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《鋼錠熱裂紋實驗研究及數(shù)值模擬》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫。
1、鋼錠熱裂紋實驗研究及數(shù)值模擬(申請清華大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文)培養(yǎng)單位：材料學(xué)院學(xué)科：材料科學(xué)與工程研究生：楊靖安指導(dǎo)教師：柳百成教授二○一七年十月ExperimentalStudyandNumericalSimulationofHotCrackinginSteelIngotsDissertationSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofDoctorofPhilosophyinMaterialsScie
2、nceandEngineeringbyYANGJinganDissertationSupervisor:ProfessorLIUBaichengOctober,2017摘要摘要十三五期間我國能源、石化等領(lǐng)域需要大量高端裝備，鋼錠是生產(chǎn)關(guān)鍵零部件的初始材料。鋼錠中的熱裂缺陷一般存在于鋼錠芯部，外觀不易發(fā)現(xiàn)，探傷也難所及，往往是在后續(xù)的加工中才被顯示，從而嚴重影響生產(chǎn)。采用實驗及數(shù)值模擬，研究鋼錠凝固過程中熱裂形成的機理和判據(jù)，并采用一定的手段抑制熱裂的形成和發(fā)展具有十分重要的理論意義和實用價值。本文通過鋼的高溫力學(xué)性能實
3、驗建立了粘彈塑性本構(gòu)關(guān)系，通過鋼錠的連續(xù)測溫和解剖實驗確定了氣隙模型界面換熱系數(shù)和凝固組織形核特征參數(shù)。同時，開發(fā)了熱裂預(yù)測程序。結(jié)合ProCAST熱力耦合計算結(jié)果，得到脆性溫度區(qū)間第一主應(yīng)力和糊狀區(qū)動態(tài)屈服極限。在考慮鋼錠凝固元素偏析和晶粒尺寸基礎(chǔ)上，提出了鋼錠熱裂趨勢判據(jù)（HCP）。這種熱裂預(yù)測方法和判據(jù)在6~12噸P91耐熱鋼鋼錠中的應(yīng)用效果較好。針對6噸、12噸普通模鑄P91鋼錠，進行了澆注、解剖和實驗研究，提取芯部裂紋樣品進行三維CT重構(gòu)，觀察到了熱裂連通的膜狀結(jié)構(gòu)。紅外碳硫光譜分析發(fā)現(xiàn)了熱裂缺陷附近碳硫元素
4、的偏析，且硫的偏析度高于碳。數(shù)值模擬及HCP判據(jù)得出的熱裂趨勢與實際結(jié)果相符，提出了吊裝冒口方案，在減輕鋼錠縮孔縮松程度的同時有效的降低了鋼錠整體熱裂缺陷。針對10噸細長水冷模鑄P91鋼錠，進行了澆注、探傷、解剖和實驗研究，發(fā)現(xiàn)了鋼錠中心細長的熱裂缺陷帶和星狀裂紋特征。取樣進行掃描電鏡分析，觀察到了斷裂的枝晶搭橋和裸露的枝晶臂，并發(fā)現(xiàn)了晶間夾雜和硫元素顯微偏析。通過高溫共聚焦實驗，獲得了鋼錠中不同冷速下的晶粒尺寸。通過數(shù)值模擬及HCP判據(jù)評估了熱裂趨勢，提出了漸進水冷方案，可以大幅度降低細長鋼錠中心的熱裂傾向。進一步將
5、HCP判據(jù)應(yīng)用于234噸真空12Cr-2Mo-1V鋼錠的熱裂預(yù)測。由于該鋼錠材質(zhì)、噸位及鑄造工藝與P91鋼錠差別較大，預(yù)測精度不如P91鋼錠。因此，在HCP判據(jù)的基礎(chǔ)上增加縮孔縮松的影響，得到SCP判據(jù)，成功預(yù)測了鋼錠中心熱裂位置。通過對234噸真空鋼錠的澆注工藝進行分析，發(fā)現(xiàn)采用較高的澆注速度，適當(dāng)?shù)哪＞哳A(yù)熱和良好的冒口保溫措施能降低鋼錠整體的熱裂趨勢。本文鋼錠熱裂紋研究為實際生產(chǎn)提供了技術(shù)支撐。關(guān)鍵詞：鋼錠；熱裂；數(shù)值模擬；判據(jù)IAbstractAbstractDuringtheperiodoftheThirtee
6、n-Fivestrategicplanning,alargenumberofhigh-endequipmentsareindemandinChina’senergy,petrochemicalandotherareas.Steelingotistherawmaterialfortheproductionofthesekeycomponents.Thehotcrackingdefectinthesteelingotusuallyliesintheingotcore,whichisnoteasytofindbyappear
7、anceanddifficulttodetect.Itisoftenrevealedinthesubsequentprocessing,seriouslyaffectingtheproduction.Studyingthehotcrackingmechanismandcriterioninsteelingotsolidificationbymeansofexperimentandnumericalsimulationandusingcertainmethodstorestraintheformationanddevel
8、opmentofhotcrackinghavegreattheoreticalsignificanceandpracticalvalue.Inthispaper,theviscous-elastic-plasticconstitutiverelationwasconstructedbyhightemperaturemechanic
