旋转芯坯复合浇铸钢锭工艺研究
发布时间：2021-01-06 12:49
为得到均质、致密、细晶铸锭,本文提出旋转芯坯复合浇铸工艺。芯坯置入钢液后,代替普通模铸钢锭心部组织,彻底消除心部疏松和缩孔缺陷。低温芯坯吸收一部分钢液热量,提高钢液过冷度和凝固速度,提高形核率。芯坯旋转使新形成的晶粒在薄弱位置破碎,提高凝固组织的细化程度和均匀性。选用20号钢作为芯坯材料,Q235钢作为熔体材料完成多个复合浇铸实验。通过对比不同浇铸工艺条件下所得铸锭的宏观形貌和微观组织,分析不同工艺参数对铸锭内部质量的影响。通过观察旋转置入圆柱形芯坯复合浇铸钢锭的微观组织发现,当芯坯直径为40 mm、长度为320 mm、转速为120 rpm、预热到120℃进行复合浇铸时,铸锭平均晶粒尺寸只有42μm。与未加芯坯的随炉冷却钢锭相比,复合浇铸工艺大幅度细化了钢锭的凝固组织。由于芯坯置入钢液后,芯坯周围的熔体过冷度增大,形核率提高,加之锭模对形核的促进作用,达到了内外同时冷却的效果,同时缩短了熔体凝固距离,因此达到了细化铸锭内部组织的效果。不过,当芯坯预热温度较低、固液比较高时,铸态组织部分最后凝固位置出现疏松缺陷,铸态组织与芯坯复合界面附近出现少量孔隙。对比不同固液比情况下所得铸锭内部组织...
【文章来源】：辽宁科技大学辽宁省
【文章页数】：60 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
模铸钢锭内部组织分布示意图
煞植痪?认窒蟆２??旯燮?龅闹饕?原因是溶质再分配，也就是在熔体凝固过程中溶质贫化的固相和溶质富集的液相之间的相对运动所造成的合金元素在宏观尺寸上的迁移[15]。固相与液相间的相对运动主要由以下几方面造成的[16]：（1）由温度和液体成分变化造成密度梯度所引起的对流流动，即热溶质对流；（2）当钢中的等轴晶比周围的液体密度大时，晶粒容易下沉；（3）由凝固收缩和热收缩引起的流动；（4）由于热应力、收缩应力和金属静压力造成的固相结构变形所引起的流动；（5）由于浇注、外加磁尝搅拌、旋转等原因引起的流动。图1.2给出大型钢锭中宏观偏析的分布[17]，宏观偏析的类型主要有正偏析、负偏析、V型偏析和A型偏析。正偏析是溶质含量富集的熔体在冒口顶部最后凝固形成的；负偏析是由于等轴晶沉降在钢锭底部所形成；而A型偏析和V型偏析是由于熔体不稳定流动造成的。宏观偏析形成后很难在后续的加工工艺中消除，特别是大型钢锭，由于三维尺寸大，凝固时间很长，所以溶质再分配的时间充足，凝固后形成的宏观偏析更加严重和典型[14]，极大地降低钢材的机械性能、耐磨性能、抗腐蚀和疲劳性能，减少服役寿命，甚至直接报废。所以，在钢锭凝固过程中控制并减轻宏观偏析意义重大。正偏析V-偏析A-偏析负偏析图1.2大型钢锭中典型宏观偏析形式Fig.1.2Typicalmacrosegregationformsinlargeingot
辽宁科技大学硕士学位论文51.3.4热裂纹的形成机理热裂纹是铸钢件生产中常见的缺陷之一。如图1.3所示，针对热裂纹的产生将钢锭的结晶过程大致分为四个阶段[18-19]：形核初期，晶粒自由漂浮，流体自由流动，不产生裂纹；随着温度的降低，晶核长大，相邻的晶核之间接触搭接，形成连续的晶体骨架，产生多孔网络，但由于此时钢液黏度小，很容易实现补缩，所以凝固收缩导致的裂纹得到愈合，这一阶段称为浆状区[20]；当温度继续下降，液体减少，固相的骨架不能被钢液的流动抵消时，液膜破裂，热裂纹缺陷开始形成，此阶段称为糊状区[20]；完全凝固成固相后，当晶粒间结合非常牢固时，内部应力不再导致缺陷的进一步发展。熔体流动补偿凝固收缩和热收缩固相宏观应力补缩路径相干搭桥润湿晶界自由流动，无裂纹浆状区糊状区裂纹愈合液膜破裂枝晶桥的塑性变形液膜脆化共晶图1.3枝晶凝固过程中热裂纹相关现象示意图Fig.1.3Diagramofthermalcrack-relatedphenomenaduringdendrite1.4大型钢锭的研究现状1.4.1晶粒细化的研究现状金属结晶后的晶粒大小是组织好坏的重要参数之一，中心等轴晶比较发达，显微疏松较多，凝固组织不够致密，从而降低其性能。细化等轴晶可以使夹杂元素和非金属夹杂物、显微疏松等缺陷更加分散，因而可以提高力学性能和抗疲劳性能。在大多数工业生产中，合金元素以及第二项粒子的强化效果比晶粒细化更为明显，应用也最为广泛，但这些措施在提高强度的同时往往以牺牲一定的塑性为代价，细化晶粒是既不牺牲塑韧性又能提高材料强度的有效措施[21]。细化金属凝固组织已成为材料科学领域中重要的研究课题。图1.4总结了细化铸态组织的方法。针对厚大钢锭的生产缺陷，早在20世纪60年代前苏联研究人员就发明了悬浮?
