陳曉慈

(中國(guó)第二重型機(jī)械集團(tuán)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(duì)大型鍛件的需求與日俱增，對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)揭示鋼錠偏析形成機(jī)理，改進(jìn)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(wú)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(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)這些缺陷形成機(jī)理的研究與探索推動(dòng)了凝固理論的發(fā)展。而定性與定量地分析鋼錠的凝固過(guò)程，則涉及到“三傳”和“三場(chǎng)”等前沿學(xué)科的理論。對(duì)凝固過(guò)程中正、負(fù)偏析及縮松形成機(jī)理的研究也是一個(gè)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(yàn)及生產(chǎn)實(shí)踐中認(rèn)識(shí)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(duì)A偏析的認(rèn)識(shí)：A偏析是在凝固過(guò)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(jìn)速度超過(guò)凝固前沿的推進(jìn)速度造成的。日本學(xué)者鈴木(Suzuki)等人甚至利用實(shí)驗(yàn)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(duì)V偏析及縮松的認(rèn)識(shí)：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(gè)加速凝固的過(guò)程，而此時(shí)又得不到足夠的補(bǔ)縮量，因此形成了縮松。同時(shí)，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(duì)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(jì)算時(shí)假定t=0時(shí)鋼水瞬時(shí)充滿，并且保持靜止。這種假設(shè)是基于在實(shí)際鋼錠的澆注中，澆注流動(dòng)能引起的對(duì)流運(yùn)動(dòng)在澆注結(jié)束后不久幾乎消失。相對(duì)于鋼錠很長(zhǎng)的凝固時(shí)間來(lái)說(shuō)，這種注流動(dòng)能引起的對(duì)流可以忽略。A錠凝固開始后5個(gè)典型時(shí)刻的計(jì)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(lái)的歷程，我相信，自豪感會(huì)充斥在每一個(gè)人的心中。而面對(duì)未來(lái)，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(qiáng)的光榮使命，站在新的轉(zhuǎn)折點(diǎn)上，很多企業(yè)都積極進(jìn)行技術(shù)改革創(chuàng)新，抓住時(shí)代機(jī)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(guò)人為控制鋼錠在凝固過(guò)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(guò)程是一個(gè)自然的精煉過(guò)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(gè)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(guò)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(duì)流被減弱，使與對(duì)流有關(guān)的A型偏析受到限制。凝固前沿實(shí)際上是雜質(zhì)富集區(qū)，但它隨凝固的進(jìn)行被平穩(wěn)地、均勻地推向鋼錠頂面(不是頂部)，然后通過(guò)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(chǎng)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(guò)選擇有效的保溫材料來(lái)代替冒口的補(bǔ)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(jī)車輪對(duì)具有輪徑尺寸大、種類多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)。機(jī)車檢修運(yùn)用部門所儲(chǔ)存的機(jī)車輪對(duì)絕大部分放置在地面或鋼軌上。當(dāng)儲(chǔ)存的機(jī)車備用輪對(duì)數(shù)量較多時(shí)，因占地面積大，擠占大量生產(chǎn)作業(yè)空間，對(duì)生產(chǎn)單位現(xiàn)場(chǎng)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(jì)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(jìn)入墻體安裝過(guò)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(chǎng)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(diǎn)Tm=1 510℃。

數(shù)字化轉(zhuǎn)型也打破了價(jià)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(shí)，產(chǎn)業(yè)鏈的界限在數(shù)字化的過(guò)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(dòng)汽車出現(xiàn)在能源行業(yè)的幾條價(jià)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(gè)凝固過(guò)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(shí)間、頭痛發(fā)作頻次。頭痛程度分級(jí)：重度頭痛需要臥床休息為3級(jí)，中度頭痛而不能勞作為2級(jí)，輕度頭痛而不影響勞作為1級(jí)，無(wú)頭痛發(fā)作為0級(jí)。

QB=WB[CP△TB]

(5)

假設(shè)在凝固過(guò)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(píng)價(jià)教學(xué)過(guò)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(gè)案到共性，學(xué)生通過(guò)比較、抽象、歸納、總結(jié)等科學(xué)思維活動(dòng)，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(jì)算得到：WB/WI= 1.4～1.8。

3 解剖試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件及參數(shù)

在正式實(shí)施工藝試驗(yàn)之前，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的溫度場(chǎng)和凝固過(guò)程進(jìn)行了模擬，其邊界條件完全按真實(shí)情況進(jìn)行設(shè)定，并且有針對(duì)性地對(duì)兩個(gè)特定點(diǎn)進(jìn)行了溫度變化模擬計(jì)算，以便于與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較。

圖4是根據(jù)有限元法模擬的凝固過(guò)程。它表明整個(gè)系統(tǒng)的凝固要560 min才能完全結(jié)束(相同級(jí)別的普通鋼錠僅在180 min就完全凝固了)，這一點(diǎn)非常重要，對(duì)于確定脫模時(shí)間起決定作用。后來(lái)的探針實(shí)驗(yàn)證實(shí)了定向凝固錠的凝固時(shí)間較長(zhǎng)的事實(shí)。

