鑄鋼凝固過程中宏觀偏析的形成機(jī)理及模擬分析

鑄鋼凝固過程中宏觀偏析的形成機(jī)理及模擬分析

宏觀分析是鑄造鋼渣的主要缺陷之一。在固相過程中，溶解的水質(zhì)再分配是宏觀分析的根本原因。宏觀偏析嚴(yán)重影響鋼錠的組織和性能,且難以通過鍛造、熱處理等后續(xù)工藝消除。特別是大型鋼錠,宏觀偏析導(dǎo)致整體利用率低,造成極大浪費(fèi)。采用數(shù)值模擬方法,建立鑄造過程的質(zhì)量、動量、能量和溶質(zhì)守恒方程,充分考慮流場、溫度場等傳熱傳質(zhì)特點,可定量地預(yù)測鋼錠宏觀偏析缺陷。本文應(yīng)用MAGMASOFT軟件對鋼錠的鑄造過程進(jìn)行了模擬分析,充分考慮了材料參數(shù)和邊界條件的非線性特征,并考慮了凝固過程液態(tài)金屬的自然對流和溶質(zhì)擴(kuò)散,定量地預(yù)測了硫元素宏觀偏析的位置及偏析程度,為進(jìn)一步優(yōu)化鋼錠結(jié)構(gòu)和改進(jìn)鑄造工藝提供了有力依據(jù)。1鑄型底部冷卻冷卻根據(jù)參考文獻(xiàn)的描述,實驗鋼錠為一圓柱體,結(jié)構(gòu)尺寸為φ800mm×1200mm,質(zhì)量約為4.4t,材料為20MnMo低合金鋼。垂直定向凝固技術(shù)可以將縮孔縮松、夾雜和宏觀偏析等缺陷集中到最后凝固的鋼錠上部,有利于保證鋼錠質(zhì)量和提高利用率,因此該鋼錠的鑄造工藝采用垂直定向凝固技術(shù)。為了實現(xiàn)鋼錠自下而上的垂直定向凝固,必須加大鋼錠垂直方向的溫度梯度,并減小水平方向的溫度梯度。因此,鑄型底部采用厚實的鑄鐵底板加強(qiáng)冷卻,鑄型側(cè)壁和頂部采用絕熱板和石棉板保溫,并在澆注結(jié)束后覆蓋發(fā)熱劑和保溫劑。其中,側(cè)壁內(nèi)層是厚度為0.1m的絕熱板,中間層是厚度為10mm的石棉板,外層是14mm厚的鋼板卷制的鋼桶。鋼錠采用頂注法澆注,澆注溫度約為1560℃,澆注結(jié)束后立即覆蓋20kgSZ-83型發(fā)熱劑,然后加蓋碳化稻殼保溫劑,并于5天后脫模。2宏觀偏析模擬方法根據(jù)鋼錠的鑄造工藝方案,首先在CAD軟件UG內(nèi)分別建立鋼錠、鑄型、澆注系統(tǒng)、保溫板、發(fā)熱劑、保溫劑等三維CAD模型,然后將各CAD模型以STL格式導(dǎo)入MAGMASOFT的前處理模塊中,并進(jìn)行網(wǎng)格劃分,MAGMASOFT軟件采用的是結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,整個模型共劃分了大約200萬網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分結(jié)束后,根據(jù)工藝要求,選取并設(shè)置合理的材料、初始條件和邊界條件。影響宏觀偏析模擬精度的材料參數(shù)主要包括:密度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、溶質(zhì)元素滲透率、分配系數(shù)、固相擴(kuò)散率和溶質(zhì)膨脹系數(shù)等。本次模擬所有材料熱物性參數(shù)均從MAGMASOFT軟件數(shù)據(jù)庫選取,該數(shù)據(jù)庫充分考慮了材料熱物性參數(shù)和邊界條件的非線性特征(即各參數(shù)均隨溫度變化),以保證模擬精度。需要指出的是,模擬中20MnMo低合金鋼中的平均含硫量為w(S)=0.020%。本次模擬分析包括充型過程模擬和凝固過程模擬兩部分,充型過程模擬是對鋼水在澆注過程中的流場特征進(jìn)行模擬,以獲得鋼錠和鑄型在不同時刻的溫度場,同時還可獲得鋼水的速度場和壓力場。充型過程模擬主要是為凝固過程模擬提供一個合理的初始溫度場,凝固過程模擬充分考慮了液態(tài)金屬的自然對流和溶質(zhì)擴(kuò)散特性,以準(zhǔn)確地模擬合金元素的宏觀偏析。本文重點介紹凝固過程的模擬結(jié)果。3模擬結(jié)果和討論3.1凝固時間計算模型以鋼錠底面圓心為坐標(biāo)原點,分別記錄了點A(0,0,100),點B(0,0,200),點C(0,0,300),點D(0,0,400),點E(0,0,500),點F(0,0,600),點G(0,0,700),點H(0,0,800),點I(0,0,900),點J(0,0,1000)共10個點的凝固冷卻曲線,如圖1所示。由圖1可以看出,鋼錠下端的冷卻速度較上端快,凝固順序自下而上依次進(jìn)行,實現(xiàn)了預(yù)期的垂直定向凝固。