高压锅炉管钢具有良好的抗氧化性、耐热性和耐腐蚀性能,主要用来制造高压和超高压锅炉的过热器管、再热器管、导气管等。但是,在生产过程中,成分处于亚包晶范围的高压锅炉管钢容易出现表面缺陷问题,严重影响产品质量和生产效率。为了高效生产高品质亚包晶高压锅炉管钢,本文围绕亚包晶高压锅炉管钢凝固特性及固态相变开展研究,主要研究内容和结果如下:(1)通过定向凝固实验方法研究了亚包晶高压锅炉管钢(15CrMoG)定向凝固组织特征。在凝固速率15、50和80 μm/s下,δ-枝晶是断续的,被包晶γ相包围,且δ-枝晶在凝固过程中优先沿晶面(110)方向生长。随着凝固速率的增加,一次和二次平均枝晶间距均呈现减小趋势。基于定向凝固组织演变规律,对包晶转变体积收缩进行了分析,并结合连铸生产讨论了冷却速率对表面裂纹的影响机理。结果表明,降低初始凝固冷却速率,可以使δ→γ块状转变远离LIT～ZDT脆性区,从而降低连铸生产时表面裂纹形成的几率。此项研究可为亚包晶钢连铸采用结晶器缓冷措施控制表面裂纹提供了新的理论支撑。(2)通过定向凝固实验研究了钢的凝固裂纹特征,在高压锅炉管钢(12Cr1MoVG、15CrMoG以及20CrMoG)定向凝固试样中均发现枝晶间裂纹,并且枝晶界有硫化物析出,促进裂纹的形成。基于定向凝固裂纹特征分析,提出以枝晶间裂纹所占面积比来衡量钢的裂纹敏感性,对比分析了不同钢种的指标值。结果表明,亚包晶钢(12Cr1MoVG和15CrMoG)裂纹敏感性高于过包晶钢(20CrMoG),验证了该方法的可靠性。基于凝固偏析模型,计算了 LIT～ZDT脆性区包晶相变引起的热应变,并以热应变值大小来衡量钢的裂纹敏感性,结果得出,12Cr1MoVG裂纹敏感性最强,15CrMoG次之,20CrMoG钢裂纹敏感性最弱,与基于定向凝固实验测试结果一致。在此基础上,计算分析了钢中合金元素对12Cr1MoVG和15CrMoG裂纹敏感性的影响,结果表明,硅、锰、磷以及硫含量的增加,裂纹敏感性升高;铬、钼和钒含量的增加,裂纹敏感性降低。(3)借助高温共聚焦激光扫描显微镜对亚包晶高压锅炉管钢凝固过程进行原位观察,研究冷却速率对包晶相变的影响机制,探究连铸初凝坯壳不均匀生长的原因和调控机理。结果表明,随着冷却速率的增加,包晶转变(δ→γ)界面呈现三种不同的模式:溶质扩散控制的平面形态和胞状形态,以及界面过程控制的δ→γ块状转变。凝固过程包晶转变(δ→y)模式的不同会导致体积收缩率不同,进而导致连铸结晶器内初凝坯壳不均匀生长,引发连铸坯表面缺陷。在连铸生产亚包晶钢时,尽量控制结晶器弯月面处钢液初始凝固均匀冷却,降低初凝坯壳的不均匀性。(4)借助高温共聚焦激光扫描显微镜对亚包晶高压锅炉管钢加热过程进行原位观察,研究升温过程固态相变与组织演化规律。结果表明,温度升高至Ac1温度以上,Fe3C+α→γ转变发生,转变结束α-铁素体相首先消失,基体中仍有渗碳体残余,这不同于平衡状态(渗碳体优先消失)。Fe3C+α→γ转变结束后,奥氏体发生静态再结晶现象,并且伴随着渗碳体的溶解。随着温度继续升高,δ相首先从奥氏体晶界析出,随后在奥氏体晶粒内部析出。(5)采用热膨胀仪和Gleeble-3500热模拟机对亚包晶高压锅炉管钢过冷奥氏体连续冷却转变进行研究,建立实验钢的静态和动态CCT曲线,分析奥氏体形变对连续冷却相变的影响机理。结果表明,奥氏体形变扩大了 CCT曲线中铁素体和珠光体区域,提高了铁素体相变开始温度,但抑制了贝氏体和马氏体的转变,导致CCT曲线向左移动。冷却速率为1～20℃/s未变形和冷却速率为3～30℃/s奥氏体变形连续冷却转变组织中出现上贝氏体。组织中出现上贝氏体会降低钢的机械性能,容易导致裂纹形成和扩展,在生产中应该控制冷却减少该组织的出现。(6)结合上述研究结果和实际生产分析,对钢厂生产的亚包晶高压锅炉管钢棒材表面缺陷形成原因和工艺调控进行研究。结果表明,棒材表面缺陷的根本原因是连铸初凝坯壳生长不均匀;棒材表面缺陷产生于结晶器弯月面区,在连铸凝固后续工序加剧。通过调质保护渣使结晶器弯月面处钢液初始凝固均匀冷却,以及优化钢液成分降低钢的裂纹敏感性,棒材表面缺陷得到有效控制,拉速也得以提高。在连铸凝固调控基础上,对连铸坯和热轧棒材线下冷却进行调整,棒材表面缺陷得到进一步改善。