H13模具钢快速电渣重熔铸坯的凝固组织特征及偏析研究

发布时间：2020-09-22 16:17

　　 H13钢是一种应用广泛的高端钢材,本文以进一步提高快速电渣重熔工艺生产H13铸坯的质量为背景,对H13钢快速电渣重熔铸坯的凝固组织及偏析的形貌特征进行了仔细地分析,其次对凝固条件对H13凝固组织与偏析的影响进行了分析讨论,最后对H13铸坯在拉坯方向上的碳元素分布特征进行了分析。在H13铸坯凝固组织及偏析特征分析方面,本文测量凝固组织的二次枝晶间距、面积与周长,并引入分形维数与无量纲周长对铸坯的凝固组织及偏析特征进行表征。分析发现等轴晶区内凝固组织的二次枝晶间距均值大于柱状晶区。在熔速400kg/h、450kg/h、500kg/h时,铸坯等轴晶区凝固组织的面积率小于柱状晶区(偏析率则相反),并且铸坯凝固组织的周长与面积呈负相关。同时,分形维数及无量纲周长的结果表明,等轴晶区内凝固组织的分形维数小于柱状晶区,而无量纲周长则大于柱状晶区。这可能与二者的计算原理不同有关。其次,本文通过统计偏析点数目,并按面积范围将偏析点划分为三种对铸坯偏析进行了更为细致的研究。分析发现铸坯柱状晶区的偏析点总数大于等轴晶区,这表明偏析点在柱状晶区的分布更加弥散。而不同类型偏析点在相应晶区的分布情况表明等轴晶区更易出现面积较大的偏析点。并且,等轴晶区偏析点的分形维数及无量纲周长小于柱状晶区表明柱状晶区相对于等轴晶区内的偏析点形貌更复杂。这应该是由于柱状晶区的局部冷却速度大于等轴晶区所致。最后,通过对比凝固组织及偏析点的分形维数、无量纲周长与偏析的关系,发现对于H13铸坯而言,凝固组织的分形维数比较适合用于表征偏析点的弥散度。而凝固组织的无量纲周长比较适合用于表征铸坯整体的偏析程度。熔速350kg/h铸坯在某些方面有不同趋势,这可能与凝固组织生长方向等其他因素有关。然后,在凝固条件对偏析的影响方面,本文通过凝固组织二次枝晶间距计算得到相应位置的局部冷却速度,以此来研究其对铸坯偏析的影响。分析发现铸坯等轴晶内的局部冷却速度小于柱状晶区。由于铸坯随着熔速的增加柱状晶凝固角先减小后增大再减小,可推测当熔速增大时铸坯的横向传热与纵向传热存在竞争性,但是总体上横向传热要强于纵向传热。并且,通过分析发现当局部凝固时间增大时,凝固组织与偏析点的分形维数及无量纲周长有减小的趋势,但趋势程度不同。其次,当局部凝固时间增大时,偏析总面积有增大的趋势,而偏析点总数呈减小的趋势,并且对比局部凝固时间与不同类型偏析点的面积比及数目比之间的关系,发现局部凝固时间增大时,铸坯更易出现面积较大的偏析点。最后,通过综合分析比较不同熔速铸坯偏析的面积及数目,可知熔速450kg/h生产的铸坯质量最优。最后,针对铸坯拉坯方向的碳元素分布特征方面,本部分首先基于低倍组织图像灰度值获取了铸坯的碳元素分布曲线。然后,对碳元素含量分布序列的标准差、互相关函数、Hurst指数进行了计算,为以后精细化控制快速电渣重熔铸坯的偏析状况提供指导。碳元素分布序列的标准差计算结果表明除了个别熔速外,其余熔速铸坯等轴晶区的碳含量元素的波动程度比柱状晶区更大。并且不同位置的碳元素分布序列的互相关函数分析结果表明,当滞后数为0时,熔速为400kg/h、450kg/h、500kg/h的铸坯的C ET转变位置与铸坯中心位置的碳含量分布呈现明显的相关性,而Hurst指数的相关系数表明,碳元素分布序列有明显的分形特征。
【学位单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2016
【中图分类】：TF142
【部分图文】：

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图 1.1 快速电渣重熔工艺示意图[6]Fig.1.1 Schematic of ESRR process尺寸的铸坯是很不经济的。而这恰恰是连铸工艺的优点[7]，但是穴较深，容易产生疏松和偏析。针对电渣重熔工艺的产能小、点，促使结合连铸工艺同时兼具电渣重熔工艺优点的快速电渣）的产生。快速电渣重熔工艺从传统的电渣重熔工艺发展而来公司开发的。该工艺是在 T 型结晶器多流电渣重熔[8]的基础上发所示，该工艺采用 T 型结晶器，可重熔大断面电极，以减少电极在结晶器壁上嵌入导电元件改变电流回路，使电流回路变为自电元件→变压器，由此改变结晶器的热分配[5]。并且该工艺提高能得到致密、均匀、无偏析、疏松、缩孔的凝固组织结构。被后电渣重熔领域最有发展前景的工艺。速电渣重熔工艺的原理及特点电渣重熔的工艺原理与传统电渣重熔工艺类似。电渣重熔是一

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图 1.2 传统电渣重熔工艺示意图[9]Fig.1.2 Schematic of traditional ESR process渣池温度可维持在 1700~1900℃之间[10]，远远高于钢500℃）。这时插入渣池的自耗电极端部便被逐渐加热至熔化，这个过程中熔化的金属汇集在电极锥形端部的尖端，形成液态金属熔滴在重力和电动力的作用下，从尖端脱落穿过渣池进入金冷结晶器的冷却作用，液态金属自下而上逐渐凝固形成铸锭。渣池和金属熔池也随之向上移动，使得铸坯与水冷结晶器之间壳的作用主要体现在两点，一、使铸坯表面平滑光洁改善了铸、在结晶器内壁和铸坯之间起到保温隔热的作用，从而降低了径向传热，促进了轴向传热，有利于铸坯的自下而上的顺序结钢液凝固有较大差异。一提的是，自耗电极中的非金属夹杂物[11-14]、有害元素[15-16]、成过程和穿越渣池过程中大部分得到去除了。这两个过程液态

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ESRR）在原理上与一般的电渣重熔水冷结晶器可以使用直径较大的电极，在实际生产过程中可以实现连续率不高的问题。同时，理论上该工坯，但实践也表明该工艺生产铸坯气态、液态、固态三种形式存在，所有的金属以及一些非金属物质在次的凝固过程。作为目前最常见的棒材、板材等）之前，也必须经历各种尺寸的铸坯。目前，常见的铸

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