大型合金钢锭内部质量控制.pdf

中阍斜学这碎究眩院博士学位论文大型合金钢锭内部质量控制_：,9摘要大型锻件的制造能力是衡量一个国家工业发展水平与重大装备自给能力的 重要标志之一，直接影响国家重型装备制造业的发展.高质量的大型锻件需要优 质的大型钢锭作为坯料.然而，钢锭的质量越大，钢锭内部的缩孔疏松缺陷、宏 观偏析缺陷以及钢锭的纯净度越难控制，并且钢锭内在严重缺陷难以通过后续处 理消除，常常导致大型锻件直接报废.为了解决以上钢锭缺陷控制难题，本文以 优质大型钢锭制备为目标，研究了钢水纯净化冶炼及浇注、钢锭凝固过程心部缩 孔疏松缺陷、宏观偏析缺陷形成与演化，为大型钢锭内部质量控制提供依据.论 文的主要研究内容和结论包括：1）基于通过钢水纯净化抑制大型钢锭宏观偏析思路，开展了钢水深脱磷、深 脱硫以及真空碳脱氧系列方法研究.主要采用真空碳脱氧替代铝脱氧的方法，显 着减少了氧化物，特别是AI2O3的影响.100吨级30Cr2Ni4Mo V钢锭的试验结果 如下:SW0.002%,P=0.005%,锭身大部分TO%lOp p m,N70p p m,满足了超纯净30Cr2Ni4Mo V大型钢锭成分要求.此钢锭材料的回火脆性敏感系 数J=3.4,优于目前对超纯净30Cr2Ni4Mo V大型钢锭材料的一般要求。=10）2）研究了 12Cr2Mo l大型钢锭底部沉积锥处大型夹杂物问题。研究发现钢锭 顶部包裹浮渣的凝固薄层卷入以及下落，是沉积锥处大型夹杂物形成的主要原因.通过改善钢锭顶部胃口热环境以及控制包中残留钢水高度，可以解决底部沉积锥 处大型夹杂物问题.3）基于高致密大型钢锭制备的研究思路，采用真空浇注方法，以及大型钢锭 热切及大平面冷酸侵蚀技术，对原工业锭型100t级30Cr2Ni4Mo V大型钢锭进行 实物解剖和低倍检验.结果发现原始工艺设计的钢锭心部存在严重的缩孔疏松缺 陷，缺陷高度占整个锭身高度的81%,导致钢锭中心严重缩孔疏松缺陷的主要原 因是胃口补缩不良.据此开发了多梯度稳态热冒口技术，并利用本课题组开发的 有效缩孔疏松判据G/R0J2.5。3皿%模拟计算了 口保温对心部缩孔疏 松的影响.之后又浇注并解剖了两支钢锭，其中，第三支钢锭经超声检测，锭身 传态条件下未发现3mm及以上当量缺陷，最终实现了 100t级高致密钢锭的制刘宏伟博士怆文：大型合金铜集内部质量控制4）基于低偏析大型钢锭制备的思路,系统研究了纯净化对钢锭宏观偏析的影 响，测定了三支100t级30Cr2Ni4Mo V试验钢锭的成分分布。通过纯净化控制,获得了低偏析大型钢锭，钢锭锭身碳成分波动范围为0.02w t%,基本消除了锭 身部位A型、V型、正偏析和负偏析缺陷。5）基于连续介标模型，采用FeC-Si-Mo四元系合金对大钢锭成分偏析进行 了模拟，研究了元素Si、M。以及冒口保温对宏观偏析的影响.发现Si显著增加 正偏析、M。减轻正偏析；当胃口保温不会大幅度增加二次枝晶间距时，冒口保 温有利于析出的潜质进入胃口上部，降低钱身正偏析；当胃口保温使锭身二次枝 晶间距大幅度增加时，锭身溶质析出加剧，锭身上部正偏析增加.6）特别研究了吹量及纯净化对钢锭中A型偏析的影响.结果表明吹就能够 使钢液中形成大量游离的晶核，细化晶粒，抑制溶质富集、流动，从而减轻或消 除A型偏析.研究发现氧化物具有聚集杂质元素的能力，是A偏析形成的源.钢 水纯净化能够使钢水中氧化物含量减少，且尺寸变小，分布更加均匀.由于氧化 物能够作为MnS形成的核心，钢水纯净化有利于减少氧化物核心，抑制硫化物团 候在A偏析区富集并最终减轻直至消除A型偏析.关健词，大型钢锭，纯净化，缩孔疏松，宏观偏析ABSTRACTABSTRACTControl of Internal Quality of Huge alloy Steel IngotHo ng w ei Liu(Ma teria ls Pro cessing Eng ineering)Su p ervised by Pro f Dia nzho ng LiThe ma nu&ctu ring edibility o f la rg e fo rg ing s indica tes the develo p menta l level o f hea vy industry a nd a bility o f self-su p p o rted fo r the hea vy equip ment,w hich directly