第8章大型鑄件的凝固Chapter8Solidification

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大型鍛件的生產(chǎn)能力是衡量一個(gè)國(guó)家重大技術(shù)裝備自給能力的重要標(biāo)志之一,對(duì)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)防力量都有著至關(guān)重要的意義。目前,我國(guó)大鍛件的生產(chǎn)已初具規(guī)模,但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比,仍存在較大差距。某些質(zhì)量要求高的大鍛件目前還只能依靠進(jìn)口,因此盡快提高我國(guó)鍛件的質(zhì)量就成為所有重型企業(yè)急需解決的問題。鍛件的質(zhì)量取決于鑄錠（坯）的質(zhì)量。特大葉輪精密鑄件圖8.1大型鑄件圖片（左）水輪機(jī)組（中）大型機(jī)床床身（右）大型軋輥輥套圖8.2厚板應(yīng)用圖片（左）壓力容器機(jī)組（中）海洋石油平臺(tái)（右）航空母艦在大型鑄鍛件制造領(lǐng)域，中國(guó)一重提出達(dá)到“7654”世界極端制造能力等級(jí)，即一次性提供700噸以上鋼水、最大鋼錠600噸、最大鑄件500噸、最大鍛件400噸。欲實(shí)現(xiàn)這一制造能力的飛躍必先制造出優(yōu)質(zhì)節(jié)能500噸級(jí)超大型鑄錠。若能在已有的工藝基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出一種新型的節(jié)能工藝，制造出優(yōu)質(zhì)的500噸級(jí)超大型鑄錠，其意義重大。本章以鑄錠的凝固及其質(zhì)量控制為例，進(jìn)行大型鑄件凝固的講解。8.1鑄（鋼）錠將煉成的金屬液澆注到砂型（金屬型等）鑄型內(nèi)，凝固后形成的錠子稱為鑄錠。根據(jù)澆注金屬材料的不同分為鋼錠、鋁錠、銅錠等。若澆注的是鋼液，形成的錠子稱為鋼錠。鋼錠經(jīng)軋制或鍛壓成為鋼材后方能使用。鋼錠通常在鑄鐵模中凝固。根據(jù)澆注方法分為上（頂）注鋼錠和下（底）注鋼錠。下注錠的表面質(zhì)量?jī)?yōu)于上注錠。根據(jù)脫氧程度的不同又有沸騰鋼鋼錠、半鎮(zhèn)靜鋼鋼錠和鎮(zhèn)靜鋼鋼錠三種。沸騰鋼是脫氧不完全的鋼，鎮(zhèn)靜鋼是脫氧完全的鋼，半鎮(zhèn)靜鋼的脫氧程度介于前兩者之間，接近于鎮(zhèn)靜鋼。鋼錠模類型下注鋼錠充型過程數(shù)值模擬1.9t鋼錠模

1.9t鋼錠（冒口模）2.8t鋼錠模

鋼錠的應(yīng)用現(xiàn)狀模鑄錠與連鑄坯相比，所占比例逐年減少，目前已減少到5％以內(nèi)，其中合金鋼和不銹鋼將減少到20％，工具鋼和特殊鋼將減少到40％。這是由于連鑄坯可以多爐連澆、收得率高、不需初軋或開坯、能耗低，質(zhì)量?jī)?yōu)于模鑄錠。模鑄鎮(zhèn)靜鋼不可能完全被淘汰，因?yàn)殄懺煊娩?、一些小批量生產(chǎn)的高級(jí)合金鋼及VAR(真空電弧重熔)和ESR(電渣精煉)用的坯料仍需用模鑄鎮(zhèn)靜鋼來生產(chǎn)。脫模后紅熱狀態(tài)的方鋼錠小型鋼錠縱截面宏觀組織照片上部中部底部鋼錠的質(zhì)量鋼錠的質(zhì)量有表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量之分。表面質(zhì)量：結(jié)疤、翻皮、裂紋、表皮的致密度。內(nèi)部質(zhì)量：鋼錠內(nèi)部的縮孔、縮松、裂紋、低倍非金屬夾雜物數(shù)量和宏觀偏析的程度。沸騰鋼的表面質(zhì)量好，但由于錠心偏析大，內(nèi)部質(zhì)量不如鎮(zhèn)靜鋼。8.2鋼錠(steelingot)的凝固模內(nèi)鋼水的凝固速度可用平方根定律表示：

