中文摘要：

表面皱折是铁素体不锈钢在成型过程中易发生在板带轧制方向的一种严重缺陷，通过增加连铸坯凝固组织的等轴晶比例可以减轻板带轧制后表面皱折。因此，研究铁素体不锈钢凝固组织的等轴晶形成及增殖机理具有十分重要的意义。本项目在振动激发金属液形核技术的基础上，分别采用透明系实验和金属合金系两种实验方案。透明系实验研究的目的是通过直接观察对晶粒熔化动力学和等轴晶形成过程获得一个直观的认识，考察过热度、成分、晶粒形态和尺寸、对流速度、扩散系数等因素对过热熔体中晶粒熔化速度和存留时间的影响；金属系实验设计则考虑在尽可能接近铁素体不锈钢连铸条件下考察等轴晶形成规律。考察浇注温度、浇注速度、熔体流动、振动、冷却速度对等轴晶核形成、生长、增殖、熔化及最终晶粒组织特征的影响；在充分获得准确实验规律的基础上进行理论归纳，建立等轴晶形成及增殖机制的理论模型。

结论摘要：

本项目分别采用透明系实验和金属合金系两种实验方案研究了铁素体不锈钢凝固组织的等轴晶形成及增殖机理。透明系实验选择氯化铵水溶液作为研究对象，实时观察NH4Cl等轴晶在过热NH4Cl-70wt%H2O中的形貌演变和下落熔化行为，揭示了熔体的过热度、晶粒尺寸对等轴晶的熔化速率及其下落速度的影响规律。研究内容和主要成果如下研究了等轴晶在过热熔体中的下落方式及其形貌演变。等轴晶与落管管壁是否发生碰撞影响了其下落过程晶粒形貌的变化；无论等轴晶以何种运动方式下落，等轴晶的熔化速率基本恒定，但其会受到熔体的过热度和晶粒初始尺寸的影响，熔体的过热度越大或者晶粒的初始尺寸越大，则等轴晶的熔化速率越大。考察了等轴晶在过热熔体中下落时的熔化增殖行为。当等轴晶在过热熔体中下落熔化时，大量破碎的高次枝晶臂从等轴晶基体上脱离，并随着流体运动进入过热熔体中；同时，在等轴晶下落熔化的末期，发生了等轴晶一次枝晶臂从根部的解体，形成残余枝晶臂，这些枝晶碎片能够存留至后续的凝固过程中，并可成为等轴晶的形核核心。通过分析等轴晶在熔体中下落时的受力情况，提出了一种计算等轴晶下落速度的方法，并且给出了等轴晶在熔体中下落速度的计算公式。在计算公式中引入了阻力系数的修正参量 ，同时考虑了等轴晶形貌及落管管壁对等轴晶下落所产生的阻碍作用。当等轴晶在临界饱和熔体中下落时，根据实验测定的数据给出计算公式中修正参量 的经验公式，比较发现此经验公式可使计算公式的计算结果适用于不同大小和形貌的等轴晶下落速度的计算，并与实际测定结果十分接近。金属系实验选择Cr17 铁素体不锈钢为研究对象，在尽可能接近连铸条件下研究了浇注温度、浇注速度、熔体流动、振动参数、冷却速度对等轴晶核形成、生长及最终晶粒组织特征的影响。研究内容及主要结论如下振动激发形核提高了铁素体不锈钢的等轴晶率，增加了细小等轴晶晶核的来源，促进了结晶雨的形成；随着振动频率的增加，铸件的等轴晶率增加，柱状晶减少，柱状间界减少；浇注温度影响熔体的过热度，冷却液流量主要影响熔体的过冷度。影响凝固组织的等轴晶率的因素中，振动频率影响最大，振幅影响次之，浇注温度、冷却液流量影响较小。