大型钢锭凝固过程及缺陷的数值模拟与优化

发布时间：2020-06-07 04:45

【摘要】：本研究针对江苏某特殊钢企业(以下简称某特钢)大钢锭生产所面临的缺陷率高、钢锭成材率低、探伤合格率低等问题,选取17CrNiMo6钢种的21吨和6.8吨两个锭型,利用ProCAST软件对钢锭浇铸、凝固过程的流场和温度场及影响缺陷的工艺因素进行了数值模拟。结合热物性参数及辅助材料的性能测定和现场工业验证,探讨了影响大钢锭凝固质量和缺陷的成因,提出了工艺优化方案和改进建议。主要的研究结果如下:(1)针对17CrNiMo6钢21吨锭型的中心疏松缺陷,分别对三维温度场、热流密度、固相率和浇注温度、浇注速度和锭模的高径等参数进行了优化模拟。结果表明:当浇注温度为1545℃、锭身浇注速度为25kg/s和高径比为1.86时,钢锭的中心疏松缺陷的预测结果为缺陷占锭身总体积比优化前下降了0.55%,缺陷所占体积比优化前减少了约30%。现场红外测温曲线与模拟温度曲线拟合度达到96%,各工艺因素对钢锭中心缺陷影响程度的大小顺序依次确定为:高径比浇注温度浇注速度。(2)对辅助材料的相关参数进行了分析,测定了绝热板的密度、绝热板导热系数与温度的对应关系曲线以及保护渣的熔点熔速和结晶性能等参数。结果表明:绝热板的导热系数都优于标准要求,选择2#绝热板更有利于凝固过程传热稳定;待选保护渣中的2#保护渣熔点为1162℃,熔速为76s,结晶性能最好,选择它更合适。(3)针对锭尾皮下夹渣质量缺陷,选取6.8吨锭型对可能存在的缺陷及位置进行了预测。确认倒角连接是影响热流分布及钢液初期翻滚程度的主因,提出了保护渣采用悬挂方式添加以及钢锭与底盘采用倒角连接来降低卷渣量,减少锭尾夹渣。结果表明:提高锭模初温至600℃时,可以使倒角处底部钢锭坯壳冷凝时间推迟500s;锭模与底盘处采用倒角连接比无倒角更利于减少锭尾皮下夹渣,且倒角R=150mm时缺陷率由1.509%减低到1.423%。(4)针对6.8吨钢锭冒容比偏大带来的系列问题,对不同冒容比参数下的热传递、冒口钢液收缩、冒口凝固过程、缩孔深度及冒口缺陷的变化规律进行了数值模拟。结果表明:(1)绝热板下端设计成30°楔形状,增加了冒口线处的钢液接触面积,有利于冒口钢液的补缩;(2)将冒口浇高从350mm降低至320mm,同时使绝热板厚度从50mm增加至80mm,优化后的工装工艺可以使冒口缩孔深度从216.61mm降低到了61.76mm,钢锭切头率可以从12%降到9.56%,钢锭的利用率增加。大钢锭皮下夹渣、缩松等质量缺陷,严重影响钢锭成材率。采用ProCAST软件对可能存在的缺陷及位置进行预测并对凝固过程进行数值模拟,并用现场数据获得验证,获得更适宜的工艺参数来指导生产,可以有效降低成本,避免实验研究高温下可操作性问题。
【图文】：

汤道；6-底盘Fig.1.1 The bottom gating diagram ofingot casting图 1.2 某特钢厂生产现场图Fig.1.2 The production site of one certainspecial steel plant钢锭模铸的辅助材料主要有惰性气体、保护渣、绝热板和发热剂。其中性气体的目的是保护钢液不被二次氧化，一般为氩气保护罩在浇注平台上使保护渣是防止锭模中的钢液被二次氧化，添加方式有悬挂法和直接平铺法。板内衬于锭模冒口处，目的是减缓冒口处的钢液凝固速度，有利于钢液的补发热剂用于浇注完成初期，可以为冒口钢液提供外部的热量，目的也是减缓处的钢液凝固速度。相比较于连铸生产，模铸生产有以下几点优点[4]：1）用铸造方法成形的毛坯，其尺寸和形状接近成品零件；2）铸件质量可通过采用不同性能、不同的铸造合金得到提高；3）由于不受毛坯的重量、尺寸和形状的限制，因此具活的生产性；4）生产投入资金少，且具有较短的周期。(2)主要技术要求：

