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电渣重熔钢锭动态温度场及微观组织的研究

陈明秋  
【摘要】: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。


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