大鋼錠定向凝固技術(shù)研究

陳曉慈

(中國第二重型機械集團公司，四川618013)

大型鍛件在重大技術(shù)成套裝備中占有極為重要的地位[1]。隨著建設(shè)與工程裝備趨向大型化、極端化發(fā)展[2]，對大型鍛件的需求與日俱增，對鍛件質(zhì)量的要求也不斷提高。然而決定鍛件品質(zhì)最根本的關(guān)鍵環(huán)節(jié)還是鋼錠的質(zhì)量。

從20世紀(jì)70年代后期開始，與能源相關(guān)的設(shè)備、壓力容器等的需求量大大增加，相應(yīng)地對用于這些設(shè)備的大型板類件的需求也出現(xiàn)激增。這些板類件不僅趨于超大、超重、超厚，而且對縮松、偏析、非金屬夾雜物以及化學(xué)成分的均勻性和晶粒度的要求都極為嚴(yán)格，甚至要求有較好的鍛造性能和焊接性能。這些苛刻的要求對普通鋼錠的生產(chǎn)工藝提出了挑戰(zhàn)。

本研究課題正是在重大技術(shù)裝備需求不斷遞增的背景下，在多學(xué)科前沿理論研究成果的支持下展開的，它對揭示鋼錠偏析形成機理，改進工藝，提高質(zhì)量，降低成本有著極為重要的意義。

1 鋼錠主要缺陷形成原因分析

普通鋼錠中存在如圖1所示的幾種缺陷，即底部的沉積錐(負(fù)偏析)，中心線兩側(cè)的A偏析，中心線附近的V偏析，二次縮孔，頭部的C、S、P等成分的正偏析、縮松。鋼錠的重量越大，這些缺陷就越嚴(yán)重，越難以控制和消除。如果用普通鋼錠制造核電或石化壓力容器的管板，難以保證服務(wù)期內(nèi)的安全。圖2是餅型鍛件的典型缺陷分布。從圖2可以看出，其偏析缺陷均集中在鍛件的心部，因無法去除而成為廢品。

1—沉積錐 2—A偏析 3—V偏析 4—二次縮孔 5—正偏析、縮松圖1 鋼錠中的缺陷及其分布Figure 1 Defects and its distribution in steel ingot

長期以來，對這些缺陷形成機理的研究與探索推動了凝固理論的發(fā)展。而定性與定量地分析鋼錠的凝固過程，則涉及到“三傳”和“三場”等前沿學(xué)科的理論。對凝固過程中正、負(fù)偏析及縮松形成機理的研究也是一個前沿課題[4]。盡管如此，科技人員在試圖改善大鋼錠缺陷的研究、試驗及生產(chǎn)實踐中認(rèn)識了許多定量或定性的規(guī)律，為定向凝固工藝的研究與應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。如：

圖2 餅型鍛件心部缺陷分布Figure 2 Core defect distribution in flan forging

(1)對A偏析的認(rèn)識：A偏析是在凝固過程中，由于局部溶質(zhì)再分配造成高濃度低密度硫化物夾雜溶質(zhì)在枝晶間上浮和聚集，而且其推進速度超過凝固前沿的推進速度造成的。日本學(xué)者鈴木(Suzuki)等人甚至利用實驗裝置給出了A偏析形成的臨界條件：

Rε1.1

(1)

或R

(2)

式中ε是冷卻速度(℃/min)；R是凝固速度(mm/min)；a是臨界常數(shù)；C是常數(shù)；ΔρL是密度增量；ΔТL是溫度增量；θ是凝固前沿傾角。

生態(tài)紅線區(qū)：根據(jù)北京城市副中心城鄉(xiāng)建設(shè)用地指標(biāo)總量與城市發(fā)展與生態(tài)因素，確立各鎮(zhèn)規(guī)劃集體建設(shè)用地指標(biāo)分配。

(2)對V偏析及縮松的認(rèn)識：在普通鋼錠中，由于多方向的凝固，在最后凝固的區(qū)域及中心線附近的位置，存在一個加速凝固的過程，而此時又得不到足夠的補縮量，因此形成了縮松。同時，由于濃縮溶質(zhì)的吸收作用，而形成了V偏析。研究還發(fā)現(xiàn)，高徑比(H/D)和鋼錠模的錐度對消除偏析和縮松有較大的影響[7]，當(dāng)H/D≤1.0以后縮松區(qū)域可以消除，偏析得以減緩。