【参考文献】：
期刊论文
[1]模铸5059铝合金扁锭疏松分布特征及其对热轧开裂的影响[J]. 刘金胜,郭一宁,朱庆丰. 轻合金加工技术. 2019(07)
[2]16Mn轴座裂纹原因分析及解决措施[J]. 俞俊杰,祁庆花,刘佳,曹琨,张潇潇. 铸造. 2018(07)
[3]连铸轴承钢偏析和凝固组织缺陷的成因及其危害[J]. 宗男夫,张慧,刘洋,李鹏飞,王明林. 轴承. 2018(06)
[4]大型铸锭均质化问题及其新解[J]. 李军,夏明许,胡侨丹,李建国. 金属学报. 2018(05)
[5]RE与Ti复合变质对铸造5CrNiMo模具钢组织和性能的影响[J]. 马伟亮,蔡启舟,程婧璠,赵炳怡,李冰,柳波. 铸造技术. 2018(03)
[6]钢锭铸造过程宏观偏析数值模拟[J]. 沈厚发,陈康欣,柳百成. 金属学报. 2018(02)
[7]6t钢锭缺陷与改良措施研究[J]. 唐雯聃,赵俊学,刘国军,李刚,仇圣桃. 铸造技术. 2017(02)
[8]电磁搅拌对金基合金凝固组织和心部缺陷的影响[J]. 张俊凯,张勤,厉英,邓文卓,闫晨. 稀有金属材料与工程. 2017(01)
[9]大型铸钢件多包合浇工艺研究与探讨[J]. 贾秀梅,颜莉,战庆文,刘斌. 金属加工(热加工). 2015(23)
[10]特厚钢板轧制用坯料制造方法及生产实践[J]. 何琴琴,罗晔,马广程. 武钢技术. 2015(05)
博士论文
[1]钢锭热裂纹实验研究及数值模拟[D]. 杨靖安.清华大学 2017
[2]大型钢锭宏观偏析多元多相建模与仿真[D]. 涂武涛.清华大学 2016
[3]脉冲电流凝固细晶技术的机理及应用[D]. 李杰.上海大学 2009
硕士论文
[1]铸态40CrNiMo合金钢热变形过程组织演变及数值模拟研究[D]. 周研.燕山大学 2017
[2]脉冲电流铸轧5052铝合金组织研究[D]. 谭贝.东北大学 2015
[3]水冷模铸扁锭凝固过程及工艺参数探究的数值模拟[D]. 王利君.东北大学 2013
[4]铸态2.25Cr1Mo0.25V纲热变形过程中组织演变的研究[D]. 焦永振.太原科技大学 2012
[5]A356合金铸造热应力数值模拟及热裂纹预测[D]. 赵征伟.哈尔滨工业大学 2011
本文编号：2960599
【文章来源】：辽宁科技大学辽宁省
【文章页数】：60 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
模铸钢锭内部组织分布示意图
煞植痪?认窒蟆２??旯燮?龅闹饕?原因是溶质再分配，也就是在熔体凝固过程中溶质贫化的固相和溶质富集的液相之间的相对运动所造成的合金元素在宏观尺寸上的迁移[15]。固相与液相间的相对运动主要由以下几方面造成的[16]：（1）由温度和液体成分变化造成密度梯度所引起的对流流动，即热溶质对流；（2）当钢中的等轴晶比周围的液体密度大时，晶粒容易下沉；（3）由凝固收缩和热收缩引起的流动；（4）由于热应力、收缩应力和金属静压力造成的固相结构变形所引起的流动；（5）由于浇注、外加磁尝搅拌、旋转等原因引起的流动。图1.2给出大型钢锭中宏观偏析的分布[17]，宏观偏析的类型主要有正偏析、负偏析、V型偏析和A型偏析。正偏析是溶质含量富集的熔体在冒口顶部最后凝固形成的；负偏析是由于等轴晶沉降在钢锭底部所形成；而A型偏析和V型偏析是由于熔体不稳定流动造成的。宏观偏析形成后很难在后续的加工工艺中消除，特别是大型钢锭，由于三维尺寸大，凝固时间很长，所以溶质再分配的时间充足，凝固后形成的宏观偏析更加严重和典型[14]，极大地降低钢材的机械性能、耐磨性能、抗腐蚀和疲劳性能，减少服役寿命，甚至直接报废。所以，在钢锭凝固过程中控制并减轻宏观偏析意义重大。正偏析V-偏析A-偏析负偏析图1.2大型钢锭中典型宏观偏析形式Fig.1.2Typicalmacrosegregationformsinlargeingot
