Mn18Cr18N电渣重熔钢锭凝固组织的CA法模拟
发布时间：2021-09-16 21:26
借助PROCAST软件的元胞自动机（CA）微观组织模拟方法,分析了?300 mm （?100 mm）×350 mm Mn18Cr18N高氮奥氏体不锈钢空心钢锭的电渣重熔凝固工艺,确定了合理的凝固工艺参数、冷却条件、凝固晶粒组织的形核密度与生长速度。在此基础上,分析了?712 mm（?308 mm）×1 202 mm空心钢锭电渣重熔金属熔池形状和底部冷却条件对凝固组织特征的影响。结果表明,电渣重熔熔速（渣-金界面上涨速度）控制在0.1 mm·s-1以下,可以获得理想的熔池形状和凝固柱状晶组织;底部传热系数达到500 W·m2·K-1可提供足够的冷却能力,并获得最大尺寸的底部柱状晶区。
【文章来源】：铸造技术. 2020,41(12)
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
电渣重熔空心钢锭内外壁传热系数变化规律
图1 电渣重熔空心钢锭内外壁传热系数变化规律温度场的变化规律取决于电渣重熔特殊的冷却条件。如图3所示，空心钢锭电渣重熔过程中重熔和凝固从底水箱开始逐步向上（图3）。重熔凝固开始阶段，由于底水箱的冷却能力大于内外结晶器的冷却能力，温度场沿轴向的梯度大于径向的梯度，温度场约在700～1 415℃的范围内（图2a）；柱状晶从底水箱开始沿着轴向生长，钢锭壁厚中心部分的柱状晶几乎垂直于底面而与轴向平行，靠近内外壁两侧则由于内外水冷结晶器的冷却作用，柱状晶向壁厚中心倾斜（图3a）。也就是说，柱状晶是沿着温度场等温曲线的法向生长的。随着重熔凝固过程的进行，底水箱的冷却能力逐渐减小，温度场轴向梯度逐渐减小（图2b），内外壁冷却能力主导了传热的趋势，钢锭壁厚中部垂直于底面而与轴向平行的柱状晶减少，内外壁两侧向壁厚凝固中心倾斜的柱状晶越来越多（图3b）。当温度场在300～1 415℃的范围内（图2c）时；底部柱状晶区消失，壁厚组织完全由内外壁冷却导致的柱状晶组成（图3c），同时柱状晶组织与钢锭轴向的夹角达到最大54。随着重熔凝固的进一步进行，轴向温度梯度逐渐减小，但是温度范围基本稳定在300～1 415℃（图2d-g）；壁厚凝固组织沿轴向逐层向上稳定生长（图3d-g）。在此期间，由于下部已经凝固钢锭发生收缩，钢锭凝固部分与水冷结晶器之间产生气隙，从而使钢锭外壁逐渐与水冷结晶器分离，进而使传热系数逐渐减小直到趋于平稳（图1a）；而内壁则会由于金属凝固收缩接触更加紧密，传热系数稍有改善（图1a），从而使温度场等温曲线在壁厚上的对称中心从底部柱状晶消失以后（图3c）开始，逐渐向内壁测移动，最终使内外壁柱状晶的接合处位于靠近内壁的壁厚1/3处。另外，图3e中凝固组织在内外壁基本完成，对应的熔池最深，因此图3a-e柱状晶内外壁冷却促进了柱状晶轴向的生成；而图3e以后，柱状晶主要沿径向生长，从而使熔池逐渐变浅。
电渣重熔是集精炼、凝固于一体的一种冶炼方法，它不仅可以有效地去除钢中的非金属夹杂物,减少硫的含量；而且可以有效地控制结晶方向,获得趋于轴向的结晶组织[16]。电渣重熔空心钢锭凝固过程的控制主要是对电渣重熔过程中金属熔池形状和深度进行控制，熔池深度是凝固组织的主要控制参数。电渣重熔工艺中,电极熔化速度主要影响金属熔池的深度和形状，从而影响重熔产品的质量[17]。因此，金属熔池的深浅反映了熔速的快慢。从而使金属熔池深度对重熔铸锭凝固组织产生重要的影响，浅的熔池形貌更有利于生成良好的凝固组织。图4 模型一电渣重熔凝固组织与不同条件下的对比
【参考文献】：
期刊论文
[1]电渣重熔宏微观多尺度数值研究进展[J]. 王晓花,康晓雪,马骏. 辽宁石油化工大学学报. 2018(05)
[2]电渣冶金数值模拟技术研究进展[J]. 宋照伟,陈瑞,李宝东,熊云龙. 特种铸造及有色合金. 2016(12)
[3]合金凝固过程中显微组织演化的元胞自动机模拟[J]. 朱鸣芳,汤倩玉,张庆宇,潘诗琰,孙东科. 金属学报. 2016(10)
[4]大型空心钢锭的生产实践[J]. 来庆红,田丰,谢全胜,张腾飞. 热加工工艺. 2016(13)
[5]超大型筒形锻件制造技术的发展现状[J]. 吕奎明,李家驹,张文辉. 大型铸锻件. 2016(01)
[6]电渣重熔空心钢锭技术的开发[J]. 姜周华,刘福斌,余强,陈旭,臧喜民,邓鑫. 钢铁. 2015(10)
[7]T型导电结晶器电渣重熔空心钢锭过程的数值模拟[J]. 陈旭,刘福斌,姜周华,李星. 东北大学学报(自然科学版). 2015(06)
[8]工艺参数对电渣重熔空心钢锭凝固过程影响的数值模拟[J]. 陈旭,刘福斌,李星,景馨,姜周华. 材料与冶金学报. 2015(02)
[9]电渣重熔过程中传热及凝固组织的数值模拟[J]. 张赫,雷洪,耿佃桥,张红伟,赵岩,赫冀成. 工业加热. 2013(06)