計算時假定t=0時鋼水瞬時充滿，并且保持靜止。這種假設(shè)是基于在實際鋼錠的澆注中，澆注流動能引起的對流運動在澆注結(jié)束后不久幾乎消失。相對于鋼錠很長的凝固時間來說，這種注流動能引起的對流可以忽略。A錠凝固開始后5個典型時刻的計算結(jié)果如圖14～18所示。等溫線的溫度值分別為：100℃、300℃、500℃、700℃、900℃、1 100℃、1 300℃、1 500℃。

(1)多向凝固；(2)較大的高徑比(H/D)；(3)較低的冷卻速度。

站在2018年的歲尾回望一路走來的歷程，我相信，自豪感會充斥在每一個人的心中。而面對未來，我們的任務(wù)將更加艱巨，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能和智慧工廠等全新的詞匯出現(xiàn)在大眾視野中，學(xué)習(xí)創(chuàng)新是必不可少的，這一代人肩負(fù)著由大到強的光榮使命，站在新的轉(zhuǎn)折點上，很多企業(yè)都積極進行技術(shù)改革創(chuàng)新，抓住時代機遇。

2 基本原理及主要參數(shù)

2.1 基本原理

定向凝固技術(shù)就是通過人為控制鋼錠在凝固過程中熱量的傳導(dǎo)方向和速度，從而達(dá)到控制鋼錠內(nèi)部的結(jié)晶方向，消除或減少鋼錠內(nèi)部的A型偏析和宏觀偏析，提高鋼錠本體的均勻性的目的。定向凝固過程是一個自然的精煉過程[8]，鋼錠的高徑比(H/D)和冷凝板與鋼錠重之比(WB/WI)是兩個重要的參數(shù)，它們使凝固速率得到控制，凝固部分與鋼液之間的兩相區(qū)被限定了發(fā)展。在此過程中，由于有足夠的溫度梯度和凝固方向的單一性，使鋼水的對流被減弱，使與對流有關(guān)的A型偏析受到限制。凝固前沿實際上是雜質(zhì)富集區(qū)，但它隨凝固的進行被平穩(wěn)地、均勻地推向鋼錠頂面(不是頂部)，然后通過后部工序加工予以清除，使鍛件本體內(nèi)夾雜物的數(shù)量減少且分布均勻。

(7)受PEA的影響(選裝，視市場而定)，PEA利用導(dǎo)航系統(tǒng)的線路數(shù)據(jù)，在同樣是選裝的自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)的共同作用下，在車速調(diào)節(jié)裝置激活狀態(tài)下，PEA能夠根據(jù)情況激活怠速模式；

圖3 定向凝固鋼錠澆注示意圖Figure 3 The pouring of directional solidification steel ingot

從圖3可以看到，定向凝固鋼錠沒有普通鋼錠所具有的冒口，而是通過選擇有效的保溫材料來代替冒口的補償作用。在鋼錠模的周圍同樣也采取了可靠的保溫措施。

2.2 高徑比(H/D)的確定

設(shè)：鋼錠高度和直徑分別為HO和DO；鍛件的高度和直徑分別為HF和DF；鍛件的面積為SF，鋼錠的面積為SO；鍛比為KF，(經(jīng)研究KF取值范圍在2.0～3.0)。

則：鋼錠的高徑比H/D=KF3/2HF/DF

機車輪對具有輪徑尺寸大、種類多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點。機車檢修運用部門所儲存的機車輪對絕大部分放置在地面或鋼軌上。當(dāng)儲存的機車備用輪對數(shù)量較多時，因占地面積大，擠占大量生產(chǎn)作業(yè)空間，對生產(chǎn)單位現(xiàn)場管理造成了諸多不便。

(3)

