大型钢锭凝固过程的数值模拟与实验装置研究

摘要

大型锻件质量的好坏与钢锭的质量密切相关。要获得锻造所需的优质钢锭，就必须控制钢锭的凝固过程。钢锭凝固是在铸型内的高温状态下进行的，难以直接观察和控制。虽然在钢锭凝固过程的数值模拟研究方面，目前取得了较大的进展，但仍存在不少问题。主要表现在：计算结果的准确性、边界条件的确定以及数学模型的实验支持和可靠性。在实验室条件下，开展对大型钢锭凝固过程的物理模拟实验研究，不仅能了解凝固过程的主要影响因素和缺陷形成机理，也能为相应的数值模拟提供必要的实验支持，对于控制钢锭的质量具有重要意义，也是获得高质量锻件的重要保证。
　　 本文以大型钢锭的凝固过程为研究对象，通过对大型钢锭凝固过程三维温度场的数值模拟计算，研究了大型钢锭中心纵断面上冷却速度的变化规律；以模拟大型钢锭中心纵断面的冷却速度为初期目标，进行了凝固模拟实验装置的设计与制作。
　　 主要研究结果如下：
　　 1）对大型钢锭凝固过程温度场数值模拟的结果表明：钢锭的凝固趋势是轴向上由钢锭底部向钢锭冒口处推进，径向上从模壁处向钢锭的中心逐步进行。在钢锭的中心纵断面上，钢锭凝固过程的冷却速度在10-3～10-1℃/s数量级之间变化。
　　 2）利用Niyama判据函数对钢锭的缩孔、疏松进行了预测，结果表明：钢锭的缩孔集中在冒口部位，钢锭内有中心疏松出现。
　　 3）以模拟大型钢锭凝固过程中心纵断面的冷却速度为目标，设计并制作出一套凝固模拟实验装置。
　　 4）在研制的凝固模拟实验装置上，分别使用T10钢及Pb-Sn合金来模拟钢锭的凝固过程，对实验结果的计算表明：在现有条件下，该装置可实现钢液在冷却速度10-1℃/S数量级下的凝固模拟；锡铅合金在冷却速度10-2℃/S数量级下的凝固模拟。
　　 5）利用研制的凝固模拟实验装置，研究了凝固条件对偏析的影响。对凝固后的锡铅合金锭的成分检测表明：合金锭偏析通道内富集低熔点溶质Sn；对纵剖面不同位置的成分检测结果表明：合金锭顶部出现正偏析，底部出现负偏析，最大正偏析率为1.57。

目录

文摘

英文文摘

1 绪 论

2 大型钢锭凝固过程温度场的数值模拟

3 凝固模拟实验装置的研制

4 凝固模拟实验装置的调试试验

5 Pb-Sn合金的凝固模拟实验

6 结论与建议

致 谢

参考文献

附 录