a ffects the develo p ment o f na tio na l nvyo r equ ip ment ma nu&cturing.Hug e steel ing o t w ith hig h qua lity,a s the ra w ma teria l,ca n a ssure hea vy fo rg ing free fro m defects.Ho w ever,w ith the increa se o f the size o f ing o ts,the co ntro l o n shrink a g e ca vity a nd p o ro sity,ma cro seg reg a tio n a o d clea nliness beco mes mo re a nd mo re difficult,w hich results in rejectio n o f hea vy fo rg ing.In o rder to so lve defects co ntro l p ro blems,this p a p er a ims to ma k e so und hug e ing o t,a nd investig a tio n a bo u t melt p urifying,centra l shrink a g e ca vity a nd p o ro sity,ma cro seg reg a tio n fo rma tio n du ring so lidifica tio n ha ve been do ne,the ma in co ntents a nd resu lts a re listed a s fo llo w s:1)In o rder to ma nufa ctu e la rg e ing o ts w ith hig h p urifica tio n,a nd a vo id ma cro-seg reg a tio n,the metho ds o f deep dep ho sp ho riza tio n,deep desu lfuriza tio n a nd va cuu m ca rbo n deo x ida tio n in mo lten steel a re studied.The va cuum ca rbo n deo x ida tio n technique is a do p ted instea d o f a luminium,w hich dra ma tica lly reduces o x ides,esp ecia lly the effect o f AI2O3.Fo llo w ing ex p erimenta l resu lts a re a chieved in 100130Cr2Ni4Mo V tria l ing o ts:S0.002%,P=0.005%a nd Hlp p m,TO=lOp p m,N70p p m in mo st p a rts o f ing o t bo dy,w hich sa tisfies the co mp o sitio n requirement fo r sup er p ure 30Cr2Ni4Mo V steel.The va lu e o f temp er embrittlement sensitivity co efficient J is 3.4,w hich is sup erio r to the g enera l dema nd o f J=10 fo r siqier p ure 30Cr2Ni4Mo V steel.2)The la rg e inclu sio ns in the bo tto m dep o s it co ne o f 12Cr2Mo l ing o t a re a na lyzed.The sla g is w ra p p ed into tbe so lidified crust a nd dro p s w ith the mo lten cru st to g ether,w hich resu lts in the la rg e inclu sio ns in dep o sit co ne.Imp ro ving the