代入各參數(shù)并考慮鍛比的選擇差異，計算得到：H/D= 0.6～0.9。

2.3 冷板與錠重比(WB/WI)的確定

4.2.1 氧化物總量

裝配式建筑是以鋼結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為主要受力構(gòu)件，經(jīng)裝配連接而成的結(jié)構(gòu)體系。結(jié)構(gòu)完成后進入墻體安裝過程，地上建筑部分基本沒有濕法作業(yè)，建筑材料是由工廠加工而成的半成品，安裝現(xiàn)場如同生產(chǎn)線的延續(xù)。

設(shè)：平均澆注溫度TP=1 560℃；脫模溫度TI=1 100℃；平均熔點Tm=1 510℃。

數(shù)字化轉(zhuǎn)型也打破了價值創(chuàng)造的界限：至少在能源行業(yè)這是完全可能的。數(shù)據(jù)沒有物理的局限，可以全面的收集、處理和分析，以產(chǎn)生出產(chǎn)品和服務(wù)。同時，產(chǎn)業(yè)鏈的界限在數(shù)字化的過程中，也慢慢變得模糊。新的參與者，可以跨越界線獲得更多的資源，形成新的模式。例如，電動汽車出現(xiàn)在能源行業(yè)的幾條價值鏈上，某種程度上也孕育出了新的“產(chǎn)業(yè)”。

Qi=WI[Hm+CP△Tm+CP(Tm-TI]

(4)

冷板整個凝固過程吸收熱量為：

1.3 觀察指標(biāo) 比較兩組患者治療前后的頭痛程度、頭痛持續(xù)時間、頭痛發(fā)作頻次。頭痛程度分級：重度頭痛需要臥床休息為3級，中度頭痛而不能勞作為2級，輕度頭痛而不影響勞作為1級，無頭痛發(fā)作為0級。

QB=WB[CP△TB]

(5)

假設(shè)在凝固過程中吸收與散失的熱量相等，則有Qi=QB。

于是：WB/WI=[Hm+CP△Tm+CP(Tm-TI)]/[CP△TB]

在教學(xué)中，學(xué)生思維的可視性一直是評價教學(xué)過程的重要指標(biāo)之一。在本課教學(xué)中，將思維導(dǎo)圖的建構(gòu)設(shè)置為貫穿課堂始終的重要線索。從現(xiàn)象到本質(zhì)，從個案到共性，學(xué)生通過比較、抽象、歸納、總結(jié)等科學(xué)思維活動，建構(gòu)起本課的思維導(dǎo)圖。

(6)

代入各參數(shù)并考慮鋼種的差異，計算得到：WB/WI= 1.4～1.8。

3 解剖試驗

3.1 試驗條件及參數(shù)

在正式實施工藝試驗之前，對整個系統(tǒng)的溫度場和凝固過程進行了模擬，其邊界條件完全按真實情況進行設(shè)定，并且有針對性地對兩個特定點進行了溫度變化模擬計算，以便于與實測值進行比較。

圖4是根據(jù)有限元法模擬的凝固過程。它表明整個系統(tǒng)的凝固要560 min才能完全結(jié)束(相同級別的普通鋼錠僅在180 min就完全凝固了)，這一點非常重要，對于確定脫模時間起決定作用。后來的探針實驗證實了定向凝固錠的凝固時間較長的事實。

特定測試點202、253如圖5所示。通過模擬，它反應(yīng)出了鋼錠凝固過程中鋼錠本體和冷凝板的溫度變化，在實測中也得到了證實，二者趨勢相同，數(shù)值吻合，如圖6所示。

于是鋼錠從澆注到脫模散失的熱量為：

為了更充分地了解定向凝固鋼錠本體的原始質(zhì)量狀況，并掌握不同邊界條件下鋼錠內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及鋼錠內(nèi)部編析和夾雜物分布的變化情況，我們對鋼錠進行了解剖對比試驗。

從A、B兩錠的氧化物總量來看，大多數(shù)都在(50～100)×10-6之間，這與平爐鋼的氧化物含量相吻合。從A、B兩錠氧化物夾雜的分布情況看，氧化物含量90×10-6以上的區(qū)域，A錠分布在鋼錠中上部，而B錠集中在中下部，這與凝固速度有直接的關(guān)系，也是自然精煉效果的表現(xiàn)。

K為蒙特卡羅次數(shù)，取K=200，D為波達(dá)方向數(shù)，本次試驗設(shè)定D=13，RMSE隨信噪比的變化曲線和RMSE隨快拍數(shù)的變化曲線如圖8所示.

