GCr15轴承钢大方坯凝固过程微观偏析模型及应用研究

建立了考虑δ/γ相变的GCr15轴承钢大方坯连铸凝固两相区溶质微观偏析模型,并应用于220 mm ×260 mm铸坯的凝固传热。结果表明:通过模型可以获得高碳钢精确的固液相线温度,以及温度与固相率的关系;GCr15轴承钢大方坯凝固过程仅析出γ相,凝固末期S、P和C元素的偏析严重;固相率越大,冷却速率对偏析度的影响更明显;S和P元素含量以及冷却速率对零塑性温度（ZDT）影响较大;采用基于凝固传热模型优化的连铸工艺后,铸坯中心碳偏析指数控制在0.961.05,且铸坯未产生内裂纹。     

小方坯冶金长度与中心偏析的预测模型

采用连铸坯末端电磁搅拌技术能有效的减轻宏观偏析,但由于现场实际工况的多变,凝固末端位置常常发生变化,使得电磁搅拌效果不是很理想.本文建立了连铸坯凝固过程传热数学模型,利用该模型计算出铸坯固相率分布,温度分度以及含碳量分布.由固相率分布可以预测铸坯冶金长度,在不同的操作条件下,通过冶金长度的自动控制来达到末端电磁搅拌的最佳效果.     

方坯轴承钢连铸过程中凝固行为

为了解轴承钢连铸过程中连铸坯的凝固传热过程,采用射钉试验和数值模拟相结合的方法,研究了不同拉速对连铸坯液芯长度及中心固相率的影响,探究了连铸坯坯壳厚度生长规律。通过射钉试验对数值模拟结果的验证表明,该数值模拟采用的凝固传热模型可以较准确地描述铸坯的凝固行为。研究表明,拉速越大,相同位置处连铸坯坯壳厚度越小,液芯长度越长,中心固相率越小,为末端电磁搅拌(F-EMS)安装位置提供了可靠依据。     

GCr15连铸大方坯凝固终点及末端的大压下区间

建立二维非稳态传热模型对380 mm×490 mm大方坯凝固过程进行了模拟计算,并采用射钉试验结果验证了该模型的准确性。计算结果表明,拉速对凝固终点影响最大,过热度和比水量影响较小。拉速每增加0.01 m/min,凝固终点后移约0.5 m;过热度每增加10℃,凝固终点后移约0.3 m;比水量每减少0.02 L/kg,凝固终点后移约0.15 m。在固相率较低时进行大压下,铸坯中心质量并未改善,同时会产生2.0级的中间裂纹。通过调整拉速,在较高固相率时进行大压下,铸坯中心偏析由2.0级改善到0.5级,中心疏松和缩孔降到0.5级,并且消除了内部裂纹。     

凝固要素对钢锭质量的影响

为了阐明铸锭健全性与凝固要素的关系,本文建立了单方向凝固过程凝固收缩负压的数学模型,并解决了模型中各项要素、特别是液体在固-液两相区内穿透率的合理确定方法。以Al-3mass％Si为实验合金,通过测定整体凝固和单方向凝固两种类型实验所得铸锭的密度,并与收缩负压计算结果相比较,得到如下结果:(1)根据补液性随固相率的变化,可将凝固过程分为EFZ、RFZ、IFZ三个凝固区间,其中RFZ的补液性对铸锭健全性影响最为重要;(2)RFZ和IFZ的分界固相率为液体在两相区内的流动限度固相率,其值在冷却速度为0.12K/s时约为0.7;(3)建立了单方向凝固收缩负压数学模型,解决了模型中诸因素的合理确定方法;(4)铸锭密度同凝固速度V和液体能够流动的固-液两相区长度L的乘积有良好的相关性;(5)收缩负压随V·L成比例增加,并在达到一定值后,助长气孔缺陷的生成。     