ho t to p feeder enviro nmenta l co nditio ns o f ing o t a nd co ntro lling the heig ht o f 刘宏伟博士论文：大型合金钢锭内部质量控制residu a l liqu id meta l in la dle ca n a vo id the la rg e inclus io ns in bo tto m dep o sit co ne.3)In o rder to ma nufa cture the la rg e ing o t w ith hig h co mp a ctio n*va cu um p o uring is used,a nd then ho t cutting a nd the ma cro sco p ic ex a mina tio n o n 由e w ho le lo ng itu dina l sectio n o f lOOt ing o t ma de w ith o rig ina l mo uld is p erfo nned.The results sho w tha t centra l shrink a g e ca vity a nd p o ro sity is the mo st serio us defect in the o rig ina l des ig ned ing o t,a nd defects heig ht o ccu p ies ro u g hly 81%o f the w ho le heig ht o f ing o t bo dy.The ma in rea so n ca u sed the defects is the ba d feeder effect Thro ug h develo p ing the ho t to p o f multi-g ra de thenna l a nd sta ble insula tio n feeder a nd investig a ting the effect o f thenna l insula tio n desig ns a nd hea ting o f ho t to p o n centra l shrink a g e ca vity a nd p o ro sity w ith va lid criterio n G/R0 S3mm by ultra so nic testing.4)In o rder to ma nufa ctu re la rg e ing o ts w ith lo w ma cro-seg reg a tio n f the influ ence o f p urifica tio n o n ing o ts is investig a ted deep ly.The chemica l co mp o sitio ns distributio ii o f three lOOt ing o ts w ere tested,a nd the effect o f steel clea nliness o n the ma cro seg reg a tio n ha ve been resea rched.Thro ug h the p urifica tio n,the la rg e ing o t w ith lo w seg reg a tio n ca n be o bta ined.The devia tio n o f ca rbo n in ing o t bo dy is w ithin 0.02w t%,a nd there a re no A typ e,V typ e,p o sitive a nd neg a tive ma cro seg reta tio ns fo und in the bo dy o f ing o t5)The ma cro seg reg a tio n o f 30Cr2Ni4Mo V ing o t is simula ted w ith co ntinuum mo del co nsidering Fe-C-Si-Mo system.The effect o f Si,Mo a nd g o o d insula tio n o f ho t to p o