高韧性球墨铸铁冷却壁的组织性能研究及凝固模拟试验

摘要

本文针对铸态高韧性厚断面球墨铸铁高炉冷却壁常出现漏水、烧损、裂纹、断裂、使用寿命短的问题,采用金相显微镜、扫描电子显微镜和拉伸试验机等实验仪器设备,通过铸态高韧性厚断面球墨铸铁高炉冷却壁显微组织的观察,抗拉强度和伸长率等性能的测试,研究了含Si量、孕育工艺、壁厚和冷却速度等对铸态高韧性厚断面球墨铸铁高炉冷却壁组织及性能的影响,并研究了其对石墨变异的影响；同时对球墨铸铁高炉冷却壁进行CAE凝固模拟,研究了凝固时间、凝固过程对石墨变异的影响。
　　 采用包底孕育、出铁槽孕育和随流孕育的方式进行孕育处理,改变孕育剂量发现,加入包底孕育0.9％,出铁槽孕育0.5％,随流孕育0.1％的孕育处理方案最佳。对冷却壁附铸试样的研究表明,此时球化率达到90％,铁素体量为88～90％,无碳化物出现,伸长率平均值达到24.8％,抗拉强度在400MPa左右。
　　 在高韧性厚断面球墨铸铁高炉冷却壁附铸试样中,当碳含量在3.5％左右,硅含量为2.3～2.9％时,基体组织为铁素体,未出现碳化物和珠光体组织,随着硅含量的增加,石墨恶化,伸长率降低。硅含量为2.3％时,球化级别达到2级,石墨大小达到7级,伸长率达到25.9％,抗拉强度为406MPa。
　　 分析壁厚分别为250mm和300mm的高韧性厚断面球墨铸铁冷却壁模拟试样的组织和性能发现,随着壁厚的增加,球化级别从2级降低为3级,石墨球大小从7级降为6级。同时随着壁厚的增加,伸长率出现下降的现象,壁厚为250mm的试样伸长率最高达到26.39％。
　　 选取高韧性球墨铸铁高炉冷却壁模拟试块两层冷却水管之间的试样,随着冷却速度的降低,先出现碎块状或蠕虫状石墨,随后石墨球逐渐圆整,最后再次出现碎块状石墨。球化级别最高为2～3级,最低只有6级,石墨球最好为7级,最差为4级。伸长率和抗拉强度也随着冷却速度的降低呈现先上升后下降的趋势。抗拉强度最高为397MPa,最低为311MPa,伸长率最高达到19％,心部最低为4％。
　　 CAE凝固模拟结果表明:金属液充型平稳,无涡流现象产生,浇注过程中金属液温度损耗在40℃左右,冷却水管周围的金属液温度下降达到70℃左右。随着凝固次序的靠后和凝固时间的延长,石墨球从细小圆整逐渐长大,最后出现开花、碎块状的畸形石墨。在最先凝固的区域铸件球化级别在2～3级,石墨大小达到7级,最后凝固的区域球化级别仅为6级,石墨大小为4级。CAE模拟的液相分布也解释了产生这种石墨畸变的因为,同时液相分布和Niyama缩松判据也说明了在液相凝固的最后分布区铸件容易出现缩松、缩孔倾向。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 概述

1.2 高炉冷却壁的发展现状

1.3 厚断面球墨铸铁的研究现状及常见的问题

1.3.1 厚断面球墨铸铁的研究现状

1.3.2 厚断面球铁的应用

1.3.3 厚断面球铁的常见问题

1.4 计算机技术在铸造中的应用现状与发展趋势

1.5 本文的研究内容及研究目的

1.5.1 课题的提出及研究意义

1.5.2 研究的目标

1.5.3 研究内容

1.5.4 创新点

1.5.4 技术路线

第二章 铸态高韧性球墨铸铁高炉冷却壁的试验研究

2.1 实验过程及实验方法

2.1.1 化学成分设计

2.1.2 砂型准备及原料

2.1.3 熔炼及炉前处理工艺

2.1.4 显微组织分析

2.1.5 性能测试

2.2 高韧性球墨铸铁冷却壁附铸试样的实验结果及分析

2.2.1 硅对球墨铸铁高炉冷却壁附铸试样组织及性能的影响

2.2.2 不同孕育工艺对球墨铸铁高炉冷却壁的影响

2.3 高韧性球墨铸铁高炉冷却壁模拟试块的实验分析

2.3.1 冷却速度对球墨铸铁高炉冷却壁组织及性能的影响

2.3.2 壁厚对球墨铸铁高炉冷却壁模拟试样组织及性能的影响

2.4 本章小结

第三章 高韧性球墨铸铁高炉冷却壁凝固模拟的分析内容

3.1 铸造工艺

3.2 建立三维模型

3.3 新建工程并选择材质

3.3.1 新建工程

3.3.2 选择材质

3.4 剖分网格

3.5 充型与传热耦合计算

3.6 基于耦合的凝固计算

第四章 高韧性球墨铸铁高炉冷却壁凝固模拟的计算结果及其分析

4.1 充型速度及色温变化

4.2 铸件色温和凝固次序

4.3 铸件的液相及缩松分布

4.4 本章小结

第五章 结论

参考文献

致谢

个人简历及攻读硕士学位期间发表的学术论文