發(fā)布時(shí)間：2018-02-14 21:00

  本文關(guān)鍵詞： 黑斑 電渣重熔 低合金高強(qiáng)鋼 凝固 微觀偏析模型 粘度 傳熱　出處：《北京科技大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：黑斑是一種通道型宏觀偏析,是電渣重熔鋼錠中常見的凝固缺陷,在鑄錠中表現(xiàn)為由等軸枝晶組織構(gòu)成的黑色通道狀軌跡。黑斑通道內(nèi)富集溶質(zhì)元素,顯著惡化鑄件的機(jī)械性能,而且無法通過任何熱、機(jī)械處理消除,造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。目前黑斑已經(jīng)成為限制大型和超大型電渣重熔鋼錠生產(chǎn)的關(guān)鍵質(zhì)量問題,國(guó)內(nèi)電渣生產(chǎn)企業(yè)由于缺乏黑斑偏析的相關(guān)理論知識(shí),難以采取有效的措施限制黑斑形成。由于不同鑄造工藝的巨大差異,現(xiàn)存的大部分關(guān)于黑斑的宏觀偏析理論不適用于解釋電渣重熔工藝中的黑斑偏析現(xiàn)象。電渣重熔鋼錠中黑斑偏析的相關(guān)研究還少見報(bào)道,電渣重熔過程中影響黑斑形成的主要工藝因素和黑斑的形成、長(zhǎng)大機(jī)制仍不清楚。本課題結(jié)合工業(yè)實(shí)驗(yàn)、熱力學(xué)計(jì)算、動(dòng)力學(xué)微觀偏析模型、多組元宏觀偏析模型等方式以及電渣重熔渣系的性能分析,對(duì)大型電渣重熔低合金高強(qiáng)鋼30CrMnSiNi2A、30CrMnSiA中的黑斑偏析缺陷進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。(Ⅰ)電渣重熔鋼錠中的黑斑研究表明：(1)電渣重熔過程中,高熔速是導(dǎo)致黑斑形成的關(guān)鍵因素。對(duì)于特定鋼種和錠型存在一個(gè)臨界熔速,低于臨界值黑斑不會(huì)形成。本章的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,電極熔速高于9kg/分鐘時(shí)電渣鋼錠易形成黑斑,而電力參數(shù)的波動(dòng)不是黑斑形成的必要條件。(2)黑斑通道僅存在于電渣重熔鋼錠的1/2半徑區(qū)域,偏析通道表現(xiàn)為相互平行的直線型軌跡,沿徑向的半徑區(qū)域內(nèi)只存在一條黑斑通道(徑向不存在平行分布的黑斑通道),證明偏析通道的長(zhǎng)大是通過相互競(jìng)爭(zhēng)、合并的方式。(3)微觀組織分析結(jié)果表明1/2半徑區(qū)域的枝晶較粗大,而且鋼錠內(nèi)部枝晶間距隨鋼錠高度的增加而增大。黑斑通道內(nèi)的枝晶組織為鏈狀的等軸枝晶,正�；w為取向明確且發(fā)達(dá)的柱狀枝晶。此外,與正�；w相比,黑斑區(qū)域富集C、Si、Mn、Cr等合金元素,Ni由于密度比Fe大其宏觀偏析不顯著。(4)糊狀區(qū)內(nèi)沿凝固方向的液相密度梯度驅(qū)動(dòng)的浮力和糊狀區(qū)滲透性的各向異性同時(shí)作用于枝晶間的偏析液相,偏析液相因此沿著阻力相對(duì)較低的路徑(與豎直方向形成一個(gè)夾角)向上流動(dòng)。(ⅡⅡ)電渣重熔鋼錠中的黑斑形成趨勢(shì)研究表明：黑斑成分對(duì)應(yīng)于液相率區(qū)間0.24-0.41的枝品間液相,這與最大雷諾數(shù)出現(xiàn)的液相率區(qū)間是一致的,黑斑形核于糊狀區(qū)下部。