其中,各點從澆注溫度到固相線溫度的凝固時間分別為:tA=0.603h;tB=1.611h;tC=2.899h;tD=5.024h;tE=6.892h;tF=8.968h;tG=12.030h;tH=14.380h;tI=16.338h;tJ=18.033h;而鋼錠完全冷卻到固相線以下溫度的凝固時間為t=20.410h。通過數(shù)值模擬計算鋼錠不同部位的凝固時間,可以檢驗鑄造工藝的可行性,為改進(jìn)和完善鑄造工藝提供定量依據(jù)。同時對于確定合理的開模時間也具有重要指導(dǎo)作用,這對于保證鋼錠質(zhì)量和提高生產(chǎn)率有著現(xiàn)實的意義。3.2宏觀偏析在正偏析的分布合金元素在鋼錠中的偏析程度,主要與各元素的溶質(zhì)分配系數(shù)、固相擴(kuò)散率和冷卻條件等有關(guān)。MAGMASOFT軟件能夠同時模擬分析所有合金元素的宏觀偏析位置和偏析程度。為了與參考文獻(xiàn)的硫印實驗做比較,在此僅介紹硫元素宏觀偏析的模擬結(jié)果。圖2是硫元素正偏析的三維分布正視圖,需要說明的是,所謂三維分布正視圖是指該圖顯示的是鋼錠三維模型的正視圖,圖中顯示的是所有硫元素正偏析在正視圖上的投影,因此偏析結(jié)果具有疊加效應(yīng)。并且該圖只將含硫量大于0.021%的正偏析區(qū)域顯示出來,而小于0.021%的區(qū)域則不顯示。由圖2可看出,鋼錠內(nèi)出現(xiàn)硫元素正偏析的區(qū)域主要位于鋼錠上部,大約在高度為750~1100mm的部位。圖3是硫元素負(fù)偏析的三維分布正視圖,與圖2類似,這里顯示的硫元素負(fù)偏析是鋼錠內(nèi)所有負(fù)偏析在正視圖上的投影。并且該圖只將含硫量小于0.019%的負(fù)偏析區(qū)域顯示出來,而大于0.019%的區(qū)域則不顯示。由圖3可看出,鋼錠內(nèi)出現(xiàn)硫元素負(fù)偏析的區(qū)域主要位于鋼錠的中上部,高度大約在530~750mm的部位。圖4是硫元素宏觀偏析在軸對稱剖面的分布狀態(tài)圖。結(jié)合圖2和圖3,可以發(fā)現(xiàn),圖4中,硫元素的正偏析主要分布在鋼錠上部,負(fù)偏析主要分布在正偏析下部?？傮w看來,宏觀偏析主要位于鋼錠的上半段,而下半段組織致密,基本沒有偏析缺陷。因為采用垂直定向凝固工藝的目的就是為了使宏觀偏析等缺陷盡可能地集中到最后凝固的鋼錠上部,從圖4中宏觀偏析的分布狀態(tài)看,要使宏觀偏析進(jìn)一步上移,必須加大鋼錠底部鑄鐵底板的冷卻能力,如采用循環(huán)水冷卻等手段,以加快鋼錠各部位的凝固速度,縮短凝固時間,抑制凝固過程中液態(tài)金屬的自然對流和溶質(zhì)擴(kuò)散。3.3凝固時間的影響綜合分析圖2~4的硫元素宏觀偏析模擬結(jié)果可知,鋼錠下部(530mm以下)組織致密,基本不存在宏觀偏析,而上部則存在明顯的宏觀通道偏析。其中,負(fù)的通道偏析主要位于高度為530~750mm的部位,而正的通道偏析主要位于高度為750~1100mm的部位。由凝固時間的模擬結(jié)果知,點E(0,0,500)的凝固時間為tE=6.892h,點F(0,0,600)的凝固時間為tF=8.968h,而鋼錠完全凝固時間為t=20.410h,這說明,由于鋼錠底部凝固速度快,液體沿枝晶間的流動阻力大,基本不會產(chǎn)生宏觀偏析。隨著鋼錠底部的鑄鐵底板溫度不斷升高,蓄熱能力下降,使得鋼錠在高度530mm以上部位的冷卻速度逐漸減慢,枝晶粗大,液體沿枝晶間的流動阻力減小,促進(jìn)富集硫、磷、碳等溶質(zhì)元素的液體流動,使得530~750mm范圍內(nèi)產(chǎn)生負(fù)的通道偏析,而750~1100mm部位產(chǎn)生正的通道偏析。由文獻(xiàn)可知,通過對鋼錠實體的解剖分析和硫印分析,鋼錠開始出現(xiàn)通道偏析的高度大約在560mm的位置,由于實驗中的解剖面并非軸對稱平面,而軸對稱平面開始出現(xiàn)通道偏析的位置應(yīng)該略低于此高度。本次模擬分析中,硫元素的宏觀通道偏析開始出現(xiàn)在530mm的部位。綜合以上分析可知,模擬結(jié)果與實驗結(jié)果比較接近。4模擬結(jié)果分析(1)應(yīng)用MAGMASOFT鑄造模擬軟件對鋼錠的鑄造過程進(jìn)行了數(shù)值模擬,定量地預(yù)測了硫元素通道偏析的位置和偏析程度,模擬結(jié)果與實驗結(jié)果比較接近。這說明,采用數(shù)值模擬方法,能夠快速準(zhǔn)確地檢驗鑄造工藝的合理性,從而為縮短工藝設(shè)計周期,降低開發(fā)成本,保證鑄件質(zhì)量提供了有力工具。(2)由實驗結(jié)