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碳和硅对球墨铸铁流动性和凝固组织影响的数值模拟研究

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碳和硅对球墨铸铁流动性和凝固组织影响的数值模拟研究

作者：黄恺吉林大学

学位级别：硕士

球墨铸铁广泛应用于汽车铸件的生产中,现今铸件力学性能普遍达标的情况下,表面质量的高要求对检测并提高球墨铸铁的铸造性能提出了新的挑战。传统的流动性实验因其参数控制难度高导致实验结果的精确度与复现性较差,且传统实验的周期较长... 详细信息

球墨铸铁广泛应用于汽车铸件的生产中,现今铸件力学性能普遍达标的情况下,表面质量的高要求对检测并提高球墨铸铁的铸造性能提出了新的挑战。传统的流动性实验因其参数控制难度高导致实验结果的精确度与复现性较差,且传统实验的周期较长,成本较高。因此,工业生产中亟需采用数值模拟的方法检测并定量评价球墨铸铁的流动性与凝固组织。以往的球墨铸铁充型过程的数值模拟研究多集中在铁液完全充型的条件下,鲜有关于不完全充型的流动性模拟的研究报道。在凝固过程的数值模拟方面,研究多集中在元胞自动机编程领域。这种方式对奥氏体与石墨进行独立建模处理,在枝晶生长形态上可以获得较高的精确度,但是仅限于微观状态下的模拟,难以和宏观流动场进行耦合,进而难以在同一组参数下同时获得流动性与凝固组织的模拟结果。本文针对上述问题,建立了新的球墨铸铁流动性与凝固组织的参数系统。计算了特定组分下不同碳硅浓度的亚共晶球铁的热物性参数,设定并优化了晶粒生长模拟所需的面形核参数与体形核参数。通过Procast软件的重力浇注模块与cafe模块对铁液的宏观流动与微观晶粒生长进行了耦合,模拟分析了不同的碳、硅浓度对亚共晶球墨铸铁流动场与温度场的影响,进而实现了同一组参数条件下的亚共晶球铁流动性与凝固组织的模拟。模拟结果表明:1)球铁算例碳浓度以0.3 wt.%的梯度,由2.8 wt.%增加到3.4 wt.%时,铁液的过热度大幅增加,使铁液的重熔度提高;近直浇道端铁液固相率大幅下降,使静压头作用增强,近直浇道端与流股末端铁液流速大幅提高;石墨化程度提高,共晶晶粒数量大幅增加,流股末端晶粒尺寸大幅减小,使铁液流股末端不易堵塞,算例流动性大幅提高。2)球铁算例硅浓度以0.3 wt.%的梯度,由2.55 wt.%增加到3.15 wt.%时,铁液的过热度增幅较小,近直浇道端铁液固相率小幅下降,近直浇道端与流股末端铁液流速小幅提高。硅含量增加主要使石墨化程度提高,引起共晶晶粒数量小幅增加,流股末端晶粒尺寸小幅减小,算例流动性小幅提高。在加入量相同的条件下,硅对球铁流动性的影响弱于碳,这是由于硅对铁液过热度、共晶晶粒细化程度的影响和促石墨化能力与碳相比相对较弱。根据数值模拟使用的参数系统,进行了流动性验证试验,获得了实验条件下不同碳硅浓度螺旋试样的流动长度数据。根据单球模型,在流股末端石墨相分布的SEM金相照片的基础上,创新地采用构网算法获得了Voronoi共晶晶粒分布图,实现了实验条件下球墨铸铁共晶晶粒的直观呈现。将实验结果与模拟结果进行了对照分析,结果显示,实验结果与模拟结果的吻合度较高。证明本文建立的参数系统可以实现对球墨铸铁流动性与凝固组织的精确定量模拟,工业生产中评价球墨铸铁的流动性与凝固组织的数值模拟方法得到确立。

关键词：球墨铸铁数值模拟流动性凝固组织 cafe

核电蒸汽发生器垂直支承铸造工艺优化及铸件微观组织数值模拟研究

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核电蒸汽发生器垂直支承铸造工艺优化及铸件微观组织数值模拟研究

