钢锭热裂纹实验研究及数值模拟

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1、钢锭热裂纹实验研究及数值模拟(申请清华大学工学博士学位论文)培养单位：材料学院学科：材料科学与工程研究生：杨靖安指导教师：柳百成教授二○一七年十月ExperimentalStudyandNumericalSimulationofHotCrackinginSteelIngotsDissertationSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofDoctorofPhilosophyinMaterialsScie

2、nceandEngineeringbyYANGJinganDissertationSupervisor:ProfessorLIUBaichengOctober,2017摘要摘要十三五期间我国能源、石化等领域需要大量高端装备，钢锭是生产关键零部件的初始材料。钢锭中的热裂缺陷一般存在于钢锭芯部，外观不易发现，探伤也难所及，往往是在后续的加工中才被显示，从而严重影响生产。采用实验及数值模拟，研究钢锭凝固过程中热裂形成的机理和判据，并采用一定的手段抑制热裂的形成和发展具有十分重要的理论意义和实用价值。本文通过钢的高温力学性能实

3、验建立了粘弹塑性本构关系，通过钢锭的连续测温和解剖实验确定了气隙模型界面换热系数和凝固组织形核特征参数。同时，开发了热裂预测程序。结合ProCAST热力耦合计算结果，得到脆性温度区间第一主应力和糊状区动态屈服极限。在考虑钢锭凝固元素偏析和晶粒尺寸基础上，提出了钢锭热裂趋势判据（HCP）。这种热裂预测方法和判据在6~12吨P91耐热钢钢锭中的应用效果较好。针对6吨、12吨普通模铸P91钢锭，进行了浇注、解剖和实验研究，提取芯部裂纹样品进行三维CT重构，观察到了热裂连通的膜状结构。红外碳硫光谱分析发现了热裂缺陷附近碳硫元素

4、的偏析，且硫的偏析度高于碳。数值模拟及HCP判据得出的热裂趋势与实际结果相符，提出了吊装冒口方案，在减轻钢锭缩孔缩松程度的同时有效的降低了钢锭整体热裂缺陷。针对10吨细长水冷模铸P91钢锭，进行了浇注、探伤、解剖和实验研究，发现了钢锭中心细长的热裂缺陷带和星状裂纹特征。取样进行扫描电镜分析，观察到了断裂的枝晶搭桥和裸露的枝晶臂，并发现了晶间夹杂和硫元素显微偏析。通过高温共聚焦实验，获得了钢锭中不同冷速下的晶粒尺寸。通过数值模拟及HCP判据评估了热裂趋势，提出了渐进水冷方案，可以大幅度降低细长钢锭中心的热裂倾向。进一步将

5、HCP判据应用于234吨真空12Cr-2Mo-1V钢锭的热裂预测。由于该钢锭材质、吨位及铸造工艺与P91钢锭差别较大，预测精度不如P91钢锭。因此，在HCP判据的基础上增加缩孔缩松的影响，得到SCP判据，成功预测了钢锭中心热裂位置。通过对234吨真空钢锭的浇注工艺进行分析，发现采用较高的浇注速度，适当的模具预热和良好的冒口保温措施能降低钢锭整体的热裂趋势。本文钢锭热裂纹研究为实际生产提供了技术支撑。关键词：钢锭；热裂；数值模拟；判据IAbstractAbstractDuringtheperiodoftheThirtee

6、n-Fivestrategicplanning,alargenumberofhigh-endequipmentsareindemandinChina’senergy,petrochemicalandotherareas.Steelingotistherawmaterialfortheproductionofthesekeycomponents.Thehotcrackingdefectinthesteelingotusuallyliesintheingotcore,whichisnoteasytofindbyappear

7、anceanddifficulttodetect.Itisoftenrevealedinthesubsequentprocessing,seriouslyaffectingtheproduction.Studyingthehotcrackingmechanismandcriterioninsteelingotsolidificationbymeansofexperimentandnumericalsimulationandusingcertainmethodstorestraintheformationanddevel

8、opmentofhotcrackinghavegreattheoreticalsignificanceandpracticalvalue.Inthispaper,theviscous-elastic-plasticconstitutiverelationwasconstructedbyhightemperaturemechanic