《微包澆注大型鑄錠研究及柱狀晶-等軸晶三相模型構建》是依託上海交通大學，由李軍擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：微包澆注大型鑄錠研究及柱狀晶-等軸晶三相模型構建
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：李軍
- 依託單位：上海交通大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
按照傳統的鑄造模式，大型鑄錠中嚴重的成分偏析和晶粒尺寸差異是不可避免的。為了提高大型鑄錠的品質，本項目提出一種基於成分差異微包澆注的大型鑄錠澆注方法。該方法通過減少單次參與凝固的金屬液的量，逐次使各次凝固的金屬堆積在一起形成大型鑄錠，通過調整單包澆注量、成分以及澆注間隔時間，控制金屬液的流動狀態、提高后凝固區域的冷卻速度，從而降低巨觀偏析、提高晶粒尺寸與形態的均勻性。構建考慮枝晶的柱狀晶-等軸晶三相模型，耦合凝固過程的微、巨觀現象；通過數值模擬最佳化單包澆注量、成分和澆注時間間隔等實驗參數，獲得偏析形態和晶粒分布圖像；將微包澆注模擬、實驗結合併與大型鑄錠生產數據進行相互最佳化，揭示大型鑄錠微包澆注過程中目標鑄錠的成分偏析控制與單包澆注量、成分以及澆注間隔時間的關係，實現基於目標鑄錠重量和品質要求信息的微包澆注程式，為大型鑄錠的高品質鑄造提供理論和技術基礎。
結題摘要
基於 Eulerian-Eulerian方法, 建立了考慮枝晶結構的等軸晶、柱狀晶以及金屬液三相完全混合的凝固模型。模型考慮了等軸晶的異質形核、移動以及柱狀晶對等軸晶的捕獲，模型跟蹤了柱狀晶尖端的位置並考慮了等軸晶和柱狀晶的相互競爭生長，因此該模型具備了預測柱狀晶向等軸晶轉變的能力。模型成功用於100噸級以上大型鑄錠，模擬預測結果和實驗測量結果接近，並成功預測了A型偏析。結果建議，為了確保模型的準確性，應在模型中考慮等軸晶的枝晶結構。採用傳統的鑄造模式，大型鑄錠中嚴重的成分偏析和晶粒尺寸差異是不可避免的。為了提高大型鑄錠的品質，本項目提出了一種可降低鑄錠巨觀偏析的鑄造工藝：微包澆注。將鑄錠分為數個甚至數十個澆包逐次間隔澆注，使每包次澆入的金屬液依次、逐層凝固，從而達到降低鑄錠中巨觀偏析的目的。採用微包澆注工藝製備3.0Ni2Cr4MoV 鋼以及Al-4.0%Cu小鑄錠。實驗結果表明：採用傳統鑄造工藝製備的鑄錠出現明顯的巨觀偏析，包括鑄錠底部嚴重的負偏析和頂部正偏析；而採用微包澆注工藝製備的鑄錠沒有出現大範圍嚴重的巨觀偏析，鑄錠中心線上最小負偏析和最大正偏析分別降低了 24.6%和 77.2%，說明微包澆注工藝可一定程度改善鑄錠巨觀偏析。另外，實驗結果也表明微包澆注工藝可以大大降低晶粒尺寸差異，促進鑄錠的均質化水平。同時，採用所建凝固模型對 100和 13 t鋼錠的傳統鑄造工藝以及微包澆注工藝的巨觀偏析的形成進行數值模擬預測。模擬結果表明：採用微包澆注工藝可有效改善大型鋼錠中的巨觀偏析，並且隨著鋼錠尺寸的增大，該工藝對巨觀偏析的改善效果愈加明顯。並對微包澆注工藝抑制巨觀偏析的作用機理進行了分析。採用數值模擬手段對大型鑄錠微包澆注過程中目標鑄錠的成分偏析控制與澆注工藝的關係進行系統研究，建立了基於目標鑄錠重量和品質要求信息的微包澆注數學模型，並開發數位化設計平台，初步實現了微包澆注工藝方案的自動化設計。本項目的成果為大型鑄錠的高品質鑄造提供理論和技術基礎。