作者：张争险贵州大学

学位级别：硕士

本课题研究的蒸汽发生器垂直支承铸件是压水堆核电厂关键设备蒸汽发生器支承结构的重要组成部分,直接或间接地影响到了核安全。因此对该铸件的质量提出了较高的要求。该铸件材料选用12MDV6,对应国内的牌号是ZG12MnMo V锰-钼-钒系合金钢... 详细信息

本课题研究的蒸汽发生器垂直支承铸件是压水堆核电厂关键设备蒸汽发生器支承结构的重要组成部分,直接或间接地影响到了核安全。因此对该铸件的质量提出了较高的要求。该铸件材料选用12MDV6,对应国内的牌号是ZG12MnMo V锰-钼-钒系合金钢,属于铸造低碳合金钢。由于铸件的结构梯度和尺寸较大,使得铸件成形较为困难,易产生铸造缺陷,降低了铸件质量,既影响了核电站的安全使用,又给企业带来了较大的经济损失。本课题研究结合工厂实际生产需求,首先详细介绍了铸件的原工艺方案,并运用AnyCasting软件对原工艺方案进行了数值模拟分析,预测了铸件缺陷可能出现的位置及类型,并与工厂试制情况进行对比分析,获得了铸件缺陷的成因。提出了工艺改进方案;利用正交试验方法对改进方案的工艺参数进行优化,并得到了最优的工艺参数组合;对工艺优化方案进行数值模拟分析,并实际生产验证,试制结果表明铸件质量能够满足客户的验收要求;运用cafe法,研究了形核参数和过热度对ZG12MnMoV铸钢微观组织的影响,模拟和试验结果表明,随着形核参数和过热度的增大,晶粒半径有增大趋势;结合工厂实际生产状况,制订了合理的金属熔炼工艺和浇注方法,为提高铸件质量奠定了基础;分析了材料成分对铸件焊补性能的影响、通过试验确定了合理的焊补工艺参数,提高了铸件合格率和工厂的经济效益;针对铸件的超声波检测要求,选择了合理的检测参数,分析了检测波形及其对应的缺陷类型,解决了铸件超声波检测无底波反射的问题。

关键词：工艺优化数值模拟 cafe 铸件焊补超声波检测

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双辊式带钢连铸过程微观组织模拟

双辊式带钢连铸过程微观组织模拟

作者：徐海波太原科技大学

学位级别：硕士

近年来,国内研究人员对双辊薄带连铸技术进行了一定的研究,但目前仍然不能达到规模化生产的要求,跟国外相比仍有较大差距。造成这种状况的原因在于工艺和设备上都比较落后。在工艺上,由于薄带连铸的控制参数范围比较小,生产中不易于对... 详细信息

近年来,国内研究人员对双辊薄带连铸技术进行了一定的研究,但目前仍然不能达到规模化生产的要求,跟国外相比仍有较大差距。造成这种状况的原因在于工艺和设备上都比较落后。在工艺上,由于薄带连铸的控制参数范围比较小,生产中不易于对其进行持续控制,以至于生产出的带钢不能达到优良的质量。带钢的质量取决于浇注方式,铸轧工艺,二冷区的冷却及热处理等因素。本文主要就生产工艺对带钢质量的影响进行研究,选取钢液在铸轧区的凝固过程作为研究方向,在学习双辊薄带连铸工艺的基础上,以AlSi304钢为例,采用有限元软件Procast中的Micro和CAFé模块对影响铸坯微观组织的工艺参数进行了分析。这些工艺参数包括浇注温度T,熔池深度H和铸造速度v等。分析表明:1.在其他工艺参数不变的情况下,适当地降低浇注温度,有助于晶粒的细化。随着浇注温度的降低,铸坯中的柱状晶区不断减小,中间的等轴区不断加大,当降到合适的温度时,能得到均匀的组织。2.在其他工艺参数不变的情况下,熔池深度越大,一次枝晶和二次枝晶尺寸越大,最终形成的晶粒也越粗大。熔池深度的改变对柱状晶的生长和柱状晶区的比例有很大影响。3.在其他工艺参数不变的情况下,铸造速度越大,一次枝晶和二次枝晶得不到充分生长的机会,最终形成的晶粒越细小。4.结合模拟结果和实际生产经验,建议以上三个参数分别选取浇注温度1514℃,熔池深度130mm,铸造速度0.8m/s。5.模拟结果和实验结果进行了对比,结果符合较好,说明了模型的准确性,对实际生产有一定的指导意义。