基于高通量试验原理82B连铸坯组织形貌特征

 凝固组织形貌对铸坯宏观偏析的形成有非常重要的影响,并在一定程度上决定了铸坯后续的加工使用性能。基于高通量试验原理,引入分形维数和无量纲周长对82B帘线钢连铸坯凝固组织形貌特征展开分析。结果表明,对于连铸坯两侧中间区,窄宽度长区域取样方法得到的凝固组织面积率可近似等效为固相率;同时凝固组织整体形貌的分形维数随着固相率的增加而增加,但其无量纲周长呈现相反的趋势,故两者对凝固组织渗透率大小存在相反的影响作用;计算表明,实际铸坯组织的渗透率最小值对应的固相率为0.667。提出了一种基于实际铸坯分析凝固组织形貌特征变化规律的新方法,同时能为连铸末端电磁搅拌与轻压下等偏析控制技术的最佳作用固相率提供参考。     

430不锈钢凝固显微组织模拟的3D CAFE模型

在同时考虑传热、流动和溶质扩散基础上建立了预测铁素体不锈钢多元合金凝固组织的3D CAFE模型,揭示了430不锈钢凝固过程中温度、固相率及晶粒形貌的变化规律.模型中采用高斯分布描述形核密度与过冷度的关系,应用KGT模型描述枝晶的生长过程.根据Fe-C-17% Cr平衡相图确定了430不锈钢的凝固路径,在考虑凝固收缩的基础上预测了铸锭的疏松和缩孔分布.组织模拟结果与实际铸锭基本一致,二者的温度变化和组织结构特征也基本吻合.      

连铸方坯中心线凝固行为波动现象及变化规律

连铸坯中心线区域钢液的凝固行为与中心偏析缺陷的形成及控制密切相关。基于中碳钢连铸方坯纵断面的实际凝固组织,以中心偏析点内部二次枝晶间距计算局部冷却速率,揭示了铸坯中心线局部冷却速率的波动特征。结合连铸三维凝固模型,研究了铸坯中心线固相率波动引起局部冷却速率波动并最终影响铸坯中心组织和性能的均匀性的机理;对不同工况铸坯中心线固相率和局部冷却速率波动的周期性进行了分析对比,提出了连铸坯凝固终点位置的周期性波动机理并得到了不同拉速下凝固终点波动距离的判断方程,对于所选连铸方坯,凝固终点波动距离为25.0～27.5 mm;在此基础之上,研究了拉速对中心线固相率波动程度的影响规律,并分析了凝固终点波动距离变化对末端电磁搅拌(final electromagnetic stirring, F-EMS)和轻压下(mechanical soft reduction, MSR)作用均匀性的影响。结果表明,拉速由1.8 m/min提高至2.4 m/min后,虽然液相穴长度增加可能增加整体偏析程度,但铸坯中心线固相率波动程度降低了20%,这有利于减轻中心线偏析沿拉坯方向的波动性,提高铸坯中心质量的均匀性。并...     

轻压下调整对模具钢宽厚板坯中心质量的优化

 为解决塑料模具钢1.231 1（450 mm×2 180 mm）宽厚板连铸坯出现的中心偏析和疏松等质量问题,首先通过射钉试验对板坯坯壳厚度进行准确测量,结合ProCAST数值模拟软件直观呈现连铸坯凝固传热过程。根据软件导出的数值模拟结果获得与弯月面不同距离处铸坯的中心固相率,为该钢种宽厚板坯轻压下位置的确定提供可靠信息。参照连铸坯的中心固相率分别就连铸机压下区间、压下量以及压下率对铸坯中心质量的影响进行了一系列研究。最终试验结果表明,压下位置由铸坯中心固相率[fs＝0.30～0.70]后移至[fs＝0.50～0.85]所对应区间、压下率由0.8升高至1.4 mm/m,铸坯中心疏松问题消失,中心偏析宽度明显减小。     

液固两相区本构方程的研究

根据液固两相区的微观结构推导了适于分析两组区变形的本构方程。此方程考虑了金属在凝固过程中的各种行为（相变、温度场与应力场的耦合、固相率的变化等）,并首次将固相率的影响引入本构方程。利用此方法对试样的变形过程进行了有限元模拟,结果证明此方程是正确的。