金属材料凝固原理与技术第8章 大型铸件的凝固

第8章大型铸件的凝固Chapter8Solidification

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大型锻件的生产能力是衡量一个国家重大技术装备自给能力的重要标志之一,对国家的经济建设、国防力量都有着至关重要的意义。目前,我国大锻件的生产已初具规模,但与发达国家相比,仍存在较大差距。某些质量要求高的大锻件目前还只能依靠进口,因此尽快提高我国锻件的质量就成为所有重型企业急需解决的问题。锻件的质量取决于铸锭（坯）的质量。特大叶轮精密铸件图8.1大型铸件图片（左）水轮机组（中）大型机床床身（右）大型轧辊辊套图8.2厚板应用图片（左）压力容器机组（中）海洋石油平台（右）航空母舰在大型铸锻件制造领域，中国一重提出达到“7654”世界极端制造能力等级，即一次性提供700吨以上钢水、最大钢锭600吨、最大铸件500吨、最大锻件400吨。欲实现这一制造能力的飞跃必先制造出优质节能500吨级超大型铸锭。若能在已有的工艺基础上设计出一种新型的节能工艺，制造出优质的500吨级超大型铸锭，其意义重大。本章以铸锭的凝固及其质量控制为例，进行大型铸件凝固的讲解。8.1铸（钢）锭将炼成的金属液浇注到砂型（金属型等）铸型内，凝固后形成的锭子称为铸锭。根据浇注金属材料的不同分为钢锭、铝锭、铜锭等。若浇注的是钢液，形成的锭子称为钢锭。钢锭经轧制或锻压成为钢材后方能使用。钢锭通常在铸铁模中凝固。根据浇注方法分为上（顶）注钢锭和下（底）注钢锭。下注锭的表面质量优于上注锭。根据脱氧程度的不同又有沸腾钢钢锭、半镇静钢钢锭和镇静钢钢锭三种。沸腾钢是脱氧不完全的钢，镇静钢是脱氧完全的钢，半镇静钢的脱氧程度介于前两者之间，接近于镇静钢。钢锭模类型下注钢锭充型过程数值模拟1.9t钢锭模

1.9t钢锭（冒口模）2.8t钢锭模

钢锭的应用现状模铸锭与连铸坯相比，所占比例逐年减少，目前已减少到5％以内，其中合金钢和不锈钢将减少到20％，工具钢和特殊钢将减少到40％。这是由于连铸坯可以多炉连浇、收得率高、不需初轧或开坯、能耗低，质量优于模铸锭。模铸镇静钢不可能完全被淘汰，因为锻造用钢、一些小批量生产的高级合金钢及VAR(真空电弧重熔)和ESR(电渣精炼)用的坯料仍需用模铸镇静钢来生产。脱模后红热状态的方钢锭小型钢锭纵截面宏观组织照片上部中部底部钢锭的质量钢锭的质量有表面质量和内部质量之分。表面质量：结疤、翻皮、裂纹、表皮的致密度。内部质量：钢锭内部的缩孔、缩松、裂纹、低倍非金属夹杂物数量和宏观偏析的程度。沸腾钢的表面质量好，但由于锭心偏析大，内部质量不如镇静钢。8.2钢锭(steelingot)的凝固模内钢水的凝固速度可用平方根定律表示：

s为凝固层厚度，mm；

t为凝固时间，min；例题铸件凝固层厚度为5mm，凝固时间为0.1min，求该铸件的凝固系数。由得K=5/0.11/2=15.81mm/min1/2钢锭半高处：锭表面(S)锭中间(M)锭中心(C)其中S、M、C三条实线分别为钢锭在凝固和模内保温期间三个点的温度变化曲线一、钢锭凝固收缩(1)产生缩孔与疏松(2)产生裂纹二、钢锭宏观偏析8.3钢锭凝固的缺陷一、钢锭凝固收缩钢液在冷却和结晶过程中所发生的体积收缩凝固收缩量钢锭的凝固收缩包括液态收缩、结晶收缩和固态收缩三部分。即为总的冷凝体积收缩率，％；εL、εc、εs分别为液态、结晶和固态的体积收缩率，％。以35钢为例，由1725℃至室温的全部体积收缩率为：εv=εL+εc+εs=4％+3％+7.2％=14.2％。钢的凝固收缩量主要随含碳量的变化而变化。钢中含碳量提高，直到0.5％时结晶收缩量逐渐增加，继续提高时反而减小。而钢的固态收缩则随含碳量的增加而减小。因此，含碳量在0.2％～0.5％的钢冷凝的总收缩率最大。钢液在冷却和结晶过程中所伴随发生的体积收缩，对钢锭的质量及物理、化学均匀性有重要影响：(1)产生缩孔与疏松由于钢液的冷凝收缩，在浇注补缩不充分的条件下将会造成钢锭或铸件内部的缩孔和疏松缺陷，其容积最大可达浇钢容积的5％。缩孔产生于最后凝固的地方。为了防止产生缩孔缺陷，主要是控制钢锭的传热，以促使缩孔尽可能集中在钢锭的最上端，便于切除。最有效的技术措施有：选择合理的钢锭形状和尺寸；采用绝热板保温帽（冒口）；控制合适的注温、注速和正确的补缩操作等。钢锭缩孔(shrinkagecavity)充型结束后钢锭内部的温度场分布(2)产生裂纹钢在冷凝过程中产生的收缩一旦受阻，便产生应力。当此应力超过钢在当时温度条件下的强度极限或塑性极限时，就会造成裂纹。钢在红热状态下产生的裂纹称热裂纹，常温状态下产生的裂纹称冷裂纹。实践表明，热裂倾向主要取决于钢的收缩特性和高温塑性。对钢锭热裂倾向起决定作用的是它在某一时刻的最大收缩速度。在钢锭开始凝固的前5～10min内(钢锭的相应表面温度为1500～1200℃)是产生表面热裂纹的最危险时期。