关键词：双辊连铸薄带坯微观组织 cafe

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电渣重熔钢锭动态温度场及微观组织的研究

电渣重熔钢锭动态温度场及微观组织的研究

作者：陈明秋东北大学

学位级别：硕士

电渣重熔工艺是一种兼有精炼提纯和顺序凝固双重功能的典型纯净化成型技术,是生产优质高强度机械零件毛坯的新方法。钢锭在凝固过程中所形成的微观组织直接决定着其力学性能的优劣和使用寿命的长短,所以对微观组织的准确模拟可以节约试... 详细信息

电渣重熔工艺是一种兼有精炼提纯和顺序凝固双重功能的典型纯净化成型技术,是生产优质高强度机械零件毛坯的新方法。钢锭在凝固过程中所形成的微观组织直接决定着其力学性能的优劣和使用寿命的长短,所以对微观组织的准确模拟可以节约试验成本、完善电渣重熔的工艺。本文采用ProCAST软件对电渣重熔钢锭的动态温度场及凝固组织进行了模拟,首先建立了二维轴对称几何模型,然后划分有限元粗网格求解得到电渣重熔过程的动态温度分布。重熔开始时熔池基本水平,随钢锭逐渐增高,熔池也不断接近抛物面状,其深度与钢锭半径接近。当电渣重熔达到稳态时,熔池形状和大小不再随铸锭高度的增加而变化。为计算钢锭的微观组织,通过插值因子由宏观温度场求得微观温度场。因为凝固过程中的传质以及能量起伏是随机过程,所以本文采用更为接近实际的概率法(元胞自动机法)来研究微观组织的形成过程。本文使用Rappaz等提出的一种基于高斯分布的形核模型和Kurz等提出的KGT生长模型来模拟钢锭凝固过程。在电渣重熔过程中,开始时热量主要由底面传出,因此柱状晶会沿着竖直方向生长,随着钢锭不断增高,钢锭凝固受边界散热条件和内部温度场的影响,金属熔池越来越接近于抛物面形状,热流方向和柱状晶的生长方向也开始倾向轴向,最终形成倒V形的轴对称结构。本文还研究了电极熔速、渣池温度等工艺参数对电渣钢锭温度场的影响及形核参数对凝固组织的影响。为验证模拟结果的准确性,本文以H13电极为原料,经电渣重熔后得到圆柱形钢锭,再经线切割、精磨等工序之后,用王水溶液酸蚀表面15min左右后,得到钢锭的低倍组织,实验表明,其柱状晶的大小和生长方向都与模拟结果吻合较好。

关键词：电渣重熔组织结构 cafe 元胞自动机温度场

S30432耐热不锈钢连铸方坯凝固组织及热裂倾向性数值模拟研究

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S30432耐热不锈钢连铸方坯凝固组织及热裂倾向性数值模拟研究

作者：宋春丽中北大学

学位级别：硕士

S30432耐热不锈钢因其优异的高温力学性能、耐腐蚀性能和低成本成为了超超临界机组中过热器、再热器等管道的首选材料。采用连铸技术进行S30432钢材的生产能够大幅度提高企业的生产效益和市场竞争力。然而,采用立弯式连铸连轧技术生产S3... 详细信息

