过热度对轴承钢连铸方坯内部质量的影响研究

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轴承钢，主要被用来生产滚动轴承的套圈、滚动体等，由于其含碳量高，使得凝固过程中固液界面前沿糊状区的范围大，导致钢液渗透率的增加，易偏析元素向中心富集，使得其凝固后中心偏析等内部质量问题严重。这些内部缺陷的产生，严重限制了轴承钢的应用范围与使用寿命。因此，通过改进轴承钢的生产工艺来提高其内部质量显得尤为重要。在连铸过程中，合理的过热度可以减少中心偏析的发生。为了保证连铸过程顺利进行并保证产品质量，钢液过热度必须准确控制。
　　本研究以不同过热度下（20℃、25℃、35℃）国内某钢厂浇铸的 GCr15连铸方坯为研究对象，来探讨过热度对其内部质量的影响。首先测量各试样的等轴晶率，发现GCr15连铸方坯等轴晶率随过热度的降低而增加。为了减小不同等轴晶率造成的影响，在GCr15连铸方坯横断面的中心位置选取了30mm×30mm区域作为中心等轴晶区域，用该区域的质量来反映其内部质量。在此基础上，引入了偏析率、大型偏析点面积等指标来衡量中心等轴晶区域的质量，同时测量了中心等轴晶区SDAS。并发现不同过热度下，GCr15连铸方坯的偏析率、大型偏析点面积与中心等轴晶区 SDAS均在过热度为25℃时取得最小值。表明过热度25℃时，GCr15连铸方坯中心等轴晶区域质量优于过热度为20℃与35℃时GCr15连铸方坯中心等轴晶区域的质量。最后，为了解释该现象，利用ANSYS模拟软件，求解出了不同过热度下GCr15连铸方坯凝固过程的温度场，进而求出其中心凝固时间tMcentre、前期凝固时间tMearlier与后期凝固时间tMlater。发现，中心等轴晶区SDAS随后期凝固时间tMlater而非中心凝固时间tMcentre的缩短而减小，即用中心凝固时间tMcentre来表征中心等轴晶区SDAS存在一定的误差，主要在于中心凝固时间tMcentre的前半程即前期凝固时间tMearlier存在一定的失效性：由于碳元素在中心处富集和对流的存在，钢液温度降至液相线以下的某段时间内钢液中并未出现二次分枝，这段无效的时间包含在前期凝固时间 tMearlier里。同时表明后期凝固时间的缩短可以提高GCr15连铸方坯中心等轴晶区域的质量。在对GCr15连铸方坯分析的基础上，在实验室条件下开展热态模拟实验，来研究过热度及相关凝固条件对实验钢样质量的影响，为实际浇铸过程中过热度的选取及连铸过程工艺的优化提供一定的参考。实验过程中，设置一个基准试样，该试样由加热温度降到固相线温度各阶段冷却速度参照 GCr15连铸方坯中心位置凝固过程温度场变化制定，在此基础上改变加热温度和降温凝固过程各阶段的冷却速度来研究凝固条件对各试样凝固组织的影响。发现，在过热度消除阶段和前期凝固阶段增加冷却速度，可以使得凝固组织形貌由胞状晶转为树枝晶，只增加后期凝固阶段的冷却速度，试样凝固组织基本保持了基准试样的形貌，以胞状晶为主；各试样加热温度相同时，增加前期凝固阶段与后期凝固阶段冷却速度均可以提高试样凝固组织的致密性，但增加前期凝固阶段冷却速度效果更加明显，考虑到热态模拟实验与实际浇铸过程的区别，进一步证明了前期凝固时间tMearlier来表征其内部质量质量失效性的解释的正确性；各试样降温凝固过程全程（钢液由浇铸温度降到固相线温度的过程）冷却速度相同时，降低加热温度可以提高试样凝固组织的致密性。根据热态模拟实验的结果，推广到实际浇铸过程中，则表明当浇注过程中的钢液不是最佳的浇注温度时，可以通过增大降温凝固过程各阶段的冷却速度来提高连铸坯的质量。

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作者
王伟;
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作者单位

重庆大学;

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授予单位重庆大学;
学科冶金工程
授予学位硕士
导师姓名侯自兵;
年度 2017
页码
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原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类方坯连铸;钢锭结晶与结构;
关键词
轴承钢铸锭; 方坯连铸; 中心偏析; 热度控制;

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