n distributio n o f chemica l co mp o sitio n a re investig a ted.Si p ro mo tes p o sitive seg reg a tio n o f ca rbo n,a nd Mo decrea ses the p o sitive seg reg a tio n o f ca rbo n.When g o o d insula tio n o f ho t to p do es no t indu ce la rg e increa se o f seco nda ry dendrite a nn sp a cing,it is beneficia l to ma k e rejected so lute into to p side o f feeder;thu s decrea ses p o sitive seg reg a tio n o f ing o t bo dy.Ho w ever,if it p ro lo ng s so lidifica tio n time o f ing o t bo dy g rea tly a nd ma k es seco nda ry dendrite a rm sp a cing big g er;p o sitive seg reg a tio n o f ing o t bo dy increa ses beca use big g er seco nda ryABSTRACTdendrite a nn sp a cing ca n la rg ely increa ses the a mo unt o f so lute rejectio n6)The effects o f to p blo w ing a rg o n a nd p urifying o n A-seg reg a tio n a re emp ha sized,lo p blo w ing a rg o n ca n g enera te free nucleus in mo lten steel,thu s ca n refine g ra in a nd inhibit so lu te enrichment a nd melt flo w.Thu s,to p blo w ing a rg o n ca n reduce o r elimina te A-seg reg a tio n.Ox ides a re the o rig in o f A-seg reg a tio n beca use they a re ca p a ble o f a dso rbing imp urity.Purifica tio n o f mo lten steel ca n g rea tly decrea se the co ntent o f o x ides a nd the size o f inclusio ns,a nd ca n ma k e inclu sio ns distribute mo re unifbnnly.Beca u se o x ides ca n p ro mo te the nu clea tio n o f MnS,p urifica tio n ca n inhibit MnS cluster enrichment in A-seg reg a tio n,a nd fina lly reduce A-seg reg a tio n.Key words:hug e steel ing o t,p u rifica tio n,shrink a g e ca vity a nd p o ro sity,ma cro seg reg a tio nm目录目录第一章结论.11.1弓I言-112大型钢锭的纯净化制备技术-21.2.1炉外精炼技术.21.22大型纯净钢锭的制备-21.2.3 大型钢锭中的夹杂物-41.2.4 大型钢锭中的杂质元素.71.2.5 大型钢锭中的气体-91.3 大型钢锭缩孔疏松缺陷-91.3.1 缩孔疏松的产生机理-91.3.2 缩孔疏松缺陷的预测-91.3.3 钢锭中缩孔疏松的控制措施-151.4 大型钢锭的宏观偏析-161.4.1 宏观偏析形成及演化机理-171.4.2 宏观偏析模拟-191.4.3 宏观偏析抑制措施-221.5 