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压力对高氮奥氏体不锈钢铸锭凝固缺陷的影响研究

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摘要

第1章绪论

1.1课题的研究背景

1.2课题研究的目的和意义

1.3课题的主要研究内容

第2章文献综述

2.1压力在凝固过程中的作用

2.1.1压力对材料物性参数的影响

2.1.2压力对钢液氮溶解度的影响

2.1.3压力对铸模-铸锭传热系数的影响

2.1.4压力对凝固组织的影响

2.1.5压力对凝固偏析的影响

2.2高氮钢凝固组织及缺陷的研究现状

2.3加压技术在高氮钢生产中的应用前景

2.4文献评述

第3章压力对凝固过程参数的影响研究

3.1压力对平衡相图的影响

3.2压力对平衡分配系数的影响

3.3压力对扩散系数的影响

3.3.1理论分析

3.3.2 DICTRA计算扩散系数

3.4压力对摩尔体积和密度的影响

3.5压力对形核的影响

3.6压力对氮溶解度的影响

3.7本章小结

第4章实验钢种的冶炼及测温实验

4.1实验钢种的冶炼

4.1.1冶炼原料

4.1.2冶炼设备

4.1.3配料计算与工艺参数制定

4.1.4冶炼过程

4.1.5冶炼结果

4.2热电偶测温实验

4.2.1测温方法

4.2.2结果与分析

4.3本章小结

第5章压力对铸锭宏观缺陷和组织的影响研究

5.1研究方案

5.1.1宏观缺陷观察

5.1.2二次枝晶间距检测

5.1.3晶粒尺寸检测

5.2铸锭宏观缺陷实验结果

5.3压力对气孔的影响研究

5.3.1氮气孔形成机理

5.3.2热力学计算结果分析

5.4压力对疏松的影响研究

5.4.1疏松的形成机理

5.4.2压力对凝固补缩的影响

5.4.3不同压力下疏松的数值模拟分析

5.5压力对铸锭凝固组织的影响

5.5.1二次枝晶间距检测结果分析

5.5.2晶粒尺寸检测结果分析

5.6本章小结

第6章压力对铸锭偏析的影响研究

6.1研究方案

6.1.1宏观偏析检测

6.1.2枝晶偏析检测

6.2压力对铸锭宏观偏析的影响

6.3压力对铸锭枝晶偏析的影响

6.3.1不同压力下偏析的热力学模拟计算

6.3.2不同冷却速度下偏析的模拟计算

6.3.3实验结果与分析

6.4本章小结

第7章结论

参考文献

致谢

作者简介

攻读硕士学位期间发表论文及专利

论文包含图、表、公式及文献

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摘要

加压技术作为高氮奥氏体不锈钢制备的重要技术之一,具备改善铸锭的凝固组织和缺陷等优势,在高品质高氮奥氏体不锈钢的研发和生产过程中具有广阔的应用前景。目前,加压技术制备高氮奥氏体钢的研究主要集中在冶炼方面,对于加压凝固过程的研究鲜有报道。压力作为重要的参数之一,可以改变凝固过程中的热力学和动力学参数。本文利用Thermo-Calc热力学模块、DICTRA动力学模块和ProCAST软件对19Cr-18Mn-2Mo-0.9N高氮奥氏体不锈钢凝固过程热力学和动力学进行理论分析,并结合铸锭组织和成分检测,研究了压力对铸锭组织缺陷和偏析的影响,为加压技术在高氮奥氏体不锈钢的工业化生产提供理论支撑。本文的主要研究内容及结论如下: (1)Thermo-Calc和DICTRA软件计算结果表明,压力对19Cr-18Mn-2Mo-0.9N钢种平衡相图中各相区域、析出温度、相析出先后顺序和相析出含量均有影响;随着凝固压力的提高,C、Si、Cr和N元素的平衡分配系数增加,Mn和Mo元素的平衡分配系数减小,C、Si、Cr和Mn元素的扩散系数增加,Mo和N元素的扩散系数降低;体系体积降低,体系密度增大;加压有助于减小临界形核半径,提高形核速率,增大氮溶解度,避免“铁素体阱”的出现,进而抑制氮析出。 (2)通过合理匹配氮化合金加入量、冶炼压力和浇铸压力,利用25kg加压感应炉冶炼了不同凝固压力下(0.15MPa、1.0MPa和2.0MPa)的19Cr-18Mn-2Mo-0.9N铸锭,开发了一种分阶段冶炼高氮奥氏体不锈钢的方法,实现了钢中氮含量的控制,并结合热电偶测温实验测量了铸锭和铸模的冷却曲线,阐明了压力强化冷却的机理。 (3)组织检测和模拟结果表明,铸锭气孔和疏松的形成随着凝固压力的提高而减少,当压力高于1.0MPa时,气孔消失。平衡凝固和Scheil凝固模型计算结果表明,凝固过程中氮临界形核压力的最大值介于0.702MPa和1.347MPa之间。ProCAST模拟结果表明,加压可以通过改善铸锭-铸模的换热系数来减小疏松的形成范围。此外,加压有助于减小铸锭二次枝晶间距和晶粒尺寸,细化凝固组织。 (4)结合成分检测、Thermo-Calc和DICTRA模拟计算分析,探讨了偏析随凝固压力的变化规律。实验结果表明,在实验压力下N、Cr和Mn无明显的宏观偏析,Mo存在一定程度的宏观偏析,增加压力对C、Si、Cr和Mn元素的枝晶偏析影响不大,但加重了N和Mo元素的枝晶偏析;模拟计算表明,对于19Cr-18Mn-2Mo-0.9N体系,加压通过强化冷却加重了C、Cr、Mn、Mo和N元素的微观偏析。

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