S30432耐热不锈钢因其优异的高温力学性能、耐腐蚀性能和低成本成为了超超临界机组中过热器、再热器等管道的首选材料。采用连铸技术进行S30432钢材的生产能够大幅度提高企业的生产效益和市场竞争力。然而,采用立弯式连铸连轧技术生产S30432耐热不锈钢铸坯经过热穿孔后得到的荒管,其质量合格率低于50%,对后续产品的生产和使用产生了严重的影响。本文基于山西太钢不锈钢股份有限公司实际生产条件,利用UG和Pro CAST铸软件建立了S30432耐热不锈钢立弯式连铸方坯的凝固传热模型,进行了连铸过程的稳态模拟,研究工艺参数对连铸方坯凝固过程的影响。随着拉坯速度和浇注温度的提高,铸坯中心相同位置下的温度提高,固相率降低,液相穴长度变长,坯壳厚度变小,糊状区的起始和终止位置沿着铸造方向后延,糊状区变长。采用cafe法对铸坯的凝固组织进行模拟计算,得到了铸坯微观组织的生长情况,研究了不同形核过冷度、形核密度、拉坯速度和浇注温度对连铸方坯微观组织的影响规律,并通过实验验证了模型的准确性。结果表明,当形核过冷度增大时,铸坯的平均晶粒半径增大,等轴晶减少;随着形核密度的增加,平均晶粒半径减小,等轴晶比例增大;随着拉坯速度增大,铸坯截面的晶粒数增加,平均晶粒半径减小,晶粒逐渐细化;随着浇注温度的升高,平均晶粒半径增大,等轴晶减少,柱状晶明显增多。利用HCS模块进行连铸方坯热裂敏感性计算,分析了不同工艺参数对S30432钢的热裂纹敏感性的影响。利用RDG判据预测铸坯产生热裂的趋势,不同拉坯速度和浇注温度下,铸坯的热裂纹敏感性HCS值达到10,必将产生裂纹,易产生裂纹区域主要集中在铸坯中心,提高拉坯速度和浇注温度有利用减少铸坯热裂纹敏感性高的区域。

关键词： S30432 奥氏体耐热钢连铸 cafe 热裂敏感性

S31042奥氏体耐热钢连铸方坯微观组织及热裂敏感性模拟研究

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S31042奥氏体耐热钢连铸方坯微观组织及热裂敏感性模拟研究

作者：张靖中北大学

学位级别：硕士

S31042奥氏体耐热钢方坯连铸过程是一个复杂的动态凝固过程,在铸造过程中极易形成铸造问题,如组织偏析、成分偏析、缩孔缩松、断裂、脱方、鼓肚现象等。以S31042奥氏体耐热钢为主要研究对象,着重从宏观物理场、微观组织和热裂敏感性三方... 详细信息

S31042奥氏体耐热钢方坯连铸过程是一个复杂的动态凝固过程,在铸造过程中极易形成铸造问题,如组织偏析、成分偏析、缩孔缩松、断裂、脱方、鼓肚现象等。以S31042奥氏体耐热钢为主要研究对象,着重从宏观物理场、微观组织和热裂敏感性三方面,探讨了浇铸温度和拉坯速度对连铸方坯质量的影响。首先,概述了奥氏体耐热钢的发展历程以及S31042奥氏体耐热钢的研究现状,阐述了热裂形成机理,分析了热裂判据的研究现状。其次,阐述了温度场的有限元基本理论,建立了连续铸钢过程的几何模型,利用Pro CAST大型铸造过程模拟仿真软件划分网格,设置宏观物理场模拟相关的初始条件以及边界条件,实现了S31042奥氏体耐热钢方坯连铸过程稳态模拟。通过对铸坯凝固过程进行宏观物理场模拟,得到了结晶器末端铸坯表层各处温度变化、结晶器末端铸坯厚度以及液穴长度,分析了连铸坯结晶器末端的凝固传热规律。接着,采用Pro CAST软件中的cafe模块模拟了连铸过程的微观组织,在宏观物理场的基础上,进一步计算并设置了cafe模拟相关的模拟条件及形核参数,得到了方坯连铸断面的微观组织晶粒参数,并分析不同拉坯速度和浇铸温度对方坯连铸微观组织的影响规律。最后,介绍了Pro CAST软件HCS模块的基本功能,并简要介绍了所采用的RDG热裂判据,同时根据模拟需求,建立了S31042方坯直连铸的几何模型,设置相关模拟条件,编辑热裂敏感性模拟所需参数为附加文件,从而得出了不同拉坯速度和浇铸温度对方坯连铸热裂敏感性的影响规律。

