内置芯坯复合浇铸大型钢锭工艺研究

发布时间：2020-04-06 01:00

【摘要】：在锭模中预置轧制或锻造过的芯材,依靠低温芯材在铸锭凝固过程中吸收熔体释放的部分热量,可以显著提高金属熔体的凝固速度和形核率,细化凝固组织,从而提高铸锭的内部质量。本文选用20#钢棒为芯坯、普通Q235钢为熔炼材料,将芯坯表面经还原或酸洗处理后,置于保护气氛铸模内预热至500-850℃,随后利用中频感应炉将熔炼好的钢液注入铸模内,冷却至室温,最终得到成品铸锭。利用金属带锯将冷却后的铸锭剖开,观察不同试验条件下铸锭的剖面宏观形貌及芯-液界面复合情况。利用光学显微镜、扫描电子显微镜观察铸锭凝固组织、芯坯组织及芯-液界面,研究凝固组织和芯-液界面演变规律。同时,为方便观察熔体凝固过程中的结晶现象,以硫代硫酸钠熔体为凝固介质,以固体硫代硫酸钠圆棒为芯材,进行了模拟复合浇铸试验,研究了低温芯棒对硫代硫酸钠熔体凝固过程、凝固速率及凝固组织的影响。试验结果表明,在硫代硫酸钠模拟熔体凝固试验中,加入低温芯棒可以缩短凝固距离,提高熔体的整体凝固速率。当凝固时间为53min时,加入芯棒与未加芯棒铸锭的凝固率差最大达25%。芯棒取代了铸锭心部的凝固组织,消除了心部偏析、疏松、缩孔及裂纹等缺陷,缩孔体积从10.8%减小到5.5%。芯棒的加入提高了熔体的过冷度,提高了形核数量,细化了凝固组织,使平均晶粒尺寸从5.33mm减小到2.66mm。在实际复合浇铸试验中,在预热温度为850℃,浇铸温度为1550℃,芯坯质量为1.75kg,钢液为25kg的工艺条件下,可浇铸出充型能力较好的复合铸锭。铸锭铸态组织为等轴晶,芯坯组织为过热魏氏组织,芯-液界面复合较好,仅在界面处存在微量直径约5μm凹坑。同时,芯坯上部复合界面复合效果优于下部,上部界面存在宽度约480μm的过渡层,该过渡层为芯坯与钢液的混熔组织。芯坯对熔体产生强制冷却效应,提高熔体的形核率,使芯坯附近形核率高于其它位置,形成了内外细小均匀的铸态组织,凝固中心平均晶粒尺寸由215.37μm细化至31.64μm。同时,提高芯坯预热温度或减小芯坯质量比例会降低芯坯的冷却能力,使得铸态组织晶粒尺寸增大。氢还原芯坯铸锭的复合界面不平整,局部位置存在还原夹层,夹层厚度达200μm,且不同位置复合界面结合状态不同,芯坯上部复合效果优于下部。对比之下,酸洗芯坯铸锭复合界面相对平整,芯坯周围界面复合状态趋于一致。同时,钢液的流动性对铸锭界面复合影响较大,流动性大的位置易形成熔合界面,界面处仅存在极少量直径约为4μm的凹坑。相比之下,流动性小位置易形成扩散复合界面,界面处存在少量直径约12μm孔洞或由许多微小孔洞组成的缝隙。浇铸平衡温度为界面结合状态的重要度量之一,当平衡温度为1418.52℃时,界面存在宽度约300μm的混熔区,混熔区内含有极少尺寸约为2μm的凹坑;当平衡温度为1347.02℃时,界面不存在混熔区,界面处均匀分布许多孔洞,最大孔洞尺寸达8μm;当平衡温度为1269.56℃时,界面发生部分扩散结合,结合部分带有孔洞,未结合部分带有孔隙,最大孔洞尺寸达60μm。
【图文】：

国防实力都具有重要的战略意义。大型钢锭由于锭型尺寸大，熔体蓄热量大，导致凝固速率慢，由此会引起一系列内部质量问题。传统钢锭中会存在如图1.1所示的几种缺陷，包括头部的C、S、P等成分引起的正偏析和缩松，二次缩孔，中心附近的V偏析，中心两侧的A偏析及底部的沉积锥等。这些缺陷会随着钢锭尺寸的增大、熔体凝固速率变慢，越严重，越难以控制和消除。图1.1 钢锭中的缺陷及其分布1 沉积锥；2 A偏析；3 V偏析；4 二次缩孔；5 正偏析、缩松Fig. 1.1 Defects in ingot and their distribution1 Sedimentary cone；2 A segregation；3 V segregation；4 Secondary shrink hole；5 Normalsegregation、Shrinkage porosity产品名称 尺寸（mm）重量（tonne）钢锭（tonne） 生产厂家超大型核电慢速整锻低压转子 φ2800 240 600 日本制钢所发电机转子 / 226 500 日本神户制钢所1000MW 压水堆压力容器接管段 / 247 450 德国蒂森亨利厂发电机转子 φ1849 200 435 德国蒂森亨利厂1000MW 无中心孔转子 φ2630 260 500 俄罗斯依诺尔重机厂660MW 发电机转子 / 90 / 美国中央电力局核电转子 / 174 450 韩国昌?

索彻底解决大型钢锭内部偏析、缩孔、夹杂等缺陷艺发展造包括离心铸造、压力铸造、精密铸造、镶铸等，法[26]。金属复合材料的结合方式主要有:1)熔合结要包括：①一种液态熔体与另一种固态金属接触；③所形成的凝固层在热流的作用下重熔；④重熔金金属表面出现熔化，并和合金熔体互混；⑥外层金层铸件。2)扩散结合。此结合方式在界面处不发生固溶体。元素浓度在界面结合区内呈现连续梯度变两种金属在界面处发生反应形成反应产物，多为金艺已经在机械领域得到广泛应用，汽车制造业中的快速包覆铸造[28]。该曲轴箱采用镁合金制造出箱的最终形成一种外镁内铝的复合箱体，，该箱体既有铝便性。
【学位授予单位】：辽宁科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG261

【参考文献】

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本文编号：2615773