表1 A、B兩支鋼錠的爐后化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

鋼錠澆注溫度為1 580℃。經(jīng)過12 h后脫模，用大截面切割，沿鋼錠中心切割成約100 mm厚的試塊，然后通過機械加工成鏡面，切片，如圖7所示。每塊試板分成兩半，一半供化學(xué)分析，另一半供酸洗、硫印檢查。最后把試塊機械加工成厚約30 mm的試片。試片作硫印、酸洗檢驗后，取樣進行化學(xué)成分分析和夾雜物分析。

3.2 酸洗結(jié)果

在解剖之后，通過酸洗A、B兩錠均未發(fā)現(xiàn)普通鋼錠都存在的縮孔、沉積錐和“V”型偏析，卻有“A”型偏析，但分布有差別。A、B兩錠中“A”型偏析的分布如圖8所示。從酸洗結(jié)果可以看到，A錠基本上沒有疏松，說明A鋼錠的組織比較致密。同時A、B兩錠底部均未發(fā)現(xiàn)有沉積錐。因為鋼錠的結(jié)晶方向主要是從鋼錠的底部向上進行，鋼錠在凝固過程中不會出現(xiàn)結(jié)晶雨在底部的堆積現(xiàn)象，從而獲得沒有沉積錐的鋼錠。

圖4 有限元模擬過程圖 圖5 測試點

圖6 模擬和測試結(jié)果對比Figure 6 Result comparison between simulation and test

圖7 解剖切片示意圖Figure 7 The schematic diagram of anatomic slice

(a)周界為粘土磚的凝固硫印 (b)周界為鑄鐵的凝固硫印圖8 “A”偏析示意圖Figure 8 The schematic diagram of “A” segregation

從圖9可以看到，側(cè)壁為鑄鐵的B錠，由于B錠上部1/4靠中心的部位有少量的疏松存在，側(cè)壁有較大的導(dǎo)熱系數(shù)，導(dǎo)致其散熱較大，使徑向結(jié)晶得以存在。凝固前沿在徑向結(jié)晶作用力和軸向結(jié)晶力共同的作用下，沿合力方向呈現(xiàn)出凝固前沿傾角θ，凝固前沿富積的硫化物夾雜也沿此角度留下痕跡，因而造成鋼錠的上部在徑向約1/4處存在“A”型偏析。隨凝固的進行，“A”型偏析向鋼錠的中心部位移動，而不容易向上推移，這對鍛件質(zhì)量而言是不利的。因為在后面工序中位于心部的偏析不易被清除掉。

(a)周邊有保溫材料 (b)周邊無保溫材料圖9 低倍照片F(xiàn)igure 9 Macrograph

(a)周邊有保溫材料 (b)周邊無保溫材料圖10 硫印照片F(xiàn)igure 10 Sulphur print

當(dāng)側(cè)壁有保溫材料(A錠)時，主要表現(xiàn)為軸向結(jié)晶力，徑向的結(jié)晶基本被抑制，凝固主要是從鋼錠底部向上進行。單一的凝固方向?qū)︿撳V內(nèi)部夾雜物的上浮和使夾雜物均勻分布是極為有利的，因此在A錠中的“A”型偏析僅出現(xiàn)在鋼錠上部的邊緣位置，對鋼錠的影響范圍較小。

3.3 硫印結(jié)果

從圖10可以看到，A、B兩鋼錠都沒有“V”型偏析，雖然存在“A”型偏析，但A、B兩錠的分布有較大差別。從A、B兩錠“A”型偏析的分布位置可以看到，硫印結(jié)果與酸洗結(jié)果相同。

實驗時采用的冶煉設(shè)備是平爐，該爐鋼水的S高達(dá)0.021%，有產(chǎn)生硫化物夾雜的基本條件，但側(cè)壁有保溫材料的A錠僅有少量的“A”型偏析存在，這就進一步說明定向凝固能較好地抑制鋼錠中“A”型偏析的形成。如果用鋼包爐精煉的鋼水澆注定向凝固鋼錠，由于鋼水中的S被限定在極低的范圍，幾乎可以徹底消除鋼錠內(nèi)部的“A”型偏析。

