大型钢锭及铸钢件中的传热传质工程问题研究

发布时间：2017-09-14 11:44

  本文关键词：大型钢锭及铸钢件中的传热传质工程问题研究

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【摘要】：装备制造业是支撑国民经济的关键产业,代表了一个国家的工业实力。大型钢锭及铸件在核电、水电等装备核心零部件的制造中扮演了十分重要的作用。而目前我国相关领域的制造技术还存在很多问题,直接影响到相关关键设备的国产化。传热传质是铸造生产的两个基本物理现象,对大型钢锭中的瓶颈—宏观偏析缺陷和大型铸钢件的缩孔缩松等缺陷有直接影响。本文针对大型钢锭、铸钢件内的传热传质过程,研究了核电低压转子585t钢锭多包变成分浇注工艺下的溶质传输以及大型平板类铸钢件的保温补贴替代金属补贴的工艺。多包变成分浇注是控制大型铸锭宏观偏析的一种新工艺,即浇注时各包合金元素成分不同,形成反偏析,以抵消凝固过程中的偏析,但是浇注后钢锭内合金成分如何分布还不清楚。本文基于相似原理,分析了模拟钢液流场以及钢液中碳元素扩散过程的理论基础,推导了相似条件,采用甲基蓝模拟钢液中碳元素,搭建了大型钢锭浇注过程中间包和钢锭模腔内钢液中碳元素传输分布的物理模拟(水模拟)平台。设计并制作了采用光纤传感器测量水中甲基蓝浓度的装置,并采用传感器阵列测量溶质空间分布。此外,还提出了基于中间包停留时间曲线(RTD曲线)计算中间包出口浓度变化的方法。采用搭建的大型钢锭溶质传输水模拟平台,研究了核电低压转子585t钢锭5包变成分浇注工艺,得到了该钢锭浇注阶段中间包出口碳含量的变化规律和钢锭模腔内钢液中碳的成分分布结果。结果表明,不同碳浓度的钢液在中间包和钢锭模腔内都有混合,因此中间包出口碳浓度呈连续变化,浇注结束后在钢锭模腔内钢液形成非规则分层的自下而上的碳浓度梯度,底部浓度虽然高于平均浓度,但是远低于第一包的浓度,上部浓度基本上是最后一包的浓度。该浓度分布结果对于进一步研究和改善钢锭凝固过程中的宏观偏析具有意义。大型铸钢件生产时采用金属补贴配合冒口进行补缩,浪费材料,并且清理困难。本文研究了大型平板类铸钢件的保温补贴替代金属补贴工艺。测量了多种保温材料的高温力学、热物性参数,通过对比分析选择了合适的保温材料。基于理论模型计算了大型平板铸件的保温补贴工艺参数,并对保温补贴替代金属补贴的工艺进行了数值模拟,结果表明保温补贴可以替代金属补贴,获得完好铸件。
【关键词】：大型钢锭、铸件 宏观偏析 多包变成分浇注 水模拟 保温补贴
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG260
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第1章 引言9-24
• 1.1 选题背景及意义9-11
• 1.2 大型钢锭的宏观偏析及多包变成分浇注工艺研究现状11-18
• 1.2.1 大型钢锭宏观偏析缺陷及其研究11-15
• 1.2.2 控制偏析的多包变成分浇注工艺及其研究进展15-18
• 1.3 铸件保温补贴工艺研究现状18-23
• 1.4 论文研究内容23-24
• 第2章 大型钢锭浇注过程碳元素传输水力学模拟方法及平台24-39
• 2.1 引言24
• 2.2 大型钢锭浇注过程碳元素传输的水力学模拟理论基础24-26
• 2.3 水模拟溶质选择及其水溶液浓度分布测量方法与装置26-30
• 2.4 大型钢锭多包变成分浇注水模拟实验平台30-33
• 2.5 基于RTD曲线的中间包出口浓度变化曲线的计算33-37
• 2.6 小结37-39
• 第3章 核电低压转子 585t钢锭多包变成分浇注工艺研究39-63
• 3.1 引言39
• 3.2 核电低压转子用 585t钢锭简介39-41
• 3.3 钢锭中间包内溶质对流与扩散混合规律研究41-54
• 3.3.1 基于RTD曲线预测分析钢锭中间包出口浓度变化规律41-48
• 3.3.2 浇注过程中间包内流场及溶质场变化数值模拟48-54
• 3.4 核电低压转子 585t钢锭5包变成分浇注工艺水模拟实验54-62
• 3.5 小结62-63
• 第4章 大型平板类铸钢件保温补贴工艺研究63-78
• 4.1 引言63
• 4.2 多种保温材料高温力学、热物性参数的测量63-67
• 4.3 保温补贴工艺设计方案67-69
• 4.4 大型平板铸钢件保温补贴工艺数值模拟69-77
• 4.4.1 平板铸件无补贴凝固数值模拟69-71
• 4.4.2 平板铸件金属补贴工艺凝固数值模拟71-73
• 4.4.3 平板铸件保温补贴工艺凝固数值模拟73-77
• 4.5 小结77-78
• 第5章 结论78-79
• 参考文献79-84
• 致谢84-86
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果86

【参考文献】

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本文编号：849837