汤道；6-底盘Fig.1.1 The bottom gating diagram ofingot casting图 1.2 某特钢厂生产现场图Fig.1.2 The production site of one certainspecial steel plant钢锭模铸的辅助材料主要有惰性气体、保护渣、绝热板和发热剂。其中性气体的目的是保护钢液不被二次氧化，一般为氩气保护罩在浇注平台上使保护渣是防止锭模中的钢液被二次氧化，添加方式有悬挂法和直接平铺法。板内衬于锭模冒口处，目的是减缓冒口处的钢液凝固速度，有利于钢液的补发热剂用于浇注完成初期，可以为冒口钢液提供外部的热量，目的也是减缓处的钢液凝固速度。相比较于连铸生产，模铸生产有以下几点优点[4]：1）用铸造方法成形的毛坯，，其尺寸和形状接近成品零件；2）铸件质量可通过采用不同性能、不同的铸造合金得到提高；3）由于不受毛坯的重量、尺寸和形状的限制，因此具活的生产性；4）生产投入资金少，且具有较短的周期。(2)主要技术要求：
【学位授予单位】：西安建筑科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TF77

【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 耿明山;刘艳;黄衍林;;大型特厚板坯料制造技术现状和发展趋势[J];中国冶金;2014年08期

2 徐戎;李落星;张立强;朱必武;卜晓兵;;金属型铸造界面换热系数峰值预测模型的建立和验证[J];中国有色金属学报;2014年04期

3 杨薇;赵俊学;宋书雅;仇圣桃;;大型钢锭充型和凝固过程的数值模拟[J];特种铸造及有色合金;2014年02期

4 赵静;周湛;张捷宇;翟启杰;;钢锭凝固过程中温度场和流场的数值模拟研究[J];上海金属;2014年01期

5 王晓花;厉英;;钢锭凝固过程温度场数值模拟[J];铸造;2013年05期

6 桑宝光;殷文齐;;400t级大型钢锭的凝固过程模拟及试制[J];一重技术;2013年02期

7 岳强;陈怀昊;姚成虎;卢丹;张久峰;黄飞;;钢液中非金属夹杂物碰撞、长大的研究进展[J];钢铁研究学报;2012年09期

8 钱怡君;程兆虎;于浩;;数值模拟在铸造中的应用进展[J];精密成形工程;2012年04期

9 李学通;张沛;王敏婷;杜凤山;;大型饼类锻件镦粗夹层裂纹缺陷形成机理研究[J];固体力学学报;2012年03期

10 李小明;史雷刚;王尚杰;李文峰;;钢液中夹杂物的行为特点和去除[J];热加工工艺;2012年09期

相关会议论文 前1条

1 杨薇;赵俊学;宋书雅;仇圣桃;;基于数值模拟的大型钢锭铸造工艺优化[A];2014年钢锭制造技术与管理研讨会论文集[C];2014年

相关硕士学位论文 前8条

1 康冬;大锻件孔洞缺陷演化过程的跨尺度数值模拟方法研究[D];燕山大学;2015年

2 盛星星;锻造钢锭的几何因素对其内部缺陷影响的数值模拟研究[D];辽宁科技大学;2015年

3 宋书雅;中原特钢钢锭质量控制研究[D];西安建筑科技大学;2014年

4 马薇;特大型钢锭凝固过程研究[D];重庆大学;2011年

5 向伟;热锻条件下大型钢锭内部主要冶金缺陷的演变[D];太原科技大学;2010年

6 亓俊杰;大型钢锭凝固过程的数值模拟与实验装置研究[D];重庆大学;2010年

7 柴彩娟;圆壁管扩径加工过程仿真与裂纹产生机理研究[D];西安电子科技大学;2010年

8 王子亮;大型锻件镦粗侧表面开裂研究[D];燕山大学;2007年

本文编号：2700865