汽車用鋼液相線溫度的試驗與計算研究

王 楊 吳 通 宋 偉 周 蕾 鄭偉森

（1.南京鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京 210035；2.上海大學材料科學與工程學院，上海 200444）

連鑄過程中鋼水的過熱度是保證連鑄產量和鑄坯質量的關鍵工藝參數，若鋼水過熱度太低，易引起鋼水發黏，造成水口堵塞，甚至引發鋼水停澆風險；而鋼水過熱度過高，則造成鑄坯中心偏析加重，影響鑄坯質量，甚至可能會引發漏鋼風險［1］。在實際生產中，過熱度的控制重點在于鋼種液相線溫度的精準預測，而液相線溫度與鋼的成分密切相關。為了預測液相線溫度，研究人員通過擬合液相線試驗數據將液相線溫度表示為合金元素的線性關系，從而獲得液相線溫度的經驗公式［2-10］。然而，絕大多數經驗公式僅針對特定鋼種，適用的合金成分范圍有限，對汽車用鋼液相線溫度的預測并不適用。因此，有必要針對汽車用鋼合金體系建立一套可準確預測液相線溫度的計算模型，這對保證汽車用鋼連鑄工序的質量至關重要。

本文首先采用差熱分析技術對典型汽車用鋼的液相線溫度進行測定，然后采用現有經驗公式對液相線溫度進行計算，并評估不同經驗公式的可靠性。同時，基于汽車用鋼合金成分子體系的液相線溫度試驗數據，探究合金元素對液相線溫度的影響規律，并利用最小二乘法優化合金元素對液相線溫度的作用系數，以獲得適用于汽車用鋼的液相線溫度預測模型。在此基礎上，結合汽車用鋼液相線溫度試驗數據，進一步證明了本文建立的液相線溫度預測模型的可靠性。

1 試驗材料與方法

選取17種典型汽車用鋼，化學成分如表1所示。試驗材料為某公司提供的汽車用鋼棒線材，采用線切割從棒線材的心部切取φ4.5 mm×1.0 mm的試樣，并用DTA-TG STA 449 F3型同步熱分析儀測定試樣的液相線溫度。為了保證測試結果準確，采用高純鐵、鎳、鋁、銅對設備進行校正。為了提高試驗效率，試樣首先以30℃/min的速率升溫至1 450℃，然后以5℃/min的速率升溫至1 560℃，并采用峰值法對差熱分析（differential thermal analysis，DTA）曲線進行處理，獲得液相線溫度。

表1 典型汽車用鋼的化學成分（質量分數）Table 1 Chemical compositions of typical automotive steels （mass fraction） %

2 結果與討論

2.1 DTA試驗結果

幾種典型DTA曲線如圖1所示，采用峰值法分析得到試驗鋼種的液相線溫度。圖1（a）為A11鋼的DTA曲線，根據兩個放熱峰可判斷該鋼種在熔化前經歷了包晶反應，與其含碳量相一致。A12鋼的含碳量最低，在加熱過程中不發生包晶反應（圖1（b））。A14和A15鋼的含碳量不同，其余合金元素相同，由于兩者含碳量均較高，故不發生包晶反應。A15鋼的含碳量高于A14鋼，導致A15鋼的液相線溫度低于A14鋼（圖1（c，d））。17種典型汽車用鋼的液相線溫度如表2所示，液相線溫度最低為1 479.2℃，最高為1 533.3℃。前已述及，目前有較多的液相線溫度經驗公式，但是僅有3組經驗公式［3-4，8］可覆蓋本文所涉及的汽車用鋼合金體系，分別為：

