高氮鋼凝固過程中氮的偏析和析出行為研究.pdf

1、高氮鋼是近年來隨著冶金科技的進(jìn)步而出現(xiàn)的一種新型工程材料。高氮鋼具有優(yōu)異的力學(xué)性能、良好的耐腐蝕性能,因而受到國內(nèi)外的廣泛重視。對(duì)于高氮不銹鋼的熔煉工藝而言,除了保證氮進(jìn)入不銹鋼熔體外,還必須保證氮在其凝固過程中固溶在合金體系中,避免偏析和形成氣孔。氮含量較高的不銹鋼在凝固過程中容易發(fā)生氮的偏析和析出,導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)氣孔而報(bào)廢,已經(jīng)成為影響高氮鋼產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的嚴(yán)重制約因素,因而對(duì)于高氮鋼凝固過程中偏析和析出行為的理論研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意

2、義。
　　 東北大學(xué)電冶金實(shí)驗(yàn)室在真空感應(yīng)爐內(nèi)冶煉的高氮鋼的N含量已經(jīng)能夠達(dá)到1.0以上,但是冶煉出的鋼錠往往偏析和析出現(xiàn)象嚴(yán)重,有較多的氣孔產(chǎn)生,需要經(jīng)過電渣重熔工藝才能得到合格的鋼錠,這樣大大提高了成本,而且生產(chǎn)周期變長,不利于高氮鋼的產(chǎn)業(yè)化,為此電冶金實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了加壓感應(yīng)爐和加壓電渣爐等加壓冶金設(shè)備來生產(chǎn)高氮鋼,但生產(chǎn)工藝還處于摸索階段,需要完備成熟的理論體系進(jìn)行支撐。
　　 本課題利用Pro Engineer軟件

3、和PROCAST軟件作為工具,分別對(duì)20千克小鋼錠和1.7噸大鋼錠進(jìn)行了澆注過程和凝固過程的模擬,得到了流場、溫度場、壓力場等的動(dòng)態(tài)變化過程。凝固數(shù)值模擬技術(shù)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)能夠可視化的顯示鑄造全過程,對(duì)凝固缺陷,凝固時(shí)間,缺陷位置等進(jìn)行估測,能夠利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行預(yù)牛產(chǎn),避免工藝設(shè)計(jì)的盲目性,縮短新工藝的設(shè)計(jì)周期和設(shè)計(jì)成本,提高新產(chǎn)品開發(fā)效率。結(jié)合PROCAST數(shù)值模擬結(jié)果,分析了澆注溫度、凝固壓強(qiáng)、凝固速度因素對(duì)凝固過程的影響。
　

4、　 通過分析凝固過程中偏析的因?yàn)楹鸵簯B(tài)金屬對(duì)流產(chǎn)生的因?yàn)?討論了合金成分、氮含量、氮分壓以及凝固條件等因素對(duì)氮偏析的影響規(guī)律。根據(jù)枝晶間液態(tài)金屬流動(dòng)時(shí)的質(zhì)量守恒和溶質(zhì)守恒,使用區(qū)域宏觀偏析預(yù)測數(shù)學(xué)模型()g1/()C1=-(1-K/1-β)(1+v()T/ε)g1/C1對(duì)加壓感應(yīng)爐冶煉的20千克小鋼錠和文獻(xiàn)中報(bào)道的1.7噸大鋼錠宏觀偏析程度進(jìn)行了預(yù)測,預(yù)測結(jié)果顯示20千克小鋼錠幾乎沒有宏觀偏析,1.7噸大鋼錠宏觀偏析現(xiàn)象明顯,這與實(shí)驗(yàn)

5、檢測結(jié)果一致。
　　 通過分析鋼液吸氮,析氮的過程和影響因素,得到了氣泡形成和長大的條件,并結(jié)合氮在液相和固相中的溶解度公式,建立了高氮鋼中氮析出的控制方程,通過MATLAB數(shù)值運(yùn)算程序,計(jì)算得到高氮鋼凝固過程中防止氣泡析出所需的最小凝固壓強(qiáng)。冶煉實(shí)驗(yàn)表明在加壓感應(yīng)爐內(nèi)冶煉高氮鋼時(shí),由于凝固壓強(qiáng)高于最小凝固壓強(qiáng),冶煉出的鋼錠沒有氣泡析出；而在真空感應(yīng)爐內(nèi)冶煉高氮鋼時(shí),由于凝固壓強(qiáng)低于最小凝固壓強(qiáng),X射線探傷結(jié)果表明鋼錠有大量氣泡