核电用大型钢锭电渣重熔工艺模拟及生产应用

1、·· 发展核电工业和超临界 、 超超临界火力发电设备 已经上升到国家战略高度,要优先发展 。 因此,核电 主管道和 12%Cr转子高端优质大型锻件极需国产化 。 这对于形成自主知识产权的第三代压水堆核电技术至 关重要,目前国内山东 、 辽宁 、 江苏等在建和即将兴 建的核电站将应用这一技术 。由于大型锻件需求的大吨位模铸钢锭尺寸和吨位 的增加,其铸态组织随之恶化 。 缩孔 、 疏松 、 偏析 、 夹杂物聚集以及其它一些冶金缺陷也随之增加 。 这给 大锻件的质量造成严重的危害 。 国内外研究表明,采 用电渣重熔工艺制造的钢锭不但消除了疏松 、 缩孔 、 夹渣等缺陷,而且组织致

2、密 、 成分均匀 、 各向同性 。 其综合力学性能得到明显改善和提高 。 因而,采用大 型电渣炉重熔大型电渣钢锭的工艺路线,是理想的冶 金工艺 。 但由于大型钢锭在电渣凝固过程中发生极其 复杂的冶金物理化学变化,重熔大型电渣锭的工艺 、 经验 、 技术掌握较少,往往电渣重熔工艺的优化靠大 量的热实验反复修正,不但实验难度大,实验费用高, 周期又长,而且往往只能捕捉到分散 、 有限的信息 。 因此,为了掌握电渣重熔过程的热平衡规律,指导电渣重熔工装设计和优化电渣凝固工艺,对工艺进行离 线工艺仿真,控制结晶质量,开展数字模拟试验与优 化的研究是十分必要的 。电渣锭的内部质量和表面质量与金属熔池的形

3、状 密切相关,因此,近年来各国专家试图通过数值模拟 计算的方法来预测电渣重熔过程的熔池形状和两相区 的宽度,进而控制电渣重熔钢锭的凝固质量 。J. W. Pridgeon , A. S. Ballantyna 等人曾提出一系列 热传递模型,用于电渣重熔温度场的计算 。 最近这方面 的研究工作是以 M. Choudhary , J. Szekely 为代表的模型1,该模型充分讨论了渣池内的热特征及其对钢锭凝固系统的影响 。 K. O. Yu , C. B. Adasczik 考虑了凝固系统 不断生长的特点 2。 B. E. Paton 建立了二维非稳态的数学 模型,计算重熔开始阶段到稳定阶段,熔

4、池形状的变 化 3。 C. L. Jeanfils 计算了二元合金钢锭的温度分布, 对重熔开始阶段和达到稳定状态后熔速的变化,给出 了计算结果 4。 B. I. Medovar , V. F. Demchenko 建立了 三维重熔钢锭的数学模型,计算了温度场的变化 5。 对 于电渣重熔大吨位钢锭的结晶质量,多组电极重熔等 正是各国专家所要研究的课题 。刘喜海 1,王君卿 1,贾维国 1,高建军 2,赵林 2,唐作滨 2(1. 东北大学材料与冶金学院,辽宁沈阳 110004; 2. 中国第一重型机械集团公司,黑龙江齐齐哈尔 161042摘要:论证了应用于核电主管道和 12%Cr转子钢用百吨级巨型

5、电渣钢锭重熔过程数学模型,形成电渣重熔工艺过程三维数值模拟计算程序 ESR3D 。 模拟了电渣重熔全过程,包括电极熔化,金属熔滴自由下落,金属熔池的形成,金属熔 池和渣池的上升 、 移动,三组电极分别更换,在线安装上结晶器,钢锭在水冷结晶器中凝固等 。 模拟并优化的电渣重 熔工艺应用于生产 80120t 大型电渣钢锭,其质量满足核电和超超临界火电机组技术要求 。关键词:大型钢锭;电渣重熔;数值模拟中图分类号:TF142; TP391.9文献标识码:A 文章编号:1001-4977(2010 12-1315-05LIU Xi-hai 1, WANG Jun-qing 1, JIA Wei-guo