4 分析與討論

4.1 化學(xué)成分分布

化學(xué)成份分布總趨勢為，越靠鋼錠上部C、S含量越高，這是符合先凝固呈負(fù)偏析，后凝固呈正偏析的一般規(guī)律。但從A、B兩錠C、S的分布看，側(cè)壁為鑄鐵的B錠，高S含量的區(qū)域較寬，而側(cè)壁有保溫材料的A錠，高S含量的區(qū)域主要集中在鋼錠的頂部。這也說明側(cè)壁和頂部有保溫措施時，凝固過程有一定的自然精煉作用。正偏析區(qū)域集中在鋼錠的頂部，有利于后工序的去除。

從A、B錠C的偏析分布看，兩錠本體C的分布比較均勻。從偏析程度看，A錠C的分布比B錠更均勻，C隨凝固過程的遞進更清晰，而B錠因受周邊凝固邊界條件和較快凝固速度的影響，C分布表現(xiàn)相對離散。但A、B鋼錠頂端C的偏析都太高，超出了正常范圍，這可能與澆注時使用高碳保護渣(含碳量約20%)有關(guān)。在以后的工藝中，應(yīng)注意使用低碳保護渣，以減少鋼錠頂端的增碳現(xiàn)象。鋼錠中Mn的偏析較小且分布比較均勻，A、B錠沒有多大的差別。從A、B兩錠P的偏析看，總的趨勢是B錠的偏析程度要比A錠大，A錠中P的偏析更集中于鋼錠頂端的中心位置，可以在鍛件的加工過程中予以去除。

4.2 電解夾雜物分析

要求冷板在鋼錠凝固過程中有足夠的吸熱能力。在整個凝固過程中鋼錠與冷板有足夠的溫度梯度△T≥500℃。冷板不能無限大，在滿足前兩條件后盡量小，以減少投資。

在試驗中，我們僅對錠模周邊的材料進行了更換，A錠模周邊有保溫材料，B錠周邊為鑄鐵，以便于充分了解定向凝固鋼錠本體的原始質(zhì)量狀況并觀察不同邊界條件下定向凝固鋼錠內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及鋼錠內(nèi)部偏析和夾雜物分布的變化狀況。A、B兩支鋼錠各重5 600 kg，同爐鋼水材質(zhì)為45#鋼(平爐冶煉)，在相同條件下澆注而成。爐后成分如表1所示。

針對以上防雷措施，小區(qū)將選用HY5WS型避雷器，特點是小巧輕便、機械強度高、便于安裝和檢修，適合在開關(guān)柜和箱變中使用。

4.2.2 氧化物的種類

A、B兩錠的氧化物夾雜都是以Al2O3和SiO2為主，這與鋼冶煉過程中的脫氧制度有很大的關(guān)系，其含量大多數(shù)都在30×10-6以下。而MnO、MgO、FeO、TiO2等氧化物夾雜，絕大多數(shù)含量都小于10×10-6，少數(shù)部位有氧化物含量較高的現(xiàn)象出現(xiàn)，其含量為20×10-6左右。

4.3 夾雜物電鏡掃描分析

到6 390 s時(圖17)未凝固區(qū)均處于固液相區(qū)，流動及弧度變?yōu)槿苜|(zhì)對流，Cmin和Cmax都有所提高，濃度差(Cmax-Cmin)卻擴大了，液相區(qū)的濃度變化造成凝固后固相區(qū)的濃度不均勻已經(jīng)表現(xiàn)出來。

5 A偏析數(shù)值模擬

為了對試驗解剖的定向凝固錠進行數(shù)值模擬，除了要輸入相應(yīng)的工藝參數(shù)外，鋼錠錠型參數(shù)(圖11)也十分重要。A、B兩錠的參數(shù)見表3。

4.鑒于新的《企業(yè)會計準(zhǔn)則》已將企業(yè)的研發(fā)活動分為研究階段和開發(fā)階段，但并未就二者如何劃分做出清晰明確的規(guī)范，許多支出需要靠企業(yè)自行判斷，這就給企業(yè)留下了巨大的發(fā)揮和選擇空間，不利于對企業(yè)無形資產(chǎn)研發(fā)進行管理。[15]對此，建議有關(guān)部門盡快制定相關(guān)細(xì)則，對準(zhǔn)則規(guī)定的兩個階段做出具體闡述，并明確如何劃分無形資產(chǎn)研發(fā)支出的資本化和費用化，將這些規(guī)定法律化、制度化，以更好地對企業(yè)進行規(guī)范管理。