关键词： S31042奥氏体耐热钢连续铸造 cafe 热裂

连铸工艺参数对大圆坯凝固组织与宏观偏析的影响

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连铸工艺参数对大圆坯凝固组织与宏观偏析的影响

作者：金煜凯辽宁科技大学

学位级别：硕士

近年来大规格连铸坯发展迅速,大断面铸坯生产过程中依然面临诸多难题,相关理论基础研究相对薄弱。本文以Φ800mm42Cr Mo连铸坯为研究对象,建立了组织生长和宏观偏析的物理和数学模型,并采用现场实验结果对模型进行验证,研究不同连铸工... 详细信息

近年来大规格连铸坯发展迅速,大断面铸坯生产过程中依然面临诸多难题,相关理论基础研究相对薄弱。本文以Φ800mm42Cr Mo连铸坯为研究对象,建立了组织生长和宏观偏析的物理和数学模型,并采用现场实验结果对模型进行验证,研究不同连铸工艺参数对凝固组织和宏观偏析的影响。基于ProCAST建立了有限元和元胞自动机结合的cafe模型,使用移动边界法模拟了连铸坯传热凝固过程,分析了不同冷却阶段的凝固与组织生长过程,研究了浇注过热度、结晶器冷却强度、拉速等工艺参数对凝固组织特征的影响。结果表明:低浇注过热度可以大幅提高等轴晶率,细化晶粒;较强的结晶器热流密度会使柱状晶更发达;在保持冷却水量不变的条件下,提高拉速可以提高等轴晶率,一定程度上细化晶粒。同时浇注过热度的改变对凝固组织的分布与尺寸影响最大。基于Fluent建立了耦合流动、传热、溶质输运的多物理场数学模型,模型同时考虑了热溶质对流的作用。研究了浇注过热度、结晶器冷却强度、拉速等工艺参数对碳元素宏观偏析和中心缩松的影响。结果表明:低过热度浇注对1/4半径处的负偏析改善明显,也能很好的减轻中心正偏析;结晶器冷却强度主要影响1/4半径处负偏析的大小和位置,结晶器冷却强度越大,1/4半径处的负偏析越严重,且更深入铸坯内部;拉速对碳元素宏观偏析的影响规律不明显,对碳极差改变较小。诸多连铸工艺参数中,拉速对中心缩松的影响最大,较低的拉速可以改善铸坯的中心缩松,过高的拉速总体上对中心缩松的改善是不利的。

关键词： cafe 宏观偏析过热度拉速结晶器冷却强度

浸入式水口对铝合金凝固过程影响的数值模拟与实验研究

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浸入式水口对铝合金凝固过程影响的数值模拟与实验研究

作者：邵高建中南大学

学位级别：硕士

浸入式水口是金属熔体从中间包流入结晶器的通道。本文将浸入式水口引入到铝合金铸造过程,并通过实验和反求算法确定结晶器的界面换热系数,主要探讨在浸入式水口作用下不同工艺参数对7050铝合金板坯凝固过程温度场、流场、应力场和微观... 详细信息

浸入式水口是金属熔体从中间包流入结晶器的通道。本文将浸入式水口引入到铝合金铸造过程,并通过实验和反求算法确定结晶器的界面换热系数,主要探讨在浸入式水口作用下不同工艺参数对7050铝合金板坯凝固过程温度场、流场、应力场和微观组织的影响,并提出流场优化方案,与常规铸造作对比。同时针对浸入式水口铸造过程中的不足,引入功率超声,探讨不同功率超声对熔体凝固过程应力场、热裂、冷裂倾向性和微观组织的影响,并与实验作对比,为工艺优化和实现对铸坯质量的良好控制提供理论依据和指导。1、建立了7050铝合金材料热物性参数和动力学数据库以及基于MILE算法的半连续铸造三维有限元模型。应用实验和仿真相结合的方法对400x1120mmm扁坯半连续铸造过程进行研究,探讨其温度场、流场、应力场等分布规律,主要研究了浸入式水口工艺参数对铸造凝固过程中温度场、流场的影响规律,提出了浸入式水口作用下流场优化的工艺方案。在此方案的基础上,模拟了浸入式水口作用下铸造与常规铸造相对比的温度场与应力场的变化规律。2、浸入式水口作用下,对400x1120mm扁坯研究不同工艺参数对铸造凝固过程中微观组织的影响,定量阐明浸入式水口作用下主要工艺参数对扁坯凝固组织中组织分布规律、晶粒尺寸、树枝晶晶区比例、晶粒取向度平均偏差的影响规律,提出了浸入式水口作用下可行的工艺方案。针对此方案,模拟浸入式水口作用下铸造与常规铸造相对比下的微观组织的变化规律。3、探讨了浸入式水口作用下不同超声功率作用的坩埚实验,并对不同功率超声作用下的冷却曲线进行测量,通过PROCAST反求模块确定不同功率超声作用下的等效冷却系数,并在此基础上模拟了不同功率超声下的应力场、热裂、冷裂倾向性和微观组织变化规律,并与实验作对比分析。