低合金鋼凝固過程中,隨液相率降低,殘余液相中低密度合金元素的含量急劇增加,而高密度合金元素Ni的含量增加較少。低密度合金元素在枝晶間液相中富集,導(dǎo)致液相密度差增大和粘度降低。對(duì)于直徑720mm的30CrMnSiNi2A鋼錠,可確定臨界雷諾數(shù)為Ra*=-0.12。(Ⅲ)低合金高強(qiáng)鋼的宏觀偏析數(shù)值模擬研究表明：黑斑偏析通道形成于凝固裝置的右上角(遠(yuǎn)離冷卻界面),且偏析通道的取向?yàn)閮A斜向上(背離冷卻界面),這是液相流動(dòng)選擇低阻力路徑的結(jié)果。枝品間液相的高溶質(zhì)濃度驅(qū)動(dòng)的熱溶質(zhì)對(duì)流是低合金高強(qiáng)鋼鑄件中黑斑形成的關(guān)鍵原因,偏析液相通道是由很多小團(tuán)的高濃度液相在流動(dòng)過程中不斷相互連通、積累形成的。模型計(jì)算的流場(chǎng)分布表明偏析通道內(nèi)富集溶質(zhì)液相基本沿通道方向流動(dòng),而偏析通道周圍貧溶質(zhì)區(qū)液相沿接近垂直通道的方向流動(dòng)。(ⅣV)電渣重熔低合金高強(qiáng)鋼的渣系性能研究表明：(1) CaO/AlO3質(zhì)量比為1時(shí),實(shí)驗(yàn)渣系的熔化溫度在CaF2含量為50%時(shí)較低。對(duì)于CaF2含量為50%的渣系,熔化溫度隨CaO/Al2O3質(zhì)量比增加而降低,在CaO/Al2O3質(zhì)量比為2時(shí)獲得較小值。(2)CaF2含量增加導(dǎo)致渣系熱導(dǎo)增大,而CaO/Al2O3質(zhì)量比增加導(dǎo)致渣系熱導(dǎo)降低,CaF2含量對(duì)渣系熱導(dǎo)的影響遠(yuǎn)大于CaO/Al2O3質(zhì)量比。粘度測(cè)定結(jié)果表明,實(shí)驗(yàn)渣系的粘度隨CaO/Al2O3質(zhì)量比增加而顯著降低。(3)綜合考慮熔化溫度測(cè)定實(shí)驗(yàn)、傳熱實(shí)驗(yàn)和粘度測(cè)定實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,B2(CaF2含量50%,CaO/Al2O3質(zhì)量比為1.5)渣系是適于電渣重熔低合金高強(qiáng)鋼的渣系,此渣系具有較低的熔化溫度和轉(zhuǎn)折溫度,且傳熱性能優(yōu)良。(V)電渣重熔低合金高強(qiáng)鋼的重熔工藝優(yōu)化研究表明：降低熔速是控制黑斑形成最直接有效的措施,對(duì)于(D720mmCrMnSi系列鋼種(30CrMnSiA、30CrMnSiNi2A),為了在降低熔速的同時(shí)保證鋼錠具有良好的表面質(zhì)量,應(yīng)將冶煉全程的電極平均熔速控制在7kg/min～7.5kg/min。盡管降低電極熔速能夠有效限制黑斑形成,但現(xiàn)場(chǎng)原渣系A(chǔ)0的高溫流動(dòng)性差造成鋼錠B嚴(yán)重的表面質(zhì)量缺陷,直接導(dǎo)致鋼錠報(bào)廢。重熔鋼錠C的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)證明采取降低熔速、加強(qiáng)結(jié)晶器冷卻、改善渣系的高溫粘性流動(dòng)性和傳熱性能等措施能夠同時(shí)保證電渣鋼錠限制黑斑形成和獲得良好的表面質(zhì)量。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TF142

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本文編號(hào)：1511606