辽宁科技大学硕士学位论文51.3.4热裂纹的形成机理热裂纹是铸钢件生产中常见的缺陷之一。如图1.3所示，针对热裂纹的产生将钢锭的结晶过程大致分为四个阶段[18-19]：形核初期，晶粒自由漂浮，流体自由流动，不产生裂纹；随着温度的降低，晶核长大，相邻的晶核之间接触搭接，形成连续的晶体骨架，产生多孔网络，但由于此时钢液黏度小，很容易实现补缩，所以凝固收缩导致的裂纹得到愈合，这一阶段称为浆状区[20]；当温度继续下降，液体减少，固相的骨架不能被钢液的流动抵消时，液膜破裂，热裂纹缺陷开始形成，此阶段称为糊状区[20]；完全凝固成固相后，当晶粒间结合非常牢固时，内部应力不再导致缺陷的进一步发展。熔体流动补偿凝固收缩和热收缩固相宏观应力补缩路径相干搭桥润湿晶界自由流动，无裂纹浆状区糊状区裂纹愈合液膜破裂枝晶桥的塑性变形液膜脆化共晶图1.3枝晶凝固过程中热裂纹相关现象示意图Fig.1.3Diagramofthermalcrack-relatedphenomenaduringdendrite1.4大型钢锭的研究现状1.4.1晶粒细化的研究现状金属结晶后的晶粒大小是组织好坏的重要参数之一，中心等轴晶比较发达，显微疏松较多，凝固组织不够致密，从而降低其性能。细化等轴晶可以使夹杂元素和非金属夹杂物、显微疏松等缺陷更加分散，因而可以提高力学性能和抗疲劳性能。在大多数工业生产中，合金元素以及第二项粒子的强化效果比晶粒细化更为明显，应用也最为广泛，但这些措施在提高强度的同时往往以牺牲一定的塑性为代价，细化晶粒是既不牺牲塑韧性又能提高材料强度的有效措施[21]。细化金属凝固组织已成为材料科学领域中重要的研究课题。图1.4总结了细化铸态组织的方法。针对厚大钢锭的生产缺陷，早在20世纪60年代前苏联研究人员就发明了悬浮?
【参考文献】：
期刊论文
[1]模铸5059铝合金扁锭疏松分布特征及其对热轧开裂的影响[J]. 刘金胜,郭一宁,朱庆丰. 轻合金加工技术. 2019(07)
[2]16Mn轴座裂纹原因分析及解决措施[J]. 俞俊杰,祁庆花,刘佳,曹琨,张潇潇. 铸造. 2018(07)
[3]连铸轴承钢偏析和凝固组织缺陷的成因及其危害[J]. 宗男夫,张慧,刘洋,李鹏飞,王明林. 轴承. 2018(06)
[4]大型铸锭均质化问题及其新解[J]. 李军,夏明许,胡侨丹,李建国. 金属学报. 2018(05)
[5]RE与Ti复合变质对铸造5CrNiMo模具钢组织和性能的影响[J]. 马伟亮,蔡启舟,程婧璠,赵炳怡,李冰,柳波. 铸造技术. 2018(03)
[6]钢锭铸造过程宏观偏析数值模拟[J]. 沈厚发,陈康欣,柳百成. 金属学报. 2018(02)
[7]6t钢锭缺陷与改良措施研究[J]. 唐雯聃,赵俊学,刘国军,李刚,仇圣桃. 铸造技术. 2017(02)
[8]电磁搅拌对金基合金凝固组织和心部缺陷的影响[J]. 张俊凯,张勤,厉英,邓文卓,闫晨. 稀有金属材料与工程. 2017(01)
[9]大型铸钢件多包合浇工艺研究与探讨[J]. 贾秀梅,颜莉,战庆文,刘斌. 金属加工(热加工). 2015(23)
[10]特厚钢板轧制用坯料制造方法及生产实践[J]. 何琴琴,罗晔,马广程. 武钢技术. 2015(05)
博士论文
[1]钢锭热裂纹实验研究及数值模拟[D]. 杨靖安.清华大学 2017
[2]大型钢锭宏观偏析多元多相建模与仿真[D]. 涂武涛.清华大学 2016
[3]脉冲电流凝固细晶技术的机理及应用[D]. 李杰.上海大学 2009
硕士论文
[1]铸态40CrNiMo合金钢热变形过程组织演变及数值模拟研究[D]. 周研.燕山大学 2017
[2]脉冲电流铸轧5052铝合金组织研究[D]. 谭贝.东北大学 2015
[3]水冷模铸扁锭凝固过程及工艺参数探究的数值模拟[D]. 王利君.东北大学 2013
[4]铸态2.25Cr1Mo0.25V纲热变形过程中组织演变的研究[D]. 焦永振.太原科技大学 2012
[5]A356合金铸造热应力数值模拟及热裂纹预测[D]. 赵征伟.哈尔滨工业大学 2011
本文编号：2960599
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