超大型钢锭凝固过程宏观偏析与应力场的模拟计算

摘要

近年来，核电和船舶等重型装备行业的高速发展，对大型锻件的需求量逐渐增多，对其性能要求也不断提高。在实际生产中，大型锻件是经过大型钢锭锻造而成，因此大型锻件的质量与大型钢锭的质量直接相关。宏观偏析、裂纹以及变形等缺陷是大型钢锭中常见的缺陷，严重影响钢锭的使用性能以及使用寿命，而且难以通过后续的锻造等工序去除，因此必须在钢锭的铸造阶段预测并控制这些缺陷，以获得质量合格的大型钢锭，进而得到高性能的优质锻件。
　　本文以中国一重锻造用600吨超大型钢锭为研究对象，利用铸造工艺仿真软件ProCAST对其凝固过程中温度场和应力场进行了模拟计算，并以温度场数据为已知条件，根据超大型钢锭凝固过程中的溶质元素再分配规律以及晶体的沉降理论，利用C++程序语言编制了包含负偏析沉积锥的宏观偏析计算程序，并利用该程序对钢锭凝固过程中形成的宏观偏析和负偏析沉积锥进行了预测计算，最后研究了钢锭模的结构参数对宏观偏析和应力场的影响规律，并对其结构参数进行了优化。主要的研究结果如下所示：
　　①对超大型钢锭凝固过程中的温度场进行了模拟计算，结果表明：600t超大型钢锭在目前的条件下完全凝固的时间为104.14小时，而且钢锭在凝固初期的凝固速度要大于凝固后期的凝固速度。
　　②利用编制的包含负偏析沉积锥的宏观偏析计算程序，对超大型钢锭凝固过程中的宏观偏析以及负偏析沉积锥进行了预测计算，结果表明：在模拟钢锭中出现了明显的宏观偏析且在钢锭底部中心位置出现了负偏析沉积锥，证明该算法可以实现对宏观偏析以及负偏析沉积锥的模拟计算。
　　③对超大型钢锭凝固过程中应力场进行了模拟计算，结果表明：在钢锭凝固初期，钢锭的外壁受拉应力作用而钢锭内部受到压应力作用，随着凝固过程的进行，出现了应力反向，在凝固后期的应力状态为钢锭内部受拉应力作用钢锭外壁受到压应力作用，钢锭中容易出现裂纹的位置在钢锭的外壁位置。
　　④研究了钢锭模的结构设计参数对超大型钢锭宏观偏析和应力场的计算结果的影响，结果表明：随着钢锭模高径比的增大，钢锭的凝固时间逐渐减少，钢锭内碳元素的分布更均匀，钢锭底部的负偏析沉积锥的高度也有所降低，其高度从高径比为0.85时的2300mm减小到了高径比为1.6时的1200mm，钢锭模高径比的值在1.15附近，钢锭内出现裂纹的可能性相对较低；钢锭模的锥度对钢锭凝固过程中温度场、宏观偏析的影响不明显，在钢锭模锥度的值4.1％附近，钢锭内出现裂纹的可能性相对较低；从减少宏观偏析和裂纹缺陷的角度考虑，600t钢锭钢锭模相对合理的高径比的值为1.3，相对合理的钢锭模锥度的值为4.25%。

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中文摘要

英文摘要

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1 绪 论

1.1 引言

1.2 钢锭中的宏观偏析

1.3 钢锭中的应力相关理论

1.4 国内外研究现状

1.5 研究目的及意义

1.6 研究内容

2 超大型钢锭凝固过程温度场的模拟计算

2.1 研究对象以及特点

2.2 模拟软件ProCAST简介

2.3 超大型钢锭凝固过程中温度场数学模型

2.4 温度场的计算结果与分析

2.5 计算结果的导出

2.6 本章小结

3 超大型钢锭中宏观偏析模拟计算

3.1 合金凝固过程

3.2 超大钢锭中宏观偏析预测算法的计算原理

3.3 超大型钢锭宏观偏析预测算法的计算流程图

3.4 钢锭中宏观偏析以及负偏析沉积锥的计算

3.5 本章小结

4 超大型钢锭凝固过程应力场模拟

4.1 热应力模拟的相关理论

4.2 应力场模拟数学模型的建立

4.3 应力场模拟软件设置

4.4 应力场模拟结果讨论与分析

4.5 本章小结

5 锻造用钢锭模的设计改进

5.1 锻造用钢锭模的设计要求

5.2 钢锭模的基础设计参数

5.3 600吨超大型钢锭钢锭模设计实践

5.4 钢锭模设计参数对钢锭质量的影响

5.5 本章小结

6 结 论

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录