热裂纹二、钢锭宏观偏析(macrosegregation)在钢锭中存在的限于钢锭尺寸数量级的浓度差别，又称区域偏析。通常指沿钢锭纵断面和横断面上化学成分不均匀分布情况。宏观偏析与各结晶带的形成密切相关，往往在特定区域成条带状分布。可用钻样分析方法进行鉴定，又可借助硫印、酸浸等低倍检验方法判明。按偏析带形态可分为带状偏析和通道偏析(如V形、倒V形偏析等)；按偏析的直接成因可分为正常偏析、逆（反常）偏析、比重偏析等。比重偏析（沉积锥）倒V型偏析V型偏析缩孔冒口下缘偏析富集区30V型偏析和逆V型偏析简介常出现在大型铸锭中，一般呈锥型，偏析带中含有较高的C以及P和S杂质消除钢锭偏析的方法(1)均匀化退火可以消除微观偏析(2)搅拌可以减小偏析(3)快速凝固可以减小偏析(4)对于V型偏析可以通过加入孕育剂和形核剂，在铸件中先形成一定的枝晶网阻止晶体的下沉或上浮。8.4钢锭凝固过程数值模拟钢凝固传热的基本规律及特点:首先是钢锭和钢锭模在凝固过程中的温度场既随空间变化，又随时间变化，即属于三维不稳定态传热；其次，它包括钢锭模与钢锭凝固层间的传导传热，钢液内部的传导及对流传热，流动的钢液与凝固前沿的对流及传导传热，以及钢锭与锭模之间气隙中的辐射、传导及对流传热等等，属于综合传热过程。数值模拟技术铸件凝固数值模拟：就是结合计算机技术和数值计算方法来定量描述铸件的凝固传热过程，从而揭示金属凝固的真实行为和规律，为预测铸造应力、微观及宏观偏析、铸件性能等提供必要的依据和分析计算的基础数据并优化铸造工艺。优点：1.可以用模拟的方法完成实验无法检测的工作；2.对科学研究进行预测或者对工艺参数进行优化3.缩短了研究周期，提高了工作效率；4.利于节能环保。缺点：其结果是近似的，需要实验验证。几何模型建立冒口

锭体

1.9t模型面网格2.8t模型面网格网格划分浇铸过程数值模拟1.9t钢锭模外表面温度场峰值

2.8t钢锭模外表面温度场峰值温度场计算结果云图

1.9t钢锭的凝固时间

2.8t钢锭的凝固时间凝固时间计算云图

1.9t钢锭的凝固分数

2.8t钢锭的凝固分数固相率计算结果云图1.9t钢锭疏松缩孔缺陷预报

2.8t钢锭疏松缩孔缺陷预报缩孔缩松预测

模拟6.3t钢锭冒口头部形状

实际生产的钢锭冒口头部形状铸锭宏观组织比例的数值模拟中国二重机械集团公司锻造分厂—234t钢锭解剖分析实例：钢水进行精炼处理,采用双包合浇的方式浇注234t真空钢锭。钢锭切割从铸锭中心至表面测得的晶粒长宽比在钢锭局部范围内从中心向外依次为较细的柱状晶区,粗大的柱状晶区,和细晶区。本章小结1.了解钢锭的应用现状、钢锭的分类。2.掌握铸锭的凝固特点，会用平方根定律估算凝固层厚度随凝固时间的变化。3.大型铸锭的质量控制涉及哪些方面？对于内部质量包括缩孔、裂纹、偏析、气孔缺陷等是怎样形成的，分别应该怎样控制？4.什么是数值模拟方法？数值模拟技术在凝固过程中应用有什么意义？