常见的缺陷，是凝固后期热应力大于晶粒间液膜强度所致。由于热应力与金属性质和冷却强度有关，而凝固后期晶粒间液膜质量与金属熔体中杂质元素含量和晶粒尺寸有关，因此实验模拟研究凝固裂纹必须保证热模拟试样与特征单元具有相同的冷却和应变速率。如图7所示，动态加载诱导凝固裂纹技术通过控制降温过程和应变速率，模拟特定部位的收缩速率，并实时记录应力-温度变化，获取凝固裂纹发生的临界温度和应力条件。

3、主要创新点

（1）提出了凝固过程特征单元的概念，发明了基于特征单元热相似性的凝固热模拟方法，为解决生产条件下金属凝固过程及组织实验研究难题做出了原创性贡献。

（2）围绕实现特征单元热相似的关键技术需求，发明了温度场与枝晶生长调控、原位水平液淬以及动态加载诱导凝固裂纹等连铸凝固热模拟核心技术。

（3）基于上述核心技术，研制了国内外首套多功能连铸凝固过程热模拟实验系统。

四、应用情况与效果

1、面向科学问题的基础研究。

依托该项目发明的方法、核心技术和研制的实验系统，团队先后完成了国家自然科学基金重点项目“钢凝固过程细等轴晶化和均质化基础研究（50734008）”、国家自然科学基金重大科研仪器研制专项“连铸坯枝晶生长热模拟试验机（51227803）”等一系列基础和技术攻关项目。限于篇幅，简介如下：

（1）支撑数值模拟的参数优化  利用连铸坯枝晶生长热模拟试验机，研究了铁素体不锈钢、新型双相不锈钢等不同连铸条件下的凝固组织及柱状晶向等轴晶转变。优化了连铸坯凝固数值模拟中KGT模型的生长因子，为数值模拟准确预测新钢种连铸条件下的凝固组织提供了可靠的模型和参数（图8）。

（2）连铸凝固组织演变规律  利用连铸坯枝晶生长热模拟试验机研究了连铸工艺参数对双相不锈钢、铁素体不锈钢、高碳钢、轴承钢等铸坯凝固组织的影响规律。发现冷却速率和对流强度对2205双相不锈钢凝固组织影响均比较显著，确定了冷却速率与晶粒尺寸的定量关系；通过连铸坯枝晶凝固生长热模拟试验机的原位液淬功能，观察了不同时刻铁素体不锈钢的固液界面形貌及夹杂物分布状态，发现B425铁素体不锈钢固液界面夹杂物呈现“固相区少、尺寸小，液相区多、尺寸大”的分布规律（图9）。

（3）钢凝固过程中凝固裂纹发生条件  利用凝固裂纹模拟装置研究了双相不锈钢和耐热钢等钢种的裂纹发生条件。获得CB2和ZG9Cr3Co3W 耐热钢产生凝固裂纹的临界条件和其凝固裂纹发生位置：一次枝晶臂间隙，二次枝晶的尖端，即最后凝固的溶质富集峰值处。

2、面向企业的技术服务

凝固热模拟试验系统应用于宝钢、鞍钢、太钢、原广钢和中天钢铁等企业新产品研发和工艺优化，降低了研发成本并缩短了研发周期。

该“连铸坯枝晶生长热模拟试验机”已经被国内冶金高校作为成熟科研仪器采购。

信息来源：上海大学先进凝固技术中心