s為凝固層厚度，mm；

t為凝固時(shí)間，min；例題鑄件凝固層厚度為5mm，凝固時(shí)間為0.1min，求該鑄件的凝固系數(shù)。由得K=5/0.11/2=15.81mm/min1/2鋼錠半高處：錠表面(S)錠中間(M)錠中心(C)其中S、M、C三條實(shí)線分別為鋼錠在凝固和模內(nèi)保溫期間三個(gè)點(diǎn)的溫度變化曲線一、鋼錠凝固收縮(1)產(chǎn)生縮孔與疏松(2)產(chǎn)生裂紋二、鋼錠宏觀偏析8.3鋼錠凝固的缺陷一、鋼錠凝固收縮鋼液在冷卻和結(jié)晶過程中所發(fā)生的體積收縮凝固收縮量鋼錠的凝固收縮包括液態(tài)收縮、結(jié)晶收縮和固態(tài)收縮三部分。即為總的冷凝體積收縮率，％；εL、εc、εs分別為液態(tài)、結(jié)晶和固態(tài)的體積收縮率，％。以35鋼為例，由1725℃至室溫的全部體積收縮率為：εv=εL+εc+εs=4％+3％+7.2％=14.2％。鋼的凝固收縮量主要隨含碳量的變化而變化。鋼中含碳量提高，直到0.5％時(shí)結(jié)晶收縮量逐漸增加，繼續(xù)提高時(shí)反而減小。而鋼的固態(tài)收縮則隨含碳量的增加而減小。因此，含碳量在0.2％～0.5％的鋼冷凝的總收縮率最大。鋼液在冷卻和結(jié)晶過程中所伴隨發(fā)生的體積收縮，對(duì)鋼錠的質(zhì)量及物理、化學(xué)均勻性有重要影響：(1)產(chǎn)生縮孔與疏松由于鋼液的冷凝收縮，在澆注補(bǔ)縮不充分的條件下將會(huì)造成鋼錠或鑄件內(nèi)部的縮孔和疏松缺陷，其容積最大可達(dá)澆鋼容積的5％。縮孔產(chǎn)生于最后凝固的地方。為了防止產(chǎn)生縮孔缺陷，主要是控制鋼錠的傳熱，以促使縮孔盡可能集中在鋼錠的最上端，便于切除。最有效的技術(shù)措施有：選擇合理的鋼錠形狀和尺寸；采用絕熱板保溫帽（冒口）；控制合適的注溫、注速和正確的補(bǔ)縮操作等。鋼錠縮孔(shrinkagecavity)充型結(jié)束后鋼錠內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布(2)產(chǎn)生裂紋鋼在冷凝過程中產(chǎn)生的收縮一旦受阻，便產(chǎn)生應(yīng)力。當(dāng)此應(yīng)力超過鋼在當(dāng)時(shí)溫度條件下的強(qiáng)度極限或塑性極限時(shí)，就會(huì)造成裂紋。鋼在紅熱狀態(tài)下產(chǎn)生的裂紋稱熱裂紋，常溫狀態(tài)下產(chǎn)生的裂紋稱冷裂紋。實(shí)踐表明，熱裂傾向主要取決于鋼的收縮特性和高溫塑性。對(duì)鋼錠熱裂傾向起決定作用的是它在某一時(shí)刻的最大收縮速度。在鋼錠開始凝固的前5～10min內(nèi)(鋼錠的相應(yīng)表面溫度為1500～1200℃)是產(chǎn)生表面熱裂紋的最危險(xiǎn)時(shí)期。