本研究工作的背景与研究内容-251.5.1 研究的背景及意义-251.5.2 研究内容.26第二章高纯净大型钢锭的制备研究.272.1 超纯净钢30Cr2Ni4Mo V大型钢锭的制备.272.1.1 实验材料的成分设计.272.12冶 炼及浇注工艺_ 282.1.3 深脱磷工艺_292.L4深 脱破工艺_33刘宏伟博士怆文，大型合金辆锭内部质量控制2.1.5 真空碳脱氧工艺.352.1.6 试验钢锭的化学成分_412.1.7 纯净化冶炼及浇注工艺的运用.412.2 真空碳脱氧对30Cr2Ni4Mo V钢锭纯净化的影响_422.3 真空碳脱氧大型钢锭中的夹杂物分析_492.3.1 夹杂物的分布、类型及形貌.492.3.2 钢锭底部大型夹杂物的形成机制_552.3.3 钢锭底部大型夹杂物的抑制措施.562.4 小结.57第三章大型铜锭缩孔疏松缺陷控制.593.1 原锭型条件下的中心缩孔疏松.593.1.1 原锭型主要设计参数.593.12原 锭型钢锭的浇注.613.1.3 钢锭的宏观解剖.623.1.4 钢锭中心缩孔疏松区域的确定.663.2 100t钢锭缩孔模拟及钢锭的优化设计.683.2.1 浇注和凝固过程数学物理模型_ 68322数值模拟过程.70323凝固过程模拟与缩孔疏松形成的分析.73324原锭型缩孔疏松的预测.74325多梯度稳态热冒口的新锭型设计-763.3 新锭型100t钢锭试验结果-793.4 小结.83第四章大型钢锭宏观偏析研究.854.1 100t 30Cr2Ni4Mo V大型钢锭的宏观偏析分析.854.2 纯净化对100t 30cl2Ni4Mo V钢锭宏观偏析的影响_93.4.3 100t 30Cr2Ni4Mo V钢锭的宏观偏析模拟_964.3.1 宏观偏析数学模型和数值算法-964.3.2 原锭型100吨钢锭的宏观偏析模拟及分析-98目*4.3.3 合金元素以及工艺参数对宏观偏析的影响-1014.3.4 新锭型对宏观偏析的影响-1044.4 内冷以及纯净化对A型偏析的影响-1074.4.1 内冷对A型偏析影响-1084.4.2 纯净化对A型偏析的影响-1134.5 小结_117第五章结论.119参考文献.121攻读博士学位期间发表文章目录.133致谢.135作者简介.137mI论第一章结论1.1 引 H随着我国冶金机械、能源电力、石油化工、船舶制造等重点领域的快速发展，对大型锻件的需求越来越迫切，典型需求包括百万千瓦级核电汽轮机低压转子、发电机转子、大功率低速船用柴油机曲轴、轧机用大型支承辐以及加氢反应器用 大型简体【四大型钢锭是大型锻件的毛坯，只有优质的大型钢锭才能锻造出高质 量的大型锻件。钢锭的质量越大，制造难度也越大.当前，百万千瓦级核电常规 岛整锻汽轮机低压转子、压力容器所需的钢锭已达到600吨级，国内最大加氢反 应器筒节所需的钢锭已达到420吨，重量285吨的超大型支承里也需500吨级钢 箧.一旦大型钢锭内部存在严重冶金缺陷，很难通过后续锻造、热处理将其消除.因此，为了提升我国大型锻件制备能力和国际竞争力，大型钢锭的内部质量问题 急需解决.在大型钢锭的制备中，由于钢锭凝固速度缓慢，凝固前沿有大量潜质析出，富集的溶质长程流动，使钢锭宏观偏析加重.A型或V型偏析会使钢锭在后续热 加工过程中出现敏感的回火脆性而开裂.在大型钢锭凝固过程中，如果锭型设计 不合理，其轴线上将产生缩孔、疏松缺陷，由于钢锭尺寸巨大，锻造过程中钢锭 心部变形量有限，无法完全消除缩孔疏松，最终不能满足探伤检测标准，致使钢 锭报废.另外，大型钢锭中夹杂物的存在也严重损害钢锭的质量.因此，为了克服以上诸多钢锭制备难题，实现高纯净、高致富、低偏析优质 大型钢锭的制备势在必行.本文通过对深脱磷、深脱硫以及真空碳脱辄等纯净化 操作过程系统分析，提出大型钢锭纯净化控制技术,针对大型钢锭热切及低倍检 验的难点，提出了一种整体大平面宏观解剖方法，通过系统研究胃口熬环境对钢 锭缩孔疏松的影响，解决大型钢锭中心缩孔疏松控制问题；基于实际钢锭分析结 果，结合数值模拟技术系统研究合金元素以及胃口保温对钢锭宏观偏析的影响，提出大型钢锭低偏析控制技术。特别提出了通过纯净化控制A型偏析的方法.