关键词： 7050铝合金浸入式水口工艺参数 cafe 微观组织超声铸造

多层复合法制备多层复合铸锭的界面相关基础研究

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多层复合法制备多层复合铸锭的界面相关基础研究

作者：杨欣兴东北大学

学位级别：硕士

近些年来,复合材料的应用越来越广泛,为了在保证元素均匀性的基础上解决大型铸锭的尺寸问题,所以尝试将复合工艺运用在大型铸锭的生产上。对于多层复合铸锭来说,界面结合质量直接影响到多层复合铸锭的使用性能以及服役寿命。本文以此为... 详细信息

近些年来,复合材料的应用越来越广泛,为了在保证元素均匀性的基础上解决大型铸锭的尺寸问题,所以尝试将复合工艺运用在大型铸锭的生产上。对于多层复合铸锭来说,界面结合质量直接影响到多层复合铸锭的使用性能以及服役寿命。本文以此为研究背景,对多层复合工艺生产的复合界面进行一系列的研究。本文主要围绕多层复合铸锭的界面展开研究,主要采用ProCAST软件进行界面位置温度场模拟、复合层cafe模型计算以及中频感应炉冶炼多种工艺制度下的复合铸锭并对界面结合机理进行研究,最后对界面位置的组织变化以及力学性能进行探究。主要结论如下:通过ProCAST商业软件进行计算,可知铸模换热系数越小,芯棒温度停留在固相线温度之上越久,浇注温度越高,芯棒表面能达到的最高温度越高。通过对界面位置固相率以及液相时间分布可知:铸模换热系数较大时,芯棒表面固相率始终为1;换热系数较小时,芯棒表面固相率小于1,说明界面微熔。运用cafe耦合模型对复合层凝固组织进行模拟,模拟结果为复合层均为柱状晶区,枝晶生长过程为钢液最先接触芯棒,在芯棒表层凝固形成细晶区,芯棒被持续加热使得细晶区熔化形成柱状晶并向着铸模壁方向生长,而钢液接触铸模内壁形成的细晶区也熔化形成柱状晶并向着芯棒表面生长,直至与芯棒一侧的柱状晶接触。随着浇注过热度的增加,芯棒一侧的粗大柱状晶数量减少,铸模壁一侧细小柱状晶数量增多。采用不同工艺制度进行一次复合实验,实验结果表明:采用石墨铸模、浇注过热度为190 K时,复合铸锭表面没有明显缺陷,腐蚀后可以根据枝晶生长方向性模糊分辨出结合界面。界面位置电子探针线扫描结果显示,随着过热度升高,复合铸锭界面处C、Cr元素过渡逐渐平缓。根据此可推理出,随着过热度的提高,界面结合方式由扩散结合逐步转变为熔合结合。对采用上述实验参数进行的第二层复合实验得到的多层复合铸锭进行力学性能检测,结果表示:宏观硬度上,多层复合铸锭硬度分布均匀,无明显缺陷;微观硬度上,一次界面和二次界面处的微观硬度均在26.5 HRC附近波动,未发生较大的硬度差异;拉伸、冲击实验:试样断裂方式为典型的脆性断裂,界面位置抗拉强度、冲击功与普通铸态试样对比,差别不大。

关键词： ProCAST cafe 复合材料结合界面过热度