根據(jù)A偏析形成的臨界條件式計算，獲得如圖12描述的計算結(jié)果[9]。為便于比較和敘述方便，取區(qū)域中最靠近中心線的點與錠型間的距離WA及該區(qū)域中最低點與底盤距離DA作為考察A偏析嚴(yán)重程度的指標(biāo)(如圖13)。A、B兩錠的計算結(jié)果及與實驗值的比較見表4。

圖像分割是一個具有較高要求的并且有著十分廣泛的應(yīng)用，許多年來多數(shù)的研究人員從以上的幾個方面對圖像進行分割，并且積極的與其它學(xué)科的知識相結(jié)合對圖像分割進行嘗試，比如創(chuàng)建起積分幾何、運用隨機理論、采用恍惚理念和時頻分析為基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、恍惚聚類法、小波轉(zhuǎn)變法等，并且得出了一系列的研究結(jié)果。作為圖像分割的一個分支，醫(yī)學(xué)超聲圖像紛飛的研究與所有的分割技術(shù)都有交集，但是效果卻欠差人意，在臨床中難以得到應(yīng)用和推廣。

從表4可以看出，徑向的計算值與實驗值較為接近，而縱向的計算值與實驗值有一定差距。但是，計算值與實驗值的趨勢是完全符合的，A錠優(yōu)于B錠，均為WAA

從計算和實驗結(jié)果均可看到，在側(cè)壁為鑄鐵的定向凝固鋼錠中，凝固開始時，凝固速度較快，不易形成A偏析，但到后期，由于側(cè)壁的散熱未能得到抑制，凝固前沿與水平面的傾角較大，易形成A編析。在側(cè)壁有耐火磚時，情況則相反，A偏析容易靠近側(cè)壁形成。因此強化底板的冷凝強度和側(cè)壁加保溫材料是正確的選擇。

6 定向凝固鋼錠凝固計算分析

為了掌握普遍的規(guī)律，建立了數(shù)學(xué)模型[10]，采用逐行法對溫度場、濃度場、速度場以及固相率進行計算，并與實測值進行比較，以便于確立定向凝固鋼錠的工藝編制指導(dǎo)原則。

鋼的化學(xué)成分見表1。計算中用到的錠型參數(shù)見表3。假定鋼水的初始溫度等于澆注溫度為1 580℃，其它材料的初始溫度為30℃。

總之，普通鋼錠的缺陷形成主要可歸因于：

圖11 錠型參數(shù)示意Figure 11 The schematic drawing of ingot type parameters

圖12 計算獲得的A偏析區(qū)域(兩側(cè))Figure 12 A segregation area obtained by calculation (both sides)

圖13 A偏析考察指標(biāo)Figure 13 The investigation index of A segregation

B錠試樣號0106011016021026031036夾雜數(shù)量A錠試樣號夾雜數(shù)量0.870.441.480.770490.770.900540.690.870590.740.910640.860.910690.640.580770.640.51

表3 A、B兩鋼錠幾何參數(shù)

表4 A偏析計算值與實測值的比較

圖14 冷卻開始后60 s時的情形Figure 14 Situation in 60s after beginning cooling

圖15 冷卻開始后1 320 s時的情形Figure 15 154 Situation in 1 320s after beginning cooling

從數(shù)值計算結(jié)果看出，在凝固開始后60 s時(圖14)，由于側(cè)壁保溫較好，沒有徑向的枝晶生長，而在底部則形成了一層凝固殼。此時液相中的流動來自于溫度梯度的驅(qū)動力(這種流動又叫做熱對流)。除在靠近側(cè)壁處流動較為激烈外，總體來講呈現(xiàn)出一個順時針的單渦。此時的液相濃度均保持為初始濃度值，即0.5%C，等濃度線集中在液相區(qū)。