6、 1, GAO Jian-jun 2, ZHAO Lin 2, TANG Zuo-bin 2(1. School of Materials and Metallurgy, Northeastern University, Shenyang 110004, Liaoning, China;2. China First Heavy Industries, Qiqihar 161042, Heilongjiang, China 核电用大型钢锭电渣重熔工艺模拟及生产应用Modeling Electroslag Remelting Process of Large Ingot forNuclear Po

7、wer Station and Its Application( 。 收稿日期 :2010-10-02收到初稿, 2010-11-02收到修订稿 。(024-Abstract :After mathematical model was established, computer program ESR3D was made up,which simulated the whole electroslag remelting process include electrode melted, metallic droplet fell, melt bath forming, melt bath

8、and slag bath rising, 3group of electrodes changed, installation of top crystallizer and ingot solidified. The optimized parameter were used to produce 80-120t large ingot, the quality was satisfied for the specification of nuclear power and super critical generator. Key words :large ingot; electros

9、lag remelting; numerical simulation Dec. 2010Vol.59No.12铸 造FOUNDRY1315··在砂型铸造方面,铸件凝固过程模拟仿真研究已 有很大发展,到 1988年铸件凝固三维温度场模拟计算 成功;到 20世纪 90年代初,铸件充型过程三维速度场 模拟计算也获得成功,开始了钢锭和铸件的微观组织 模拟 。 为了准确预测出晶粒形核 、 生长 、 吞并 、 阻碍 等过程,再现钢锭 、 铸件凝固后微观组织形貌,其数 学模型是建立在确定性方法的基础上,在某一时刻, 液态金属中的形核密度是过冷度的函数 。 晶粒一旦形 核,它将以界面生长

10、速度生长 6-9。 但是,这些 “ 确定 性 ” 模型忽略了晶体 学的影 响 ,英 国 Swencea 大 学 Brown 和 Spittle 以 “ 统 计 学 ” 概 念 为 基 础 , 即 采 用 Monte Carlo 法处理晶粒生长问题,这是一种建立在不 同属性的质点之间存在界面能的方法 。 这些质点的状 态可以随机地发生转变,能再现出二维微观组织,与 金相结果非常接近 。 1992年,加拿大皇后大学 Zhu 和 Smith 提出了一种 Cellular Automata 的新方法,他们引 用了 “ 各向异性增强因子 ” 来处理平行与垂直于热流 方向的柱状晶生长速度 。 再现了柱状晶

11、到等轴晶转变 机制 (CET 。 铸锭的晶粒形貌模拟结果也很接近生产 实验解剖的结果 10-11。 瑞士洛桑技术学院的 Rappaz 与 Gandin 等人以 Cellular Automaton 技术为依据,当研究 柱状晶与相邻晶粒吞并 、 淘汰 、 选择机制时,特别考 虑了 <100>择优取向的影响,定量地模拟高温合金试样 的形核 、 枝晶生长过程,与实验结果很接近 12-13。 近年 来 , 一 种 直 接 模 拟 方 法 即 相 场 方 法 (Phase Field Method研究微观组织模拟,引起了人们的极大关注 。 “ 相场方法 ” 是由引入相场新变量 P (r ,

12、t 而得名 。 相场 理论是以金兹堡 -朗道理论为基础,通过微分方程反应 扩散 、 有序化势及热力学驱动力的综合作用 。 相场方 程的解可以描述金属系统中固液界面的位置 、 状态 、 曲率以及界面的移动 。 它可以用于模拟过冷熔液中枝 晶的生长 、 平面生长及固 -固相变过程 14-19。 但这种方 法与真实尺寸的钢锭微观组织模拟仍有很大距离,仅 是国际研究的前沿 。近年来,国内开展电渣重熔的研究和应用较活跃, 2008年,徐万里等人建立了金属熔池 、 两相区和凝固 锭在内的电渣凝固传热数学模型,模型预测值和试验 值吻合良好 20; 2009年,罗丽萍等人利用 ANSYS 软件 对辊芯表层加热

