电磁搅拌下强制对流对特殊钢枝晶生长及凝固补缩行为的研究

摘要

不锈钢、轴承钢等特殊钢末端凝固时，由于糊状区的流动性较差，富集的溶质元素在凝固末期不能有效扩散，致使中心偏析的出现。另外，凝固前沿生长的枝晶易形成晶间搭桥，导致液态金属补缩通道被堵塞，钢液凝固收缩时得不到及时补充而形成缩孔。这类缺陷难以在后期的加热、轧制过程中消除，对产品的机械性能和耐腐蚀性能产生有害的影响。为了解决铸坯中心质量问题，通常是在凝固末端施加旋转电磁搅拌，通过旋转电磁力使铸坯内部的钢液产生强制对流运动，改善铸坯凝固过程中熔体的流动、传热和传质条件，从而提高铸坯的中心质量。然而，旋转电磁搅拌主要使铸坯内的钢液产生水平方向的旋转运动，难以使上部钢液与下部钢液充分混合，也不能够有效地促进重力方向上的凝固补缩。为此，本文首先对国内某钢厂生产的1Cr13不锈钢及GCr15轴承钢连铸坯进行质量检验与分析，在总结了旋转电磁搅拌下水平强制对流产生的冶金效果及不足之处的基础之上，提出了一种控制铸坯中心质量的立式电磁搅拌技术，并在实验室进行了旋转电磁搅拌与立式电磁搅拌下的浇注实验。重点研究了旋转电磁搅拌与立式电磁搅拌下强制对流对铸坯凝固过程中的枝晶生长、枝晶断裂游离过程、CET转变、裂纹形成及凝固补缩行为，并建立了相应的分析模型，揭示了其形成机理。本文的主要研究内容和取得的成果如下: (1)对国内某钢厂生产的1Cr13不锈钢及GCr15轴承钢连铸坯的质量分析表明:施加末端旋转电磁搅拌时，铸坯中心区域产生的强制对流能够减轻1Cr13铸坯中心的裂纹与缩孔缺陷，以及GCr15铸坯中心的V型偏析与疏松缺陷。但是，1Cr13铸坯中心仍存在疏松及微裂纹，GCr15铸坯中心仍存在疏松及碳化物等难以解决的中心缺陷。 (2)提出了一种改善连铸坯中心质量的立式电磁搅拌技术。常规的末端旋转电磁搅拌主要使钢液产生水平方向上的旋转运动，而该技术利用行波磁场使铸坯中心区域的熔体产生沿铸坯中心线的纵向大环流运动，提高了电磁搅拌沿铸坯长度方向的有效作用区域，强化了铸坯中心区域上部高温熔体区与下部低温熔体区的混合，有利于铸坯中心区域温度和成分的均匀化，同时提高了铸坯中心区域的上部熔体对下部熔体凝固时的补缩能力。 (3)实验室的浇注实验表明:施加旋转电磁搅拌产生的水平强制对流能够促进1Cr13及GCr15铸坯中心柱状晶向等轴晶转变，但在铸坯中心部位仍然存在疏松、裂纹等缺陷。施加旋转电磁搅拌的持续时间太长、搅拌强度太大都不利于1Cr13铸锭质量的提高。施加350A的立式电磁搅拌所产生的纵向强制对流能够明显细化1Cr13和GCr15铸坯的凝固组织，消除了缩孔、裂纹等缺陷，而且GCr15铸坯内部较大的液析碳化物完全消失，晶界处的网状碳化物也基本消失。 (4)揭示了有无电磁搅拌作用下1Cr13及GCr15铸坯枝晶组织的演变规律和枝晶发生断裂游离过程。旋转电磁搅拌下的水平强制对流产生的枝晶碎片较少，枝晶的断裂符合颈缩-折断模型;立式电磁搅拌下的纵向强制对流能产生更多的枝晶碎片，枝晶的断裂符合颈缩-熔断模型。分别建立了旋转电磁搅拌和立式电磁搅拌下的枝晶碎片游离准则。另外，研究了旋转电磁搅拌和立式电磁搅拌对CET转变机理的影响。 (5)分析了1Cr13不锈钢铸坯中心星状裂纹的形成机理及电磁搅拌对中心裂纹的改善机理。铸坯中心处形成的枝晶搭桥，阻碍了上部钢液对下部钢液凝固收缩时的补充，导致中心缩孔的产生。铸坯中心处的晶粒大小不规则及S、Cr等元素在晶界处的富集，减小了晶粒间的结合力，使得凝固后期较大的收缩应力超过晶界间的作用力，从而形成了晶间裂纹。晶间裂纹沿着晶界扩展后与孔洞相连接，从而在铸坯的中心区域形成了典型的星状裂纹。施加电磁搅拌产生的强制对流能够细化铸坯中心区域的晶粒组织，减少枝晶搭桥，并形成更多抵抗凝固收缩应力的连接点，增加了总体液膜作用在晶界间的结合力。电磁搅拌使铸坯中心区域内的溶质分布更加均匀，减轻了元素偏析，提高了液膜的抗撕裂能力。另外，电磁搅拌能促进钢液在枝晶间流动，对产生的裂纹进行补缩，从而减轻了裂纹的产生。 (6)分析了旋转电磁搅拌与立式电磁搅拌对中心缩孔及中心致密度的影响。结果表明:与旋转电磁搅拌相比，施加立式电磁搅能基本消除铸坯内部的中心缩孔，显著提高铸坯中心致密度。施加立式电磁搅拌所产生的纵向环流运动增加了补缩动力，能更好地促进钢液在枝晶间的流动补缩。此外，立式电磁搅拌所产生的纵向大环流将上部分的高温钢液带到下部分的糊状区中，将对枝晶补缩区上端的骨架产生冲击或熔断，从而降低补缩区的起始位置，进一步提高临界补缩深度。另外，建立了旋转电磁搅拌与立式电磁搅拌下铸坯补缩动力的数学表达式。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1铸坯凝固过程中质量控制技术

