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高品质铬钼模具钢钢锭的凝固机理及质量控制研究

作者:张超杰年份:2017来源库:博士

摘要:钢锭的缩孔疏松、宏观偏析、夹杂等缺陷一直是影响钢锭质量的瓶颈问题,钢锭凝固过程各种缺陷形成机理的探索也一直是铸造和凝固的前沿研究领域,仍有很多问题尚未得到解决。本文围绕铬钼模具钢钢锭凝固过程的传热特征、缩孔疏松和钢锭头部正偏析的形成与控制、钢锭铸造过程的关键控制技术如铸锭的保护浇注控制技术、充型阶段卷渣控制技术和冒口的保温控制技术等方面展开研究,解决铬钼模具钢钢锭的共性质量问题,提高钢锭成材率。通过对40吨3Cr2NiMo钢锭凝固过程传热的综合分析提出了有效瞬态热阻的概念,表征了钢锭凝固过程的传热特征,确定了钢锭凝固过程不同阶段传热的限制性环节,为控制钢锭凝固提供指导。研究发现在钢锭凝固前期,钢锭模和钢锭/钢锭模界面的传热为传热限制性环节;凝固中期,钢锭模外壁与外界环境之间的传热为传热限制性环节,此时可以通过控制钢锭模外壁的冷却条件来影响凝固进程;凝固后期,热量通过凝固坯壳的传热为传热限制性环节,此时钢锭凝固难以得到控制。并且,传热的限制性环节基本不受浇注温度和钢锭模壁厚度等工艺参数的影响。结合数值模拟的方法探讨了空冷、风冷、雾冷和水冷的不同冷却条件对钢锭冷却速率、凝固时间和致密度的影响。为了快速准确预测钢锭的缩孔疏松,考虑了枝晶臂间距对渗透系数的影响,建立了缩孔疏松判据G_2·L~(-5/3)(G为温度梯度,L为冷却速率),依据此判据对5.5吨钢锭的锭型参数进行了优化,有效地减少了钢锭心部的缩孔疏松缺陷。结合数值模拟的方法研究了 40吨钢锭的铸锭工艺参数对钢锭缩孔疏松的影响,并提出了表征铸锭工艺参数对钢锭孔疏松的影响程度的量化指标,为控制钢锭的缩孔疏松提供明确可靠的依据。基于连续介质模型建立了钢锭凝固过程的宏观偏析数学模型,并结合现场试验研究了冒口保温效果对钢锭头部正偏析的影响机理,结果表明增强冒口保温效果可以较好地减轻钢锭头部的正偏析。进行了 19吨钢锭的现场工艺试验验证,结果表明绝热板导热系数从0.447 W·m~(-1)·K~(-1)减小至0.163 W·m~(-1)·K~(-1),有效地改善了钢锭头部正偏析,成材率提高了 4%。为解决钢锭浇注过程二次氧化的问题,自行设计开发了浇注钢锭用保护装置,并结合数值模拟分析了钢锭浇注过程的卷气机理,结果表明安装于中注管上方的氩气保护装置能够有效避免空气卷入中注管。设计并优化了 19吨钢锭的模底砖,考虑了不同尺寸结构模底砖对充型初期钢液面卷渣的影响规律和钢锭充型初期的钢液流动及温度分布特征,发现下口直径大于90 mm的模底砖能够大幅减小充型初期钢液面发生卷渣的倾向。通过对钢锭的缩孔疏松、宏观偏析、夹杂等质量缺陷形成与控制的研究,为优化铬钼模具钢的铸锭工艺参数和提高钢锭质量及成材率提供了理论依据和实践指导。

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