13、系统的渣池中的电场 、 温度场 、 热流 梯度分布及影响因数进行了模拟研究,表明随着电压 的升高 、 渣池深度的增加和电极与辊芯间距的减小, 渣池中的电场强度和整体温度升高,电极数量越多, 电场和温度场分布越均匀 21; 2010年,饶磊等人基于 元胞自动机和有限元耦合法,模拟了电渣熔铸过程中, 铸锭微观晶粒的生长和演化过程 22;张磊和尧军平, 应用 ANSYS 软件,对电渣熔铸过程中,不同渣池深度 等效应力与渣池深度之间存在二次函数关系,模拟结 果与实际结果吻合 23。本文针对三相双极串联 、 三组六支电极 120t 大型 钢锭的实际生产工况,建立了相关数学模型,开发了 模拟电渣重熔全过程

14、的计算程序,包括电极熔化 、 金 属熔滴自由下落 、 金属熔池的形成 、 金属熔池 、 渣池 的上升 、 移动 、 三组电极分别更换 、 在线按装上结晶 器 、 钢锭在水冷结晶器中凝固等 。 模拟并优化的电渣 重熔工艺应用于生产大型钢锭,用于生产核电主管道 和大型发电设备转子 。该工艺发展了先进制造技术,使电渣重熔生产工 艺由经验走向科学,并为开发自主知识产权的电渣锭 模拟软件奠定基础 。1大型钢锭电渣重熔工艺模拟方法1.1电渣重熔工艺过程电渣重熔大型钢锭过程如图 1所示 。 首先按正常重 熔状态组装好结晶器,卡好电极,用石墨电极熔化出 所需渣量,然后更换金属电极,加大送电功率,过热 渣池,使

15、液渣温度高于电极熔化温度 。 这样,电极开 始熔化,熔滴下落形成金属熔池,在水冷结晶器的冷 却下,液态金属凝固成钢锭 。 整个重熔过程自下而上, 连续不断,直至达到要求的钢锭凝固高度为止 。1.2钢锭和水冷结晶器的实体造型及其剖分进行计算机数值模拟,首先必须建模,然后再剖 分网格,才可以进行各种网格间的运算 。 通过 Solid Work 造型软件对电极 、 水冷结晶器和底水箱进行实体 造型,输出 STL 形体文件,并用自行开发的三维自动 剖分程序进行不同几何步长的三维网格剖分,其结果 参见图 2。、 凝FOUNDRY Dec. 20101316·· 固后的固体金属与水冷结

16、晶器间的热交换 、 渣层与结 晶器间的换热,都采用傅立叶导热微分方程式作为传 热数学模型,其方程如式 (1 。 将微分方程离散,得到 FDM 格式的数值方程 (2 和 D. F. F. 格式数值方程 (3 , 两者均可进行数值计算,后者可采用大的时间步长进 行模拟计算 。C P 坠 T 坠 t=坠 2T 坠 x 2+坠 2T 坠 y 2+坠 2T 坠 z 2"+L (1T i , j n +1=1MT i -1, j , k n +n T i +1, j , k +T i , j -1, k n +T i , j +1, k n+T i , j , k -1n +T i , j ,

17、k +1n+(M -6 n T i , j (2T i , j n +1=1M +62(T i -1, j , k n +n T i +1, j , k +T i , j -1, k n +T i , j +1, k n+T i , j , k -1n +T i , j , k +1n +(M -6 T i , j n -1(3 电渣重熔过程中,金属电极在渣层中由于电阻生 热,加热了金属电极,其表面层逐渐熔化,形成熔滴, 熔滴自由下落,通过熔渣池,在结晶器内形成金属熔 池 。 熔滴形成快慢与输入的电压 、 电流大小 、 渣层吸 热 、 传热,金属熔池吸热 、 传热,金属电极散热,渣 池表面辐射

18、散热,铸件冷凝,及冷却系统强度有关, 即 v 滴 =f (V , I , Q 渣 , Q 熔池 , Q 铸件 , T 水 , Q 水流量 ,因而必需找到 一个准确的数学模型来描述这一过程 。 此外,这一模 型与熔池形成 、 凝固数学模型 、 铸件冷却传热模型联 立,才能把整个电渣重熔过程准确描述 。 根据电渣重 熔过程的物理分析,可采用如下能量法建立熔滴形成 数学模型 。 设输入给渣池的电压为 V ,电流为 I ,时间 为 t ,输入总热量为 Q =IV t ,由渣池散失的热量为 Q 。 Q 的散失方式和大小见图 3和式 (4 。Q =Q 1+Q 2+Q 3+Q 4(4式中:Q 1为经由结晶器