1．1．1电磁搅拌技术

1．1．2电磁振荡技术

1．1．3轻压下技术

1．2电磁搅拌技术及其发展

1．2．1电磁搅拌技术原理

1．2．2电磁搅拌技术发展

1．2．3电磁搅拌技术类型

1．3铸坯凝固行为的研究现状

1．3．1枝晶生长行为的研究现状

1．3．2 CET转变行为的研究现状

1．3．3凝固补缩行为的研究现状

1．4电磁搅拌技术研究现状

1．4．1旋转搅拌技术研究现状

1．4．2行波搅拌技术研究现状

1．4．3螺旋搅拌技术研究现状

1．5本文研究意义及研究内容

1．5．1课题的提出及研究意义

1．5．2本文主要研究内容

第2章旋转电磁搅拌对连铸坯质量的影响及立式电磁搅拌的提出

2．2．1搅拌位置对1Cr13连铸坯质量的影响

2．2．2搅拌强度对1Cr13连铸坯质量的影响

2．3旋转电磁搅拌下强制对流对GCr15连铸坯质量的影响

2．3．1单向旋转搅拌对GCr15连铸坯质量的影响

2．3．2交替旋转搅拌对GCr15连铸坯质量的影响

2．4立式电磁搅拌技术的提出

2．4．1立式电磁搅拌提出背景

2．4．2立式电磁搅拌结构简介

2．4．3立式电磁搅拌工作原理与研究意义

2．5本章小结

第3章电磁搅拌下强制对流对特殊钢凝固组织的影响

3．1实验材料与实验方法

3．1．1实验材料的选择

3．1．2实验设备及方法

3．1．3铸坯的检验与分析方法

3．2旋转电磁搅拌与立式电磁搅拌下的磁场分布研究

3．2．1磁场测试原理和方法

3．2．2磁场测试结果与分析

3．3旋转电磁搅拌下强制对流对铸坯凝固组织的影响

3．3．1旋转电磁搅拌对1Cr13凝固组织的影响

3．3．2旋转电磁搅拌对GCr15凝固组织的影响

3．4立式电磁搅拌下强制对流对铸坯凝固组织的影响

3．4．1立式电磁搅拌对1Cr13凝固组织的影响

3．4．2立式电磁搅拌对GCr1 5凝固组织的影响

3．5立式电磁搅拌技术与旋转电磁搅拌技术的对比

3．6本章小结

第4章电磁搅拌下强制对流对特殊钢枝晶生长行为的研究

4．1电磁搅拌下强制对流对铸坯枝晶生长的影响

4．1．1电磁搅拌下枝晶生长演化规律

4．1．2电磁搅拌下枝晶迎流生长分析

4．1．3电磁搅拌下枝晶熔断机理分析

4．2电磁搅拌下强制对流对CET转变的影响

4．2．1旋转电磁搅拌下CET的转变

4．2．2立式电磁搅拌下CET的转变

4．3电磁搅拌下等轴晶形成机理的分析

4．3．1电磁搅拌下边部等轴晶的形成机理分析

4．3．2电磁搅拌下中心等轴晶的形成机理分析

4．4本章小结

第5章电磁搅拌下强制对流对铸坯凝固补缩行为的研究

5．1．1旋转电磁搅拌对中心疏松及缩孔的影响

5．1．2立式电磁搅拌对中心疏松及缩孔的影响

5．2电磁搅拌下强制对流对铸坯中心裂纹的影响

5．2．1铸坯中心裂纹的显微组织观察

5．2．2铸坯中心裂纹的产生机理分析

5．2．3电磁搅拌改善中心裂纹的机理分析

5．3电磁搅拌对铸坯凝固补缩的影响及理论分析

5．3．1电磁搅拌对铸坯凝固补缩的影响

5．3．2电磁搅拌下凝固补缩的理论分析

5．4本章小结

第6章结论

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的论文

作者简介