刘宏伟博士论文：大型合金销链内部廉控制1.2 大型钢锭的纯净化制备技术钢中的夹杂物、杂质元素和气体对钢锭的质量和材料的力学性能有很大影响，引起了研究人员的广泛关注卬1.1.2.1 炉外精炼技术在优质钢锭的制备过程中，通过炉外精炼可以降低钢中S、H、N和夹杂物含 提高钢的纯净度，改善钢锭的质量回1950年波鸿（Bo chumer Verein）公司成功进行了840吨钢锭的真空浇注，实现了流滴脱气法的工业试制，随后，大量钢包精炼方法被开发出来，形成了由“碱性操作法-真空钢包精炼法”构成了新的纯净钢炼钢法.1954年多特蒙德哈 德冶金公司针对流潴法不能处理脱碳未脱氧钢水的问题，开发了真空吸上脱气法（DH）1956年鲁尔钢公司设计开发了循环脱气法（RH）,并在100吨钢包上 进行了实验17列.1965年，瑞典滚球轴承公司与瑞典通用公司合作，共同开发了 ASEA-SKF钢桶精炼炉，实现了在钢桶中精炼钢液口叱到了 20世纪70年代，日 本开发了钢包精炼法（LRF）,在大型钢锭制备中运用取得了很好的效果，其中，H能降到2Pp m以下，S最低能达到lOp p m。*在随后的炉外精炼发展中，逐步 形成以渣洗、真空、搅拌、加热、喷吹为主要手段的炉外精炼方法.炉外精炼技 术的使用，使钢锭的质量显著提高.L2.2大型纯净钢锭的制备冶炼设备的更新和先进炉外精炼技术的使用促进高质量大型钢锭的不断发展.在上世纪八十年代，日本已生产出600吨用于制造核电汽轮机低压转子的 30Cr2Ni4Mo V大型钢锭，见表1.1.日本大型钢锭制备技术的发展过程如图1.1 所示，在20世纪50年代，钢水采用酸性或碱性平炉冶炼，然后在大气条件下浇 注，其中，吸氢引起的“白点”缺陷是钢锭最严重的质量问题。到60年代，由于 采用了真空设备，钢中氢引发的质量问题得到了很好的解决，而此时碱性电炉的 使用，使钢中的杂质元素P、S得到了很好的去除.随着真空设备的改进，真空 处理能力不断被提高施过降低钢水中Si含量，可以更好实现真空碳脱氧.在上 第一章的世纪80年代，钢包精燎炉(LRF)已经开始在大型钢锭的制备中广泛使用，此时的 冶炼浇注工艺被称为双脱气工艺(do u ble deg a s s ing).此工艺不仅能够将钢液中 的氢降得很低，而且还能够将S、P降到一个很低水平,如图1.2所示。选择低磷、低硫原材料，经电弧炉(EAF)氧化去磷，LRF去硫，然后真空处理，最终真空 浇注，是当前优质钢锭的主要生产技术路线05峋.表1.1上世纪八十年代具有代表性的大型锻件用钢锭重量四Ta ble 1.1 The w eig ht o f ing o ts fo r typ ica l hea vy fo ig ing s in 1980s0为年份锻件直径(mm)的锭重量(t)生产国、厂名19802520350日本锌徽公司19801810425日本神户制钢所19811720250日本19831840435西德19832710410日本帏板公司19832720570日本室兰制作所19841340205前苏联19872860600日本室兰制作所我国进入上世纪80年代以后，大型钢锭的生产广泛采用双脱气生产工艺，在 2006年之后，我国大型钢锭的制备水平有了飞跃的发展，成功制备出600吨级大 型钢锭口叫虽然钢锭的总体制备水平有了显着的提高，但钢水纯净化技术的控制 与先进国家还存在一定的差距，一些高品质钢的纯净化研究工作开展的较晚【出2小 这些滞后的基础研究严重制约了我国大型钢锭纯净化水平的提高，如何控制钢中 的夹杂物、杂质元素以及气体含量将成为大型钢锭纯净化面临的主要难题.刘宏伟博士论文：大型合金钢锭内部质置控制图1.1日本室兰公司钢锭制备技术的发展问Fig.1.1 Develo p ment o f ing o t ma nufa cturing techno lo g y in JSWtn,1 201 00 80604020图L2 P、S含量在EAF-LRF过程中的变化胤 Fig.1.2 Cha ng e o f P a nd S co ntents during EAF-LRF p ro cess1411.2.3大型钢锭中的夹杂物在大型钢锭的制备中，一直致力于对钢中夹杂物的控制。聚集在钢锭底部的 大型夹杂物，会降低钢锭的利用率。而且夹杂物能够作为裂纹源，危及产品安全 运行.钢中的非金属夹杂物包括氧化物和硫化物，其中氧化物含1：是纯净钢的一4第一聿检个重要指标，其含通过全氧含量110表示.12.3.1夹杂物的危害钢中的夹杂物会影响钢材的质量，当氧化铝夹杂物的尺寸大于31Mm会严重 降低钢的疲劳性能口。钢中镁铝尖晶石夹杂物的尺寸一般为26网,虽然尺寸小，但会造成不锈钢表面缺陷，降低钢的抗腐蚀性能必】另外，夹杂物对冲击性能、蠕变性能也有很大的影响.