X12CrMoWVNbN钢凝固过程的夹杂物

发布时间：2020-11-14 11:13

　　 X12CrMoWVNbN钢因其优秀的使用性能,是制造核电用超超临界机组转子的重要材料。对该钢而言,实际应用过程中的安全问题是重中之重,而钢中的夹杂物,尤其是尺寸较大的夹杂物,对材料的安全使用有很大影响。钢中的夹杂物主要形成于两个阶段,炼钢阶段和钢液凝固阶段。熔炼形成的初生夹杂可在凝固前尽量移除,而凝固阶段形成的夹杂物将被保留在钢中,在材料的后续加工阶段也无法去除。因此对X12CrMoWVNbN钢凝固过程的夹杂物的析出与生长进行研究,具有重要应用价值。本文对该钢中夹杂物析出的热力学和生长动力学进行了系统计算,并通过一系列实验对计算进行验证,揭示了该钢凝固过程夹杂物的生长特性,且进一步对夹杂物的生长控制给出了建议。X12CrMoWVNbN钢夹杂物析出的热力学表明:钢中析出的夹杂物主要为TiN和Al_2O_3类型。其中前者析出于凝固末期,后者在凝固前即可析出,无其他类型夹杂物析出。通过扫描电子显微观察和X射线能谱分析对析出夹杂物进行检测,证实了热力学的计算结果。若要控制TiN夹杂物在凝固阶段不析出,则Ti元素的含量须低于0.003%。若要控制Al_2O_3夹杂在凝固前不析出,则凝固之前的氧含量须低于16 ppm。根据Ohnaka溶质偏析模型和Goto夹杂生长模型对X12CrMoWVNbN钢夹杂物的动力学计算表明:凝固冷却速率越大,夹杂生长时间越短,因此夹杂物尺寸随冷却速率的增大逐渐减小。元素含量对夹杂物生长影响很大,含量越高,最终获得的夹杂物尺寸越大。初始尺寸对夹杂最终尺寸在不同冷却速率下影响不同。凝固冷速非常低时,夹杂物的初始尺寸对最终尺寸几乎没有影响。而当冷却速率非常高时,由于溶质元素的扩散被抑制,夹杂物将很难长大,因此其最终尺寸几乎等于初始尺寸。通过5*10~(-2)~10~6 K/s的宽冷速范围内凝固实验,研究冷却速率对X12CrMoWVNbN钢夹杂物析出的影响,并与动力学的计算结果进行比较,理论分析了二者之间的差异。X12CrMoWVNbN钢中夹杂物的尺寸分布规律表明:在宽冷速范围内,随着冷却速率的不断增大,较大尺寸夹杂物的数量密度不断降低,而较小尺寸夹杂物的数量密度则呈现出先增大后减小的特点,这是由于冷速增大对形成夹杂的溶质元素析出的抑制增强所致。同时还对不同冷却速率下,氧含量变化对夹杂物尺寸及分布的影响进行了研究。
【学位单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2016
【中图分类】：TM623;TG142.1
【部分图文】：

[2]Fig. 1-1 The distribution of nuclear power station in global world图1-2 蒸汽温度、压力与发电效率的关系[8]Fig. 1-2 Relationship between steam temperature, pressure and efficiency0100200300400500600700800900美国 法国 日本 俄罗斯 韩国 英国 加拿大 德国 乌克兰 中国核反应堆数量/座2009年核能发电量（亿KW.h）

[7]，该温度可为主蒸汽温度，也可为再热蒸汽温度。只要温度超过566℃，均可看做超超临界。图1-3展示了日本这个核电大国在上世纪开发超超临界机组时，蒸汽压力和蒸汽温度不断提升的过程[8]。图1-3 日本超超临界技术的发展历程[8]Fig. 1-3 The development of ultra supercritical technology in Japan超超临界转子是发电机组汽轮机的核心部件，工作在极高温度和压力的蒸汽环境中。由于工作环境极为苛刻，因此转子对性能的要求非常之高，包括良好的综合力学性能如机械强度、延展性、性能均匀一致等[9]。此外，由于超超临界转子的服役时间经常达到几十年之久，对其在长期高温气氛中的组织稳定性也有很高的要求。长期的高温环境会造成组织的蠕变，又或者长期压力作用下，转子内部应力点将会诱发内部裂纹的产生，这对设备运行来说危害极大[8, 10]。而且转子还必须淬透性良好以及具备优异的加工性能,这就对转子的制造材料提出了很高的要求[11-13]。目前超超临界转子的材料均为耐热钢，而 X12CrMoWVNbN 钢正是这

图1-4 凝固过程不同氧含量情况下Ti2O3的析出[77]Fig. 1-4 Precipitation of under different O content during solidification-170 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1fs
【参考文献】

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本文编号：2883406