高中压转子铸锭凝固过程数值模拟及服役条件下组织演变研究

摘要

超超临界汽轮机高中压转子作为典型的大型锻件产品，其生产制造流程中大型钢锭的铸锭是最关键环节，大型铸锭质量是决定锻件产品质量的重要基础。而铸锭质量主要与凝固过程控制相关，因此，有必要对铸锭凝固过程进行系统深入研究。另一方面，高中压转子在长期服役过程中，涉及高温和应力作用下微观组织演变等组织稳定性理论问题，需要全面系统地了解高中压转子材料在高温/力作用下微观组织亚结构演变规律。这是超超临界汽轮机高中压转子产品开发和使用中面临的两个核心理论问题，必须深入开展理论研究，为制造工程提供科学支撑。
　　针对上述两个核心问题，以高中压转子用材X12CrMoWVNbN10-1-1为例，开展了系统探究，主要的研究内容与研究结果如下：
　　1.运用ProCast软件对大型铸锭凝固过程中温度场、流场进行模拟计算。并根据改进型Niyama判据对铸锭中心疏松分布进行预测。结果表明，中心疏松缺陷呈细长条带分布。建立了表征中心疏松区域尺度的判据函数N=Hporosity/Hingot，其中Hporosity为疏松带长度，Hingot为铸锭高度，结果表明，锭身高径比从1.0增加至1.5，判据函数N值基本按二次多项式规律增加，其数值由0.274增加至0.509；而锭身锥度由6％增加至12%，N值基本按线性规律递减，其数值由0.378减小到0.309。
　　2.采用CAFE（元胞有限元）法对铸锭宏观组织进行模拟计算，通过低倍组织检验对数值模拟准确性进行验证。并基于此CAFE模型，研究形核密度以及过热度对柱状晶和等轴晶分布、芯部等轴晶晶粒尺寸等几方面的影响规律。
　　3.为缩小冒口尺寸，开发了冒口感应加热专利技术。通过数值模拟定量描述了感应加热过程中温度场及流场分布，研究了电参数（输入功率、频率）及线圈设计（熔体与线圈间距、线圈高度）对感应加热过程的影响。结果表明：冒口感应加热技术可以控制铸锭冒口的凝固过程，影响冒口区域流场分布，并且随着加热功率提高，缩孔形态由窄而深的“V字型”转变为浅而平的“碗状”，缩孔深度大大减少。以200kg中间试验铸锭为例，通过冒口感应加热使得缩孔深度相对减小了40%。
　　4.650℃时效结果表明，时效750h后，开始有Laves相析出。时效10000h后，基体α相和Laves相存在的位向关系为：{011}α∥{0001}Laves、{41—1}α∥{0001}Laves、{1—11—}α∥{0001}Laves、{01—1}α∥{2—110}Laves、{211—}α∥{1—101}Laves。
　　5.650℃/300h蠕变试验结果表明，蠕变应力促进了马氏体板条宽化程度，蠕变应力从0增至170MPa，马氏体板条宽度由330nm增至465nm。M23C6尺寸由97nm增加至130nm，数量密度由2.55个/μm2减少至2.08个/μm2；而MX型析出相尺寸和数量密度相对稳定，分别为80nm和2.8个/μm2，蠕变应力没有对其产生明显影响。初生Laves大多沿50-60°大角度晶界析出，蠕变应力会促进Laves相沿晶界和板条界的形核长大。
　　通过EBSD、TEM、XRD等先进手段针对高中压转子服役过程中热作用下的Laves与基体相位向关系、热-应力综合作用下组织演变理论问题所进行的深入剖析，丰富和拓展了我国超超临界高中压转子材料服役条件下的组织性能稳定性研究理论体系。高中压转子材料铸锭凝固过程的数值模拟计算研究结果深化了凝固过程所涉及的温度场、缩孔及中心疏松缺陷分布、凝固宏观组织分布等理论问题的认识，可对我国高中压转子用大型铸锭生产中钢锭模设计优化提供理论依据与技术指导，具有显著的工程实践意义。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 课题背景及意义

1.2 转子用大型铸锭凝固及质量控制技术

1.3铸锭冒口加热技术研究开发现状

1.4 超超临界火电机组高中压转子材料概述

1.5 本文主要研究内容

第2章 X12Cr大型钢锭凝固数值模拟及缺陷预测

2.1 引言

2.2 数值模拟模型

2.3 温度场有限元模拟计算

2.4 温度场模拟结果分析

2.5 铸锭流场计算及模拟结果

2.6 设计参数对中心疏松区域分布的影响

2.7 本章小结

第3章 X12Cr铸锭低倍组织数值模拟预测

3.1 引言

3.2 组织场CAFE理论模型

3.3 宏观组织数值模拟参数设置

3.4 凝固组织结果分析

3.5 本章小结

第4章 冒口感应加热技术基础研究

4.1 引言

4.2 感应加热原理及特征：

4.3 感应加热过程数学模型

4.4 感应加热有限元模拟计算

4.5 功率对感应加热过程影响

4.6 频率对感应加热过程影响

4.7 线圈与熔体间隙对感应加热过程影响

4.8 线圈高度对感应加热过程影响

4.9 冒口感应加热铸锭解剖试验及数值模拟结果

4.10 本章小结

第5章 X12Cr时效过程中Laves相与基体相位向关系

5.1 引言

5.2 实验方法

5.3 热时效过程中析出相类型

5.4 Laves相与α相的取向关系

5.5本章小结

第6章 X12Cr蠕变过程中微观组织演变

6.1 引言

6.2 试验材料与方法

6.3 蠕变过程中微观组织分析

6.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