凝固進行到1 320 s時(圖15)，底部凝固層已達(dá)12.6 mm，這一凝固層的成分比較均勻。此時側(cè)壁附近也有較薄的凝固層。與此相鄰的固液相區(qū)內(nèi)，出現(xiàn)了濃度梯度造成的對流(又稱作溶質(zhì)對流)，其流向為逆時針。在靠近軸線附近也形成一個溶質(zhì)對流區(qū)，它與熱對流區(qū)形成界面。這就是雙擴散對流現(xiàn)象[11]。正是通過這個界面固液相區(qū)的高濃度溶質(zhì)進入液相區(qū)，導(dǎo)致液相區(qū)濃度的不斷提高，隨凝固前沿的推進，先凝固的區(qū)域表現(xiàn)為負(fù)偏析，后凝固的區(qū)域表現(xiàn)為正偏析。

凝固進行到3150 s時(圖16)，固液相區(qū)占據(jù)了大部分區(qū)域，溶質(zhì)對流占主導(dǎo)地位，液相區(qū)濃度進一步增加，這段時間內(nèi)凝固前沿的推進十分緩慢，液相區(qū)內(nèi)的濃度差(Cmax-Cmin)減小。

用ASM掃描電鏡及X-ray能譜儀觀察分析試樣的夾雜物性質(zhì)。結(jié)果表明，試樣中的夾雜物主要為硫化物夾雜，且主要為MnS與少量的硫化鐵，其次還有含Al、Fe、Si的氧化物夾雜。A錠本體夾雜物較少，主要集中在頂面，而B錠的夾雜物明顯較多，并且分布零散。典型位置夾雜物的數(shù)量如表2所示。

在凝固后期(圖18)，固液相區(qū)的流動十分微弱，由于頂部存在散熱，最后凝固點不是在頂面，而是在頂面的下方，此時此地的濃度值最大，濃度差(Cmax-Cmin)也最大。

上述分析與解剖分析的結(jié)果幾乎是一致的。從而也證實了定向凝固過程是一個自然精煉過程。但是，這種自然精煉效果取決于對凝固速度和縱向凝固距離的控制，即對H/D和WB/WI的選擇。

7 應(yīng)用效果

為了排除冶煉設(shè)備因素對試驗的影響，在平爐、大小電爐、鋼包精煉爐上都進行了試驗，結(jié)果表明各種理化性能與設(shè)備的選擇無直接關(guān)系，這項技術(shù)可以在任何冶煉設(shè)備上應(yīng)用。這也再次證明了定向凝固的自然精煉作用，使內(nèi)部夾雜物得到細(xì)化和均化，這是我們所希望的結(jié)果。我們曾同爐冶煉澆注10支材質(zhì)為20MnMoNb的管板用鋼錠，其中3支是5.7 t定向凝固鋼錠，另外7支是普通鋼錠。在3支定向凝固錠中，除1支鋼錠因在凝固過程中為探測鋼錠凝固程度而熔入一根鐵絲，造成鍛件檢測不合格外，另外兩件鍛件合格。而同爐生產(chǎn)的另外7支普通鋼錠因缺陷超標(biāo)而全部報廢[12]。這說明在同種冶煉設(shè)備情況下，定向凝固鋼錠的質(zhì)量優(yōu)于普通鋼錠。表5是在不同冶煉爐上的應(yīng)用實例。圖19是鍛造工藝比較。

圖16 冷卻開始后3 150 s時的情形Figure 16 Situation in 3 150 s after beginning cooling

圖17 冷卻開始后6 390 s時的情形Figure 17 Situation in 6 390 s after beginning cooling

圖18 冷卻開始后13 730 s時的情形Figure 18 Situation in 13 730 s after beginning cooling

圖19 鍛造工藝比較圖Figure 19 Comparison of forging processes

從表5和圖19可以看出，在鋼錠利用率方面的提高是非常驚人的。普通鋼錠鍛造餅型鍛件的鋼錠利用率一般在60%左右，而定向凝固錠鍛造餅型鍛件的鋼錠利用率達(dá)到或超過90%，成品鍛件的綜合金屬材料利用率提高35%以上。另外，用普通鋼錠鍛造成形，必須在3個火次以上，在工時和能源消耗上遠(yuǎn)高于定向凝固錠的鍛造。定向凝固鋼錠僅需一火成形，工時僅為傳統(tǒng)工藝的1/3。從理化檢驗結(jié)果看，夾雜物、晶粒度、力學(xué)性能、無損檢測等方面都能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，并優(yōu)于傳統(tǒng)工藝。