因此，一些钢种根据产品的用途，对钢中夹杂物的含 量和尺寸都进行了严格的限制，见表12 在钢锭沉积锥处,由于存在大型夹杂物，导致钢锭切除率很高，因此对这类夹杂物应给予高度的亶视叫表1.2各种钢材对夹杂物含量和尺寸的要求【网Ta ble 2 The requirement o f co ntent a nd size o f inclusio ns fo r different g ra de steels囱品种用途用户要求生产目标薄板Din防止裂纹DA40u m汽车轮H防止勾型裂纹DA100um汽车轮货极好的穿孔性能Da20 u m管材无缝管防止因氢产生裂敷全部为球形夹杂样材轴承滚动接触寿命长Da15 u m丝抗疲劳钢丝高抗拉强度防止冲压时断裂TO AnyCa sting-Flo w-3D?国 内的铸造模拟软件主要有:华中科技大学开发的三维有限差分软件“华铸CAE”，清华大学开发的三维有限差分软件“FT6TAR”.1.3.3钢锭中缩孔疏松的控制措施1953年，Edg a r Ma rbu rg班】系统研究了不同锭型设计对钢锭心部缩孔疏松缺 陷的影响，增大钢锭的高度与宽度比或使用锭身上大下小的模具都可以减轻钢锭 心部缩孔疏松缺陷.在随后的发展中，为了解决心部缺陷，钢锭的H/D（H：钢 锭的高度，D：钢锭的直径）逐步降低。早期钢锭的H/D为2.03.0,现在正向1.0 发展，如图1.9所示【网而钢锭的桂度正逐步扩大，早期一般采用3.55%,而现 在一般采用9-10%.图1.9钢锭高径比对缩孔疏松的影响Fig.1.9 The effect o f H/D ra tio o n the shrink a g e ca vity a nd p o ro sity o f ing o t15刘宏伟博士论文：大型合金钢锭内部质量控制虽然钢锭的H/D和锥度的确有助于改善钢锭内部质量，但在钢锭锭型优化过 程中，有的大型钢锭还会出现严重的缩孔缺陷，如图1.10所示。因此，钢锭心部 缩孔疏松的产生不仅与锭型设计有关，而且还受胃口设计等其它因素影响。1981 年，Ta shin；77指出钢锭的冒口设计对钢锭心部缺陷形成影响较大，通过增大冒 口底部直径，可以很好地提高钢液凝固前沿补缩能力，从而改善钢锭心部质量.Fleming s网通过对冒口保温或增加热源的办法，来改善钢锭心部质量，可见合理 的钢锭冒口设计对解决心部质量问题起到很大的作用.图1.10钢锭心部缩孔疏松缺陷【可Fig.1.10 Shrink a g e ca vity a nd p o ro sity in the centre o f ing o t1831通过选择合适的锭型设计以及冒口设计，有助于提高钢液凝固前沿补缩能力，从而大大改善钢锭心部质量。但对于大型钢锭制备来说，不仅要求心部致密，而 且还应获得较高材料利用率，不能盲目将冒口放大，因此通过中心缩孔疏松缺陷 的准确预测来进行钢锭优化设计将变得尤为重要。1.4大型钢锭的宏观偏析宏观偏析是铸件或铸锭凝固过程中产生的一种从几毫米到几厘米甚至到几米 尺度范围内的成分不均匀现象，是大型钢锭生产中容易产生的严重铸造缺陷之一。宏观成分的不均匀性会直接导致材料各项机械性能的不均匀性，常常造成大型锻 件性能不合而报废，甚至会留下严重事故的隐患.在1950年至1977年之间，就 有30支转子在运行中突然发生炸裂，最终引发灾难性破坏，其中有些转子的断裂 16B-缩的就与钢锭宏观偏析缺陷有关网.因此，长期以来研究人员不断地采用实验手段以 及数值模拟技术开展宏观偏析机理研究.1.4.1宏观儡析形成及演化机理随着钢铁工业的快速发展以及对钢铁产品质量要求的不新提高，钢锭中的宏 观偏析缺陷得到了广泛关注.1926年，英国钢铁协会举办了第一次关于钢锭成分 不均匀的报告.此次报告详细介绍了不同生产工艺条件下的各种钢锭宏观偏析情 况，认为A型偏析的形成与凝固组织有密切关系，而V型偏析与凝固收缩有关，通过改变锭型可以对V型偏析进行控制间.Hultg ren即考察了锭型设计参数和浇 注温度对A、V型偏析的影响,提出增大钢锭锥度可以消除V型偏析.Andrew s和 Go mer1蚓通过添加放射性同位素的方法研究凝固前沿的形状和位置以及A型偏析 的分布情况，描绘了钢锭凝固过程中液体流动的方向.1971年，田代晃一网以一 系列钢锭解剖试验和用水油等混合试验为基础，对钢锭内部典型偏析的形成进行 了详细地分析，其认为树枝间的富集液与母液间的密度差引起的浮力和两液间界 面张力是形成宏观偏析的主要原因1987年，在法国克鲁索公司的推动下，对 645t不同吨位钢锭进行了实物解剖检验，其中65吨钢锭宏观偏析主要包括：底 部负偏析区（占钢锭高度的50%）、胃口正偏析区、A型偏析及V型偏析的，如 图1.11所示.