熱裂紋二、鋼錠宏觀偏析(macrosegregation)在鋼錠中存在的限于鋼錠尺寸數(shù)量級(jí)的濃度差別，又稱區(qū)域偏析。通常指沿鋼錠縱斷面和橫斷面上化學(xué)成分不均勻分布情況。宏觀偏析與各結(jié)晶帶的形成密切相關(guān)，往往在特定區(qū)域成條帶狀分布?？捎勉@樣分析方法進(jìn)行鑒定，又可借助硫印、酸浸等低倍檢驗(yàn)方法判明。按偏析帶形態(tài)可分為帶狀偏析和通道偏析(如V形、倒V形偏析等)；按偏析的直接成因可分為正常偏析、逆（反常）偏析、比重偏析等。比重偏析（沉積錐）倒V型偏析V型偏析縮孔冒口下緣偏析富集區(qū)30V型偏析和逆V型偏析簡(jiǎn)介常出現(xiàn)在大型鑄錠中，一般呈錐型，偏析帶中含有較高的C以及P和S雜質(zhì)消除鋼錠偏析的方法(1)均勻化退火可以消除微觀偏析(2)攪拌可以減小偏析(3)快速凝固可以減小偏析(4)對(duì)于V型偏析可以通過加入孕育劑和形核劑，在鑄件中先形成一定的枝晶網(wǎng)阻止晶體的下沉或上浮。8.4鋼錠凝固過程數(shù)值模擬鋼凝固傳熱的基本規(guī)律及特點(diǎn):首先是鋼錠和鋼錠模在凝固過程中的溫度場(chǎng)既隨空間變化，又隨時(shí)間變化，即屬于三維不穩(wěn)定態(tài)傳熱；其次，它包括鋼錠模與鋼錠凝固層間的傳導(dǎo)傳熱，鋼液內(nèi)部的傳導(dǎo)及對(duì)流傳熱，流動(dòng)的鋼液與凝固前沿的對(duì)流及傳導(dǎo)傳熱，以及鋼錠與錠模之間氣隙中的輻射、傳導(dǎo)及對(duì)流傳熱等等，屬于綜合傳熱過程。數(shù)值模擬技術(shù)鑄件凝固數(shù)值模擬：就是結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算方法來定量描述鑄件的凝固傳熱過程，從而揭示金屬凝固的真實(shí)行為和規(guī)律，為預(yù)測(cè)鑄造應(yīng)力、微觀及宏觀偏析、鑄件性能等提供必要的依據(jù)和分析計(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)并優(yōu)化鑄造工藝。優(yōu)點(diǎn)：1.可以用模擬的方法完成實(shí)驗(yàn)無(wú)法檢測(cè)的工作；2.對(duì)科學(xué)研究進(jìn)行預(yù)測(cè)或者對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化3.縮短了研究周期，提高了工作效率；4.利于節(jié)能環(huán)保。缺點(diǎn)：其結(jié)果是近似的，需要實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。幾何模型建立冒口

錠體

1.9t模型面網(wǎng)格2.8t模型面網(wǎng)格網(wǎng)格劃分澆鑄過程數(shù)值模擬1.9t鋼錠模外表面溫度場(chǎng)峰值

2.8t鋼錠模外表面溫度場(chǎng)峰值溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果云圖

1.9t鋼錠的凝固時(shí)間

2.8t鋼錠的凝固時(shí)間凝固時(shí)間計(jì)算云圖

1.9t鋼錠的凝固分?jǐn)?shù)

2.8t鋼錠的凝固分?jǐn)?shù)固相率計(jì)算結(jié)果云圖1.9t鋼錠疏松縮孔缺陷預(yù)報(bào)

2.8t鋼錠疏松縮孔缺陷預(yù)報(bào)縮孔縮松預(yù)測(cè)

模擬6.3t鋼錠冒口頭部形狀

實(shí)際生產(chǎn)的鋼錠冒口頭部形狀鑄錠宏觀組織比例的數(shù)值模擬中國(guó)二重機(jī)械集團(tuán)公司鍛造分廠—234t鋼錠解剖分析實(shí)例：鋼水進(jìn)行精煉處理,采用雙包合澆的方式澆注234t真空鋼錠。鋼錠切割從鑄錠中心至表面測(cè)得的晶粒長(zhǎng)寬比在鋼錠局部范圍內(nèi)從中心向外依次為較細(xì)的柱狀晶區(qū),粗大的柱狀晶區(qū),和細(xì)晶區(qū)。本章小結(jié)1.了解鋼錠的應(yīng)用現(xiàn)狀、鋼錠的分類。2.掌握鑄錠的凝固特點(diǎn)，會(huì)用平方根定律估算凝固層厚度隨凝固時(shí)間的變化。3.大型鑄錠的質(zhì)量控制涉及哪些方面？對(duì)于內(nèi)部質(zhì)量包括縮孔、裂紋、偏析、氣孔缺陷等是怎樣形成的，分別應(yīng)該怎樣控制？4.什么是數(shù)值模擬方法？數(shù)值模擬技術(shù)在凝固過程中應(yīng)用有什么意義？