19、导出的热量; Q 2为经由自耗电极表面散失的热量; Q 3为经由渣池上表面辐射出的热 Q 4热 、 熔化 、 过热电极的热量为 Q e 。Q e =Q e1+Q e2+Q e3(5式中:Q e1为预热电极热量; Q e2为熔化电极热量; Q e3为过热金属电极之热量 。 由能量平衡得知:Q e2=Q -(Q 1+Q 2+Q 3+Q 4+Q e1+Q e3(6 金属熔化率为:Q g =Q e2/L(7式中:Q g 为熔化率, kg/s; Q e2为用于熔化电极热量,J/s; L 为金属电极熔化潜热, J/kg。1.4电渣熔铸过程边界条件的测定电渣重熔过程中,金属熔池在结晶器冷却下形成 钢锭,且熔

20、池上移,渣层上升,因而其边界条件复杂, 为动态边界 。 为准确描述需边界测定,同时测定试验 件的工艺参数,包括电流 、 电压 、 冷却水流量 。 选定 的测试件为 5t 电渣锭,结合电渣重熔生产对其边界温 度 、 结晶器冷却水温度进行了测试,用铂铑 30-铂铑 6热电偶测量,进水温度如图 4所示,出水温度比进水温 度高出 810 。1.5模拟计算程序的编制在上述铸件实体造型,数学模型建立,边界条件 测定基础上,吸收了铸造凝固模拟研究成果,结合电 渣重熔过程中剖分网格单元的属性不断变化的特点, 编制了电渣重熔过程模拟计算程序 ESR3D 。2模拟结果与讨论用 ESR3D 对 120t 钢锭进行电

21、渣重熔全过程数值模铸造刘喜海等:核电用大型钢锭电渣重熔工艺模拟及生产应用1317··分析,工艺参数见表 1,模拟结果见图 5、 图 6、 图 7、 图 8。从模拟结果可以得出:ESR3D 程序可以模拟在不 同工艺参数 (电压 、 电流 、 水温 、 流量 下电渣重熔 全过程 。 ESR3D 程序模拟主要包括:(1 可以对大型钢锭的 stl 形体文件自动剖分成计算网格; (2 可以模 拟电极熔化 、 渣池 、 金属熔池和钢锭的生成; (3 可 以模拟渣池 、 金属熔池的上移,电极熔化缩短等; (4 可以模拟任何时刻,任意部位温度场的分布,预 测缩孔 、 缩松缺陷分布 。序号

22、1234表 1主要时间点的工艺参数Table 1Technological parameters at different time图示 图 5图 6图 7图 8熔铸阶段 第一次换电极后 第二次换电极后 安装上结晶器后 第三次换电极后时间步长 /个熔池高度 /mQ g /(kg ·s -1320159176162为了真实地模拟整个电渣重熔过程,模拟程序进 行了多项改进 。(1 因 6支电极供电分成 3组,模拟过程实现了 3组 电极分别熔化,各个电极熔滴自由下落,电极下方是小 熔池形成区域, 6个小熔池再扩散,覆盖形成一层熔池 。(2 电渣重熔过程电极由初始长度 3.60m 不断缩短,

23、 到电极长度 0.50m 时,开始分组换电极,预定 8min 换一组电极 。 程序能够实现换电极时,一组电极更换, 另两组电极继续熔化,每组电极换完后,电极长度恢复 到 3.60m ,并保持电极底部与金属熔池距离在 150mm 。(3 科学地缩短电极长度,根据每时刻实际熔化 体积算出电极缩短长度 L Rod =L Rod -V 1/1.08573,式中的 L Rod 为电极长度 (m , V 1为一个时间步长内熔化的电极体积 (m 3 。(4 渣池向金属熔池传热包括渣池传热 、 金属熔 池传热两部分,因此界面传热应用复合热导率 M S ,增 加了此项内容 。在模拟计算中,如何处理电极熔化量 、

