本文關鍵詞： 黑斑 電渣重熔 低合金高強鋼 凝固 微觀偏析模型 粘度 傳熱　出處：《北京科技大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：黑斑是一種通道型宏觀偏析,是電渣重熔鋼錠中常見的凝固缺陷,在鑄錠中表現(xiàn)為由等軸枝晶組織構成的黑色通道狀軌跡。黑斑通道內富集溶質元素,顯著惡化鑄件的機械性能,而且無法通過任何熱、機械處理消除,造成巨大的經(jīng)濟損失。目前黑斑已經(jīng)成為限制大型和超大型電渣重熔鋼錠生產(chǎn)的關鍵質量問題,國內電渣生產(chǎn)企業(yè)由于缺乏黑斑偏析的相關理論知識,難以采取有效的措施限制黑斑形成。由于不同鑄造工藝的巨大差異,現(xiàn)存的大部分關于黑斑的宏觀偏析理論不適用于解釋電渣重熔工藝中的黑斑偏析現(xiàn)象。電渣重熔鋼錠中黑斑偏析的相關研究還少見報道,電渣重熔過程中影響黑斑形成的主要工藝因素和黑斑的形成、長大機制仍不清楚。本課題結合工業(yè)實驗、熱力學計算、動力學微觀偏析模型、多組元宏觀偏析模型等方式以及電渣重熔渣系的性能分析,對大型電渣重熔低合金高強鋼30CrMnSiNi2A、30CrMnSiA中的黑斑偏析缺陷進行了系統(tǒng)的研究。(Ⅰ)電渣重熔鋼錠中的黑斑研究表明：(1)電渣重熔過程中,高熔速是導致黑斑形成的關鍵因素。對于特定鋼種和錠型存在一個臨界熔速,低于臨界值黑斑不會形成。本章的現(xiàn)場實驗結果表明,電極熔速高于9kg/分鐘時電渣鋼錠易形成黑斑,而電力參數(shù)的波動不是黑斑形成的必要條件。(2)黑斑通道僅存在于電渣重熔鋼錠的1/2半徑區(qū)域,偏析通道表現(xiàn)為相互平行的直線型軌跡,沿徑向的半徑區(qū)域內只存在一條黑斑通道(徑向不存在平行分布的黑斑通道),證明偏析通道的長大是通過相互競爭、合并的方式。(3)微觀組織分析結果表明1/2半徑區(qū)域的枝晶較粗大,而且鋼錠內部枝晶間距隨鋼錠高度的增加而增大。黑斑通道內的枝晶組織為鏈狀的等軸枝晶,正常基體為取向明確且發(fā)達的柱狀枝晶。此外,與正常基體相比,黑斑區(qū)域富集C、Si、Mn、Cr等合金元素,Ni由于密度比Fe大其宏觀偏析不顯著。(4)糊狀區(qū)內沿凝固方向的液相密度梯度驅動的浮力和糊狀區(qū)滲透性的各向異性同時作用于枝晶間的偏析液相,偏析液相因此沿著阻力相對較低的路徑(與豎直方向形成一個夾角)向上流動。(ⅡⅡ)電渣重熔鋼錠中的黑斑形成趨勢研究表明：黑斑成分對應于液相率區(qū)間0.24-0.41的枝品間液相,這與最大雷諾數(shù)出現(xiàn)的液相率區(qū)間是一致的,黑斑形核于糊狀區(qū)下部。低合金鋼凝固過程中,隨液相率降低,殘余液相中低密度合金元素的含量急劇增加,而高密度合金元素Ni的含量增加較少。低密度合金元素在枝晶間液相中富集,導致液相密度差增大和粘度降低。對于直徑720mm的30CrMnSiNi2A鋼錠,可確定臨界雷諾數(shù)為Ra*=-0.12。(Ⅲ)低合金高強鋼的宏觀偏析數(shù)值模擬研究表明：黑斑偏析通道形成于凝固裝置的右上角(遠離冷卻界面),且偏析通道的取向為傾斜向上(背離冷卻界面),這是液相流動選擇低阻力路徑的結果。枝品間液相的高溶質濃度驅動的熱溶質對流是低合金高強鋼鑄件中黑斑形成的關鍵原因,偏析液相通道是由很多小團的高濃度液相在流動過程中不斷相互連通、積累形成的。模型計算的流場分布表明偏析通道內富集溶質液相基本沿通道方向流動,而偏析通道周圍貧溶質區(qū)液相沿接近垂直通道的方向流動。(ⅣV)電渣重熔低合金高強鋼的渣系性能研究表明：(1) CaO/AlO3質量比為1時,實驗渣系的熔化溫度在CaF2含量為50%時較低。對于CaF2含量為50%的渣系,熔化溫度隨CaO/Al2O3質量比增加而降低,在CaO/Al2O3質量比為2時獲得較小值。(2)CaF2含量增加導致渣系熱導增大,而CaO/Al2O3質量比增加導致渣系熱導降低,CaF2含量對渣系熱導的影響遠大于CaO/Al2O3質量比。粘度測定結果表明,實驗渣系的粘度隨CaO/Al2O3質量比增加而顯著降低。(3)綜合考慮熔化溫度測定實驗、傳熱實驗和粘度測定實驗的結果,B2(CaF2含量50%,CaO/Al2O3質量比為1.5)渣系是適于電渣重熔低合金高強鋼的渣系,此渣系具有較低的熔化溫度和轉折溫度,且傳熱性能優(yōu)良。(V)電渣重熔低合金高強鋼的重熔工藝優(yōu)化研究表明：降低熔速是控制黑斑形成最直接有效的措施,對于(D720mmCrMnSi系列鋼種(30CrMnSiA、30CrMnSiNi2A),為了在降低熔速的同時保證鋼錠具有良好的表面質量,應將冶煉全程的電極平均熔速控制在7kg/min～7.5kg/min。盡管降低電極熔速能夠有效限制黑斑形成,但現(xiàn)場原渣系A0的高溫流動性差造成鋼錠B嚴重的表面質量缺陷,直接導致鋼錠報廢。重熔鋼錠C的現(xiàn)場實驗證明采取降低熔速、加強結晶器冷卻、改善渣系的高溫粘性流動性和傳熱性能等措施能夠同時保證電渣鋼錠限制黑斑形成和獲得良好的表面質量。
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【學位授予單位】：北京科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TF142

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本文編號：1511606