2.4钢锭的凝固.ppt

2 3铸件的凝固 2 3 1模铸铸件 锭 的凝固2 3 2连铸坯的凝固 2 3 1模铸铸件 锭 的凝固 将炼成的钢水浇注到铸铁制成的钢锭模内 凝固后形成的锭子称为钢锭 钢锭经轧制或锻压成为钢材后方能使用 所以钢锭是半成品 根据浇注方法的不同有上注钢锭和下注钢锭之分 下注锭的表面质量优于上注锭 根据脱氧程度的不同又有沸腾钢钢锭 半镇静钢钢锭和镇静钢钢锭三种 沸腾钢是脱氧不完全的钢 镇静钢是脱氧完全的钢 半镇静钢的脱氧程度介于前两者之间 接近于镇静钢 钢锭模类型 1 9t钢锭模 2 8t钢锭模 1 9t钢锭冒头 钢锭的应用现状 模铸锭与连铸坯相比 所占比例逐年减少 最终将减少到约占10 其中合金钢和不锈钢将减少到20 工具钢和特殊钢将减少到40 这是由于连铸坯可以多炉连浇 收得率高 不需初轧或开坯 能耗低 质量甚至优于模铸锭 但模铸镇静钢不可能完全被淘汰 因为锻造用钢 一些小批量生产的高级合金钢及VAR 真空电弧重熔 和ESR 电渣精炼 用的坯料仍需用模铸镇静钢来生产 钢锭的质量 钢锭的质量有表面质量和内部质量之分 表面质量以钢锭表面是否有结疤和裂纹及表皮的纯净度和致密度来衡量 内部质量则以钢锭内部的纯净度 致密度 低倍非金属夹杂物数量和宏观偏析的程度来衡量 沸腾钢的表面质量好 但由于锭心偏析大 内部质量不如镇静钢 2 3 1 1钢锭的浇注工艺 浇注方法按钢水进入钢锭模的方位可分为上注和下注 一般根据钢锭大小 钢种特点和车间生产条件等进行选择 表面质量要求严格的不锈钢 硅钢 薄板等钢种采用下注 内部质量要求较高的重轨 炮管等钢种多采用上注 小钢锭只能下注 大钢锭则适于上注 2 3 2钢锭 steelingot 的凝固 模内钢水的凝固速度可用平方根定律表示 根据上式可以求出凝固速度其中 K为凝固系数s为凝固层厚度 mm t为凝固时间 min v为凝固速度 mm min 例题 铸件凝固层厚度为5mm 凝固时间为0 1min 求该铸件的凝固系数及凝固速度 由得K 5 0 11 2 15 81mm min1 2由得V 15 81 2 0 11 2 25mm min 图为10t上大下小镇静钢钢锭凝固期间温度变化曲线 图上曲线表示钢锭半高处的锭表 S 中间 M 和中心 C 点三个位置上的温度随时间的变化曲线 其中S M C三条实线分别为钢锭在凝固和模内保温期间三个点的温度变化曲线 1 S1 M1 C1三条点划线为钢锭凝固到40min 中间点尚未凝固 开始脱模入炉时锭表 中间点及中心点的温度变化曲线 2 S2 M2 C2三条长虚线则为中心点凝固后立即脱模并装炉时三个位置的温度随时间的变化曲线 3 S3 M3 C3 点虚线 为钢锭凝固到60min左右进行脱模时的温度变化曲线 一 钢锭凝固收缩 钢液在冷却和结晶过程中所发生的体积收缩 凝固收缩量钢锭的凝固收缩包括液态收缩 结晶收缩和固态收缩三部分 即 为总的冷凝体积收缩率 L c s分别为液态 结晶和固态的体积收缩率 以35钢为例 由1725 至室温的全部体积收缩率为 v L c s 4 3 7 2 14 2 钢的凝固收缩量主要随含碳量的变化而变化 钢中含碳量提高 直到0 5 时结晶收缩量逐渐增加 继续提高时反而减小 而钢的固态收缩则随含碳量的增加而减小 因此 含碳量在0 2 0 5 的钢冷凝的总收缩率最大 钢液在冷却和结晶过程中所伴随发生的体积收缩 对钢锭的质量及物理 化学均匀性有重要影响 1 产生缩孔与疏松由于钢液的冷凝收缩 在浇注补缩不充分的条件下将会造成钢锭或铸件内部的缩孔和疏松缺陷 其容积最大可达浇钢容积的5 缩孔产生于最后凝固的地方 