其中A型偏析位于柱状晶区与心部等轴晶区界面处，与上述提及到 的1926年钢锭解剖结果一致.Ta shiro等1m利用计算机凝固模拟结果与实验检测 结果对比，得出了 135吨钢锭凝固速度与A型偏析之间的关系，当锭身中间位置 凝固速度小于0.8mm/min时，钢锭将有A型偏析出现.Ma ido m阿通过对锭身碳 含制定，分析了钢锭凝固与宏观偏析之间的关系，此外，研究显示A型偏析中 的MnS夹杂严重影响材料性能。Co mo n叨】通过对系列试验钢锭解剖，得出了钢锭 宏观偏析与钢锭的高径比以及合金成分之间的关系.我国通过实验方式研究大型 钢锭宏观偏析的工作非常少，在1986年解剖了一支55吨钢锭，结果显示，钢锭 内部存在较为严重的A型偏析，与其它元素相比，A型偏析带上C、S元素偏析 较严重四】刘宏伟博士论文：大型合金的锭内部质量控制（a）（b）图1.11 65吨钢锭的纵向截面（a）宏观偏析和碳成分分布（b）硫印图搀】Fig.1.11（a）Ma cro-seg reg a tio n a nd ca rbo n distributio n a nd（b）sulp hur p rint in the lo ng itudina l sectio n o f a 65t steel ing o t刻虽然国内外学者通过实际钢锭解剖，从不同角度对大型钢锭宏观偏析产生原 因进行了大量分析，然而对A偏析的形成机制仍存在较大争议，当前A偏析的形 成机制主要有以下几种观点：1）液固界面推移溶质捕捉机制；2）气体上浮机制；3）凝固补缩机制；4）溶质富集钢液悬浮捕获机制；5）糊状区对流通道形成机制。上述诸机制中，溶质富集钢液悬浮捕获与糊状区对流通道形成机制被大部分研究 人员认可.其中，Suzuk i和Miya mo to褥采用3.5吨砂型钢锭与14k g定向凝固钢 锭，对溶质富集钢液悬浮捕获机制进行了讨论。得出如下重要结论：A型偏析在 凝固前沿固相率为0.30-035范围时形成；周围枝晶间富集的溶质在固相率小于 0.7情况下仍然能流进A偏析线内；A偏析从钢锭外侧向内测发展，其倾斜角度 与凝固前沿推进速度、富集溶质上浮速度有关，具体表达式为：。=90-11/?或由6=丽（90-11&=夕代（/）同时提出了 0.7%C钢出现A偏析的条件为：成“4 8.75 心式中:18第一拿轮一凝固界面推进速度(cm/min)；y-t集溶质金属液的流动速度(cm/min)；G-温度梯度CC/cm)；$一冷却速率(C/min)后来，Suzuk i等网对合金元素Mo、Si对A型偏析的影响进行了研究，结果 显示降低Si或增加M。都有利于抑制A型偏析，其主要原因是，降低Si或增加 Mo促使凝固前沿在低固相率条件下形成.Su zu id等进一步指出不同成分的钢中 形成的A型偏析条件为：RGMa(1-3)式中：一凝固界面推进速度(cm/min)；G-温度梯度(C/cm)；。一取决于钢化学成分的常数：a=4.93x10-5(x+18.8)x,(1-4)其中,x=2&9C$+2352Cp+805cs _920岫-3a2Ck式中，。、Cp s C,、Cmo和6为钢的合金成分显然，P、S、Si增大偏析，而M。、V减小偏析.糊状区对流通道形成机制由Fleming s基于局部潜质再分配方程提出.当潜质 对流速度分大于凝固推进速度时，导致局部枝晶熔断形成通道，最终形成A型 偏析.1.42宏观儡析模拟尽管实验手段是研究钢锭宏观偏析形成机理、形成条件、影响因素等的最有 效办法，但实验研究通常耗资巨大，周期很长，并且缺乏科学的预见性.数值模 拟的出现促进了宏观偏析形成机理的研究.1958年，两位加拿大学者首先采用理论分析的方法，对一维凝固钢锭宏观成 19刘宏伟博士论文：大型合金钢链内部质量控制分分布进行定量计算研究陋L 1967年，Fleming s及其同事196网基于枝晶间因凝固 收缩而引起的液体流动提出局部溶质再分配方程(Lo ca l So lute Redistributio n Equa tio n,LSRE),标志着宏观偏析数学建模