[10]导电结晶器电渣重熔空心钢锭电场和温度场的数值模拟[J]. 景馨,姜周华,刘福斌,陈旭,段吉超. 材料与冶金学报. 2013(03)
博士论文
[1]电渣重熔空心钢锭过程的数学模拟和试验研究[D]. 陈旭.东北大学 2016
本文编号：3397324
【文章来源】：铸造技术. 2020,41(12)
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
电渣重熔空心钢锭内外壁传热系数变化规律
图1 电渣重熔空心钢锭内外壁传热系数变化规律温度场的变化规律取决于电渣重熔特殊的冷却条件。如图3所示，空心钢锭电渣重熔过程中重熔和凝固从底水箱开始逐步向上（图3）。重熔凝固开始阶段，由于底水箱的冷却能力大于内外结晶器的冷却能力，温度场沿轴向的梯度大于径向的梯度，温度场约在700～1 415℃的范围内（图2a）；柱状晶从底水箱开始沿着轴向生长，钢锭壁厚中心部分的柱状晶几乎垂直于底面而与轴向平行，靠近内外壁两侧则由于内外水冷结晶器的冷却作用，柱状晶向壁厚中心倾斜（图3a）。也就是说，柱状晶是沿着温度场等温曲线的法向生长的。随着重熔凝固过程的进行，底水箱的冷却能力逐渐减小，温度场轴向梯度逐渐减小（图2b），内外壁冷却能力主导了传热的趋势，钢锭壁厚中部垂直于底面而与轴向平行的柱状晶减少，内外壁两侧向壁厚凝固中心倾斜的柱状晶越来越多（图3b）。当温度场在300～1 415℃的范围内（图2c）时；底部柱状晶区消失，壁厚组织完全由内外壁冷却导致的柱状晶组成（图3c），同时柱状晶组织与钢锭轴向的夹角达到最大54。随着重熔凝固的进一步进行，轴向温度梯度逐渐减小，但是温度范围基本稳定在300～1 415℃（图2d-g）；壁厚凝固组织沿轴向逐层向上稳定生长（图3d-g）。在此期间，由于下部已经凝固钢锭发生收缩，钢锭凝固部分与水冷结晶器之间产生气隙，从而使钢锭外壁逐渐与水冷结晶器分离，进而使传热系数逐渐减小直到趋于平稳（图1a）；而内壁则会由于金属凝固收缩接触更加紧密，传热系数稍有改善（图1a），从而使温度场等温曲线在壁厚上的对称中心从底部柱状晶消失以后（图3c）开始，逐渐向内壁测移动，最终使内外壁柱状晶的接合处位于靠近内壁的壁厚1/3处。另外，图3e中凝固组织在内外壁基本完成，对应的熔池最深，因此图3a-e柱状晶内外壁冷却促进了柱状晶轴向的生成；而图3e以后，柱状晶主要沿径向生长，从而使熔池逐渐变浅。
电渣重熔是集精炼、凝固于一体的一种冶炼方法，它不仅可以有效地去除钢中的非金属夹杂物,减少硫的含量；而且可以有效地控制结晶方向,获得趋于轴向的结晶组织[16]。电渣重熔空心钢锭凝固过程的控制主要是对电渣重熔过程中金属熔池形状和深度进行控制，熔池深度是凝固组织的主要控制参数。电渣重熔工艺中,电极熔化速度主要影响金属熔池的深度和形状，从而影响重熔产品的质量[17]。因此，金属熔池的深浅反映了熔速的快慢。从而使金属熔池深度对重熔铸锭凝固组织产生重要的影响，浅的熔池形貌更有利于生成良好的凝固组织。图4 模型一电渣重熔凝固组织与不同条件下的对比
【参考文献】：
期刊论文
[1]电渣重熔宏微观多尺度数值研究进展[J]. 王晓花,康晓雪,马骏. 辽宁石油化工大学学报. 2018(05)
[2]电渣冶金数值模拟技术研究进展[J]. 宋照伟,陈瑞,李宝东,熊云龙. 特种铸造及有色合金. 2016(12)
[3]合金凝固过程中显微组织演化的元胞自动机模拟[J]. 朱鸣芳,汤倩玉,张庆宇,潘诗琰,孙东科. 金属学报. 2016(10)
[4]大型空心钢锭的生产实践[J]. 来庆红,田丰,谢全胜,张腾飞. 热加工工艺. 2016(13)
[5]超大型筒形锻件制造技术的发展现状[J]. 吕奎明,李家驹,张文辉. 大型铸锻件. 2016(01)
[6]电渣重熔空心钢锭技术的开发[J]. 姜周华,刘福斌,余强,陈旭,臧喜民,邓鑫. 钢铁. 2015(10)
[7]T型导电结晶器电渣重熔空心钢锭过程的数值模拟[J]. 陈旭,刘福斌,姜周华,李星. 东北大学学报(自然科学版). 2015(06)
[8]工艺参数对电渣重熔空心钢锭凝固过程影响的数值模拟[J]. 陈旭,刘福斌,李星,景馨,姜周华. 材料与冶金学报. 2015(02)
[9]电渣重熔过程中传热及凝固组织的数值模拟[J]. 张赫,雷洪,耿佃桥,张红伟,赵岩,赫冀成. 工业加热. 2013(06)
[10]导电结晶器电渣重熔空心钢锭电场和温度场的数值模拟[J]. 景馨,姜周华,刘福斌,陈旭,段吉超. 材料与冶金学报. 2013(03)
博士论文
[1]电渣重熔空心钢锭过程的数学模拟和试验研究[D]. 陈旭.东北大学 2016
本文编号：3397324
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