钢锭缩孔 shrinkagecavity 镇静钢钢锭头部中心部位的漏斗状空腔 它是钢液冷凝收缩的结果 缩孔应控制在钢锭冒口线以上 以便开坯或轧制后切除 有时因浇注工艺不当会使缩孔尖细的底部伸入锭身 在加工成材后的该部位横向低倍试片上 呈现出形状不规则的中心小孔洞 称为缩孔残余 为了防止产生缩孔缺陷 主要是控制钢锭的传热 以促使缩孔尽可能集中在钢锭的最上端 便于切除 最有效的技术措施有 选择合理的钢锭形状和尺寸 采用绝热板保温帽 控制合适的注温 注速和正确的补缩操作等 2 产生裂纹 钢在冷凝过程中产生的收缩一旦受阻 便产生应力 当此应力超过钢在当时温度条件下的强度极限或塑性极限时 就会造成裂纹 钢在红热状态下产生的裂纹称热裂纹 常温状态下产生的裂纹称冷裂纹 实践表明 对钢锭热裂倾向起决定作用的不是钢锭在整个冷凝期间绝对收缩量的大小 而是它在某一时刻的最大收缩速度 在钢锭开始凝固的前5 10min内 钢锭的相应表面温度为1500 1200 是产生表面裂纹的最危险时期 二 钢锭宏观偏析 macrosegregation 在钢锭中存在的限于钢锭尺寸数量级的浓度差别 又称区域偏析 通常指沿钢锭纵断面和横断面上化学成分不均匀分布情况 宏观偏析与各结晶带的形成密切相关 往往在特定区域成条带状分布 它既可用钻样分析方法进行鉴定 又可借助硫印 酸浸等低倍检验方法判明 按偏析带形态可分为带状偏析和通道偏析 如V形 倒V形偏析等 按偏析的直接成因可分为正常偏析 逆 反常 偏析 比重偏析等 6 1 3钢锭凝固温度场数值模拟 钢凝固传热的基本规律及特点首先是钢锭和钢锭模在凝固过程中的温度场既随空间变化 又随时间变化 即属于三维不稳定态传热 其次 它包括钢锭模与钢锭凝固层间的传导传热 钢液内部的传导及对流传热 流动的钢液与凝固前沿的对流及传导传热 以及钢锭与锭模之间气隙中的辐射 传导及对流传热等等 属于综合传热过程 铸件凝固过程基本方程 求解凝固过程温度场要描述温度随空间和时间的变化规律 要求助于导热偏微分方程 导热系数 T 热力学温度 单位体积物体单位时间内释放的热量 c 比热容 密度 t 时间 假设条件 为了求解导热微分方程式 必须对实际钢锭凝固过程作如下的必要简化和假设 1 忽略液相内的流动和垂直方向的传热 2 凝固过程中放出的过热显热和结晶潜热 主要通过凝固层的传导传热传出 3 对于扁锭或板坯忽略宽度方向的传热 简化为一维传热 对于方锭 圆锭或多角锭 可简化为二维传热 4 钢的热物理参数 c等 各向同性 即仅为温度的函数 而与空间位置无关 数值模拟方法 1 有限差分法 FiniteDifferenceMethod 简称FDM 是数值方法中最经典的方法 它是将求解域划分为差分网格 用有限个网格节点代替连续的求解域 然后将偏微分方程 控制方程 的导数用差商代替 推导出含有离散点上有限个未知数的差分方程组 用它求解边界条件复杂 尤其是椭圆型问题不如有限元法或有限体积法方便 2 有限元法 FiniteElementMethod 简称FEM 是将一个连续的求解域任意分成适当形状的许多微小单元 并于各小单元分片构造插值函数 然后根据极值原理 变分或加权余量法 将问题的控制方程转化为所有单元上的有限元方程 把总体的极值作为个单元极值之和 即将局部单元总体合成 形成嵌入了指定边界条件的代数方程组 求解该方程组就得到各节点上待求的函数值 1 9t钢锭Pro E模型2 8t钢锭Pro E模型 1 9t模型面网格2 8t模型面网格 1 9t钢锭模外表面温度场峰值 2 8t钢锭模外表面温度场峰值 1 9t钢锭的凝固时间 2 8t钢锭的凝固