24、 金属熔池 升高和渣池上移,是使模拟运算连续进行的关键 。 可 粗略地算出每熔化 3.66层电极可铺满一层熔池,但实 际情况是输入功率在变,散热情况时刻不同,电极熔 层;因而,只好根据实际熔化量,一个个网格的熔池 增加,一个个网格的渣池上移,编制的模拟程序完好 地解决了这一问题 。 这样计算程序可以从底水箱上金 属熔池形成开始,到整个钢锭在上 、 下结晶器中凝固 为止,实现全过程模拟 。3ESR3D 模拟应用情况用 ESR3D 程序可以对不同电渣重熔工艺参数下的重熔过程进行模拟,分析重熔时间长短 、 电极熔化速 度是否科学,温度梯度分布是否合理,有无缩孔 、 疏 松缺陷产生,进而得出优化工艺,

25、再用此工艺参数指 导实际生产 。 图 9和图 10是采用 ESR3D 模拟优化工艺生 产出 80100t 级的钢锭和锻造加工后获得的大型发电设 备转子锻件毛坯 。由实际应用可见,用 ESR3D 模拟优化的电渣重熔 工艺可以指导生产大型钢锭,满足核电和大型发电设 备转子技术要求,促进了我国形成自主知识产权的第 三代压水堆核电技术的开发 。4结论通过电渣重熔工艺模拟优化及其生产应用可以得FOUNDRY Dec. 20101318··(1 建立了适合于电渣重熔过程的数学模型,包 括电极熔化速率,金属熔池 、 渣池,钢锭凝固传热计算 。 (2 用 ESR3D 计算程序,可对 801

26、20t 钢锭及相 关设备的 stl 形体文件,进行网格自动剖分 。(3 三维数值模拟计算程序 ESR3D 可以对电渣重 熔过程进行全面数值模拟运算,包括电极熔化 、 金属 熔池 、 渣池生成及它们在重熔过程中的移动,钢锭在 结晶器中凝固,显示任何时刻,重熔过程任何部位温 度场的分布 。(4 用 ESR3D 模拟优化的电渣重熔工艺可以指导 生产大型钢锭 。参考文献:1Choudhary M , Szekely J. thermal character of slag pool and its effect on solidification J.Met. Trans. , 1980, 11B :

27、439-452.2Yu K O , Adasczik C B. Solidification character of growing ingot C/ Pro. 7th. Inter. Sym. on ESR and other spec. tech. II.3Paton B E , Medover B I. Electroslag Refining M.IsI , London , 1973:16.4Jeanfics C L , Chen J H. Simulation of temperature field and melting speed of ingot C/Proc. 6th.

28、 Inter. Conf. on Vac. met. , 1979:23-27. 5Mdeovar B I , Demchenko V F , Mathrmatical model of 3D temperature field for ingot C/Proc. of 5th. Inter. Conf. on Vac. Met. and ESR Proc. , 1976:11-15. 6Stefanescu D M. Methodologies for modeling of solidification microstructure and their capabilities J.ISI

29、J International , 1995, 35 (6 :637-659.7Stefanescu D M , Piwonka T S. Promises and realities of casting process models C/World Foundry Congress Philadelphia , USA , 1996:62.8Kurz W , Fisher D J. Fundamentals of solidification M.Aedermann-sdorf , Trans Tech Publications , 1986.9Kurz W , Giovanola R ,

30、 Trivedi R. Theory of microstructural development during rapid solidification J.Acta Metall. Mater. , 1986, 34(5 :823-830.10Zhu Panping , Smith R W. Dynamic simulation of crystal growth by Monte Carlo method- model description and kinetics J.Acta Metall. Mater. , 1992, 40(4 :683-693.11Zhu Panping ,

31、Smith R W. Dynamic simulation of crystal growth by Monte Carlo method- Ingot microstructure J.Acta Metall. Mater. , 1993, 40(12 :3369-3379.12Rappaz M , Gandin Ch A. Probabilistic modeling of microstructure formation in solidification processes J.Acta Metall. Mater. , 1993, 41(2 :345-360.13Gandin Ch A , Rappaz M. A coupled finite element-cellular autometon model for the prediction of dendritic grain structure in solidification process J.Acta Metall. Mater. , 1994, 42(7 :2233-2246. 14Kobayashi Ryo. Modeling and numerical simulations of dendritic cystal growth J.Physica D :Nonline