圖1 典型的DTA曲線Fig.1 Typical DTA curves

表2 典型汽車用鋼的液相線溫度Table 2 Liquidus temperatures of typical automotive steels

上式中合金成分均以質量分數表示。需要指出的是，由于試驗鋼中P、S、N含量較低，本文計算不考慮其含量。采用上述經驗公式計算試驗鋼的液相線溫度，并與試驗數據進行比較，結果如圖2所示，其中虛線范圍表示試驗與計算的液相線溫度差值為±15℃。對比可見，3組經驗公式對液相線溫度的預測值均高于偏差范圍（±15℃），L3經驗公式的預測準確率較高，達到88%，而L1和L2經驗公式的預測準確率較低，分別為71%和41%。因此，汽車用鋼液相線溫度的現有經驗公式均需進一步改進。

圖2 試驗鋼液相線溫度的實測值與計算值對比Fig.2 Comparison of the measured and calculated liquidus temperatures of the tested steels

2.2 汽車用鋼液相線溫度預測模型

針對汽車用鋼合金體系，收集可靠的Fe-C［11-13］、Fe-Si［14］、Fe-Mn［15-16］、Fe-Cr［15］、Fe-Ni［17］、Fe-Mo［18］、Fe-Cu［19］二元系液相線試驗數據，基于液相線溫度與成分的線性關系，結合純鐵熔點（1 538℃），采用最小二乘法優化合金元素對液相線溫度的作用系數，結果如表3所示。可見，碳對液相線溫度的影響最為顯著，其次是硅，鉻的影響最為微弱，這與Fe-Cr二元相圖液相線變化趨勢一致。采用合金元素的作用系數分別對文獻中二元系試驗合金的液相線溫度進行計算，結果如圖3所示，其中虛線和點線范圍分別表示試驗與計算的液相線溫度差值為±15和±5℃。可見，計算值與試驗數據吻合度較高，偏差基本在±5℃以內，僅有4種合金液相線溫度的計算值偏差大于5℃。

表3 合金元素對液相線溫度的作用系數Table 3 Coefficients of the effect of alloying elements on liquidus temperature

圖3 鐵基二元合金液相線溫度的實測值與計算值對比Fig.3 Comparison of the measured and calculated liquidus temperatures of the iron-base binary alloys

基于合金元素的作用系數優化汽車用鋼液相線溫度的預測模型：

利用該預測模型對試驗鋼液相線溫度進行計算，結果如圖4所示。可見，除了A7鋼的計算值偏差略大于15℃外，其余均在±15℃內，說明本文開發的液相線溫度預測模型的準確性較高。為了進一步驗證該液相線溫度預測模型的可靠性，結合文獻中不同鋼種的液相線溫度試驗數據［8，20-22］，采用不同預測模型對所有鋼種的液相線溫度進行計算，結果如圖5所示。可見，相比于L1、L2、L3經驗公式，本文預測模型計算的液相線溫度與試驗數據吻合得最好。通過分析不同計算模型的準確率，發現本文預測模型的準確率達97%，而L1、L2、L3經驗公式的準確率均低于90%，分別為87%、81%、84%。

圖4 試驗鋼液相線溫度的實測值與本文計算結果對比Fig.4 Comparison bewteen the measured liquidus temperatures of the tested steels and the calculated results in the present work

圖5 所有鋼種液相線溫度的實測值與計算值對比Fig.5 Comparison of the measured and calculated liquidus temperatures of all steels

3 結論

（1）DTA測得的典型汽車用鋼液相線溫度最低為1 479.2℃，最高為1 533.3℃。

（2）根據合金元素對液相線溫度的作用系數得出，碳對液相線溫度的降低作用最為顯著，其次是硅，而鉻的影響最微弱。

（3）汽車用鋼液相線溫度可以采用公式Tm[℃ ] ＝1 538－75.12C－14.38Si－5.25Mn－1.15 Cr－4.25Ni－3.03Mo－4.03Cu進行計算，準確率達到97%。

（4）基于鐵基二元系試驗數據優化獲得的合金元素作用系數可有效預測實際鋼的液相線溫度，其準確性遠高于文獻中的經驗公式，可推廣應用于包含更多合金元素的鋼種。