表5 在不同冶煉爐上應(yīng)用實例

注:A鋼為15CrMo; B鋼為16Mn。

8 結(jié)論

(1)鋼錠在凝固過程中在液相區(qū)與液固相區(qū)之間存在雙擴散現(xiàn)象，使液相區(qū)和固液相區(qū)中的流動對凝固過程產(chǎn)生復(fù)雜的影響，并與最終凝固鋼錠的宏觀偏析直接相關(guān)。正是通過這個液相區(qū)與液固相區(qū)之間的雙擴散界面，固液相區(qū)的高濃度溶質(zhì)進入液相區(qū)，導(dǎo)致液相區(qū)濃度的不斷提高，隨凝固前沿的推進，先凝固的區(qū)域表現(xiàn)為負(fù)偏析，后凝固的區(qū)域表現(xiàn)為正偏析。

(2)A偏析判定式得到驗證，從計算結(jié)果可以看出，計算值與實驗值的趨勢是完全符合的，A錠優(yōu)于B錠，均為WAA

(3)充分的底部冷卻和良好的周邊保溫使凝固速率得到控制。在凝固過程中，由于有足夠的溫度梯度和凝固方向的單一性，使鋼水的對流被減弱，與對流有關(guān)的A型偏析受到限制，不易形成A偏析。同時，凝固部分與鋼液之間的兩相區(qū)被限定了發(fā)展。凝固前沿實際上是雜質(zhì)富集區(qū)，但它隨凝固的過程被平穩(wěn)地、均勻地推向鋼錠頂面，使凝固過程變成了一個自然精煉過程，而使頂面以下的本體中的化學(xué)成分均勻化，夾雜物得以細(xì)化和均勻化，從而提高鍛件的各種理化性能和質(zhì)量。

(4)恰當(dāng)?shù)腍/D和WB/WI是實現(xiàn)定向凝固的關(guān)鍵工藝參數(shù)。H/D反映的是軸向凝固距離和鍛造比例的參數(shù)。經(jīng)試驗和計算，H/D應(yīng)控制在0.6～0.9范圍。WB/WI反映的是冷卻強度。經(jīng)計算和試驗，WB/WI應(yīng)控制在1.4～1.8范圍。若定向凝固錠的噸位加大，則可考慮采用底盤的水冷強化模式[10]。

(5)定向凝固技術(shù)的經(jīng)濟性表現(xiàn)在保證質(zhì)量的前提下，成品鍛件的綜合金屬材料利用率提高35%以上，降低了能源消耗，節(jié)約工時30%以上。這對降低產(chǎn)品成本、提高企業(yè)的市場競爭力具有重要的意義。

致謝

大型儀器設(shè)備開放共享需要解決的問題 如何增進師生共享意識，提高協(xié)作共用？如何協(xié)調(diào)科研資源，為教學(xué)、科研與社會多方服務(wù)？如何保證共享實驗的規(guī)范管理與操作安全？這些都是大型儀器設(shè)備開放共享需要解決的問題。

經(jīng)過前后十七年的時間，定向凝固技術(shù)研究工作能夠堅持到最后實在是一個艱難的事情。作者衷心感謝在此過程中始終支持和幫助這一項目的所有的老師和同志們，尤其是王玉久高工、王伏舜高工、王太甲高工、宋清良高工、馬平高工、白麗萍高工。

作者還要感謝清華大學(xué)的機械工程學(xué)院的合作與幫助，在共同合作過程中開發(fā)出來的專門用于定向凝固鋼錠溫度場計算和疏松、A型偏析預(yù)測的軟件包USINS對分析和研究起到了決定性的作用。

[1] 大型鑄鍛件研究所.大型鑄鍛件行業(yè)“十五”發(fā)展規(guī)劃.2000.

[2] 陳曉慈.重大技術(shù)裝備的極限制造技術(shù).2004.

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[10] 陳曉慈.鋼錠定向凝固裝置.專利號：ZL.93.238966.X.