微包浇注大型铸锭研究及柱状晶-等轴晶三相模型构建

The serious macrosegregation and grain size inhomogeneity in large ingots are unavoidable by conventional cast method. In this project, a new cast method which is based on the different-concentration multi-ladle pouring technology is proposed in order to improve the quality of large ingots. In this method, the amount of liquid metal solidified at one time is decreased. The solidified liquid metal layers accumulate successively and compose a large ingot. The liquid metal flow state is controlled and the cooling rate of the later solidified region is increased by adjusting the amount of liquid metal, the composition and the time interval for each pouring. Consequently, the degree of macrosegregation will be decreased, and both the grain size and morphology will become more homogeneous. A dendritic columnar-equiaxed mixed model which couples both the micro and macro solidification phenomena will be established. The amount of liquid metal, the composition, the time interval for each pouring and other experimental parameters will be optimized by numerical simulation. The macrosegregation, grain size and grain morphology distributions can be predicted by numerical simulation. This project can 1) reveal the relationship between the macrosegregation of the target large ingots and the amount of liquid metal, the composition and the time interval for each pouring in the multi-ladle pouring processing; 2) achieve the multi-ladle pouring procedure which is based on the weight and quality requirement of the target ingot; 3) provide both theoretic and technical fundamentals for high quality cast of large ingot.

按照传统的铸造模式，大型铸锭中严重的成分偏析和晶粒尺寸差异是不可避免的。为了提高大型铸锭的品质，本项目提出一种基于成分差异微包浇注的大型铸锭浇注方法。该方法通过减少单次参与凝固的金属液的量，逐次使各次凝固的金属堆积在一起形成大型铸锭，通过调整单包浇注量、成分以及浇注间隔时间，控制金属液的流动状态、提高后凝固区域的冷却速度，从而降低宏观偏析、提高晶粒尺寸与形态的均匀性。构建考虑枝晶的柱状晶-等轴晶三相模型，耦合凝固过程的微、宏观现象；通过数值模拟优化单包浇注量、成分和浇注时间间隔等实验参数，获得偏析形态和晶粒分布图像；将微包浇注模拟、实验结合并与大型铸锭生产数据进行相互优化，揭示大型铸锭微包浇注过程中目标铸锭的成分偏析控制与单包浇注量、成分以及浇注间隔时间的关系，实现基于目标铸锭重量和品质要求信息的微包浇注程序，为大型铸锭的高品质铸造提供理论和技术基础。

基于 Eulerian-Eulerian方法, 建立了考虑枝晶结构的等轴晶、柱状晶以及金属液三相完全混合的凝固模型。模型考虑了等轴晶的异质形核、移动以及柱状晶对等轴晶的捕获，模型跟踪了柱状晶尖端的位置并考虑了等轴晶和柱状晶的相互竞争生长，因此该模型具备了预测柱状晶向等轴晶转变的能力。模型成功用于100吨级以上大型铸锭，模拟预测结果和实验测量结果接近，并成功预测了A型偏析。结果建议，为了确保模型的准确性，应在模型中考虑等轴晶的枝晶结构。. 采用传统的铸造模式，大型铸锭中严重的成分偏析和晶粒尺寸差异是不可避免的。为了提高大型铸锭的品质，本项目提出了一种可降低铸锭宏观偏析的铸造工艺：微包浇注。将铸锭分为数个甚至数十个浇包逐次间隔浇注，使每包次浇入的金属液依次、逐层凝固，从而达到降低铸锭中宏观偏析的目的。采用微包浇注工艺制备3.0Ni2Cr4MoV 钢以及Al-4.0%Cu小铸锭。实验结果表明：采用传统铸造工艺制备的铸锭出现明显的宏观偏析，包括铸锭底部严重的负偏析和顶部正偏析；而采用微包浇注工艺制备的铸锭没有出现大范围严重的宏观偏析，铸锭中心线上最小负偏析和最大正偏析分别降低了 24.6%和 77.2%，说明微包浇注工艺可一定程度改善铸锭宏观偏析。另外，实验结果也表明微包浇注工艺可以大大降低晶粒尺寸差异，促进铸锭的均质化水平。. 同时，采用所建凝固模型对 100和 13 t钢锭的传统铸造工艺以及微包浇注工艺的宏观偏析的形成进行数值模拟预测。模拟结果表明：采用微包浇注工艺可有效改善大型钢锭中的宏观偏析，并且随着钢锭尺寸的增大，该工艺对宏观偏析的改善效果愈加明显。并对微包浇注工艺抑制宏观偏析的作用机理进行了分析。. 采用数值模拟手段对大型铸锭微包浇注过程中目标铸锭的成分偏析控制与浇注工艺的关系进行系统研究，建立了基于目标铸锭重量和品质要求信息的微包浇注数学模型，并开发数字化设计平台，初步实现了微包浇注工艺方案的自动化设计。本项目的成果为大型铸锭的高品质铸造提供理论和技术基础。