特定測(cè)試點(diǎn)202、253如圖5所示。通過(guò)模擬，它反應(yīng)出了鋼錠凝固過(guò)程中鋼錠本體和冷凝板的溫度變化，在實(shí)測(cè)中也得到了證實(shí)，二者趨勢(shì)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(duì)鋼錠進(jìn)行了解剖對(duì)比試驗(yàn)。

從A、B兩錠的氧化物總量來(lái)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(yàn)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(guò)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(guò)機(jī)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(jī)械加工成厚約30 mm的試片。試片作硫印、酸洗檢驗(yàn)后，取樣進(jìn)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(guò)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(shuō)明A鋼錠的組織比較致密。同時(shí)A、B兩錠底部均未發(fā)現(xiàn)有沉積錐。因?yàn)殇撳V的結(jié)晶方向主要是從鋼錠的底部向上進(jìn)行，鋼錠在凝固過(guò)程中不會(huì)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(guò)程圖 圖5 測(cè)試點(diǎn)

圖6 模擬和測(cè)試結(jié)果對(duì)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(jìn)行，“A”型偏析向鋼錠的中心部位移動(dòng)，而不容易向上推移，這對(duì)鍛件質(zhì)量而言是不利的。因?yàn)樵诤竺婀ば蛑形挥谛牟康钠霾灰妆磺宄簟?/p>

(a)周邊有保溫材料 (b)周邊無(wú)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(wú)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(shí)，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(jìn)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(duì)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(shí)驗(yàn)時(shí)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(jìn)一步說(shuō)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(shì)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(shuō)明側(cè)壁和頂部有保溫措施時(shí)，凝固過(guò)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(guò)程的遞進(jìn)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(duì)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(shí)使用高碳保護(hù)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(hù)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(shì)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(guò)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(guò)程中有足夠的吸熱能力。在整個(gè)凝固過(guò)程中鋼錠與冷板有足夠的溫度梯度△T≥500℃。冷板不能無(wú)限大，在滿足前兩條件后盡量小，以減少投資。

在試驗(yàn)中，我們僅對(duì)錠模周邊的材料進(jìn)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(duì)以上防雷措施，小區(qū)將選用HY5WS型避雷器，特點(diǎn)是小巧輕便、機(jī)械強(qiáng)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(guò)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(shí)(圖17)未凝固區(qū)均處于固液相區(qū)，流動(dòng)及弧度變?yōu)槿苜|(zhì)對(duì)流，Cmin和Cmax都有所提高，濃度差(Cmax-Cmin)卻擴(kuò)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(lái)。

5 A偏析數(shù)值模擬

為了對(duì)試驗(yàn)解剖的定向凝固錠進(jìn)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(huì)計(jì)準(zhǔn)則》已將企業(yè)的研發(fā)活動(dòng)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(duì)企業(yè)無(wú)形資產(chǎn)研發(fā)進(jìn)行管理。[15]對(duì)此，建議有關(guān)部門盡快制定相關(guān)細(xì)則，對(duì)準(zhǔn)則規(guī)定的兩個(gè)階段做出具體闡述，并明確如何劃分無(wú)形資產(chǎn)研發(fā)支出的資本化和費(fèi)用化，將這些規(guī)定法律化、制度化，以更好地對(duì)企業(yè)進(jìn)行規(guī)范管理。

根據(jù)A偏析形成的臨界條件式計(jì)算，獲得如圖12描述的計(jì)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(diǎn)與錠型間的距離WA及該區(qū)域中最低點(diǎn)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(jì)算結(jié)果及與實(shí)驗(yàn)值的比較見表4。

圖像分割是一個(gè)具有較高要求的并且有著十分廣泛的應(yīng)用，許多年來(lái)多數(shù)的研究人員從以上的幾個(gè)方面對(duì)圖像進(jìn)行分割，并且積極的與其它學(xué)科的知識(shí)相結(jié)合對(duì)圖像分割進(jìn)行嘗試，比如創(chuàng)建起積分幾何、運(yùn)用隨機(jī)理論、采用恍惚理念和時(shí)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(gè)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(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值較為接近，而縱向的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值有一定差距。但是，計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的趨勢(shì)是完全符合的，A錠優(yōu)于B錠，均為WAA

從計(jì)算和實(shí)驗(yàn)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(shí)，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(shí)，情況則相反，A偏析容易靠近側(cè)壁形成。因此強(qiáng)化底板的冷凝強(qiáng)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(jì)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(duì)溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)、速度場(chǎng)以及固相率進(jìn)行計(jì)算，并與實(shí)測(cè)值進(jìn)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(jì)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(jì)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(hào)0106011016021026031036夾雜數(shù)量A錠試樣號(hào)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(jì)算值與實(shí)測(cè)值的比較

圖14 冷卻開始后60 s時(shí)的情形Figure 14 Situation in 60s after beginning cooling

圖15 冷卻開始后1 320 s時(shí)的情形Figure 15 154 Situation in 1 320s after beginning cooling

從數(shù)值計(jì)算結(jié)果看出，在凝固開始后60 s時(shí)(圖14)，由于側(cè)壁保溫較好，沒有徑向的枝晶生長(zhǎng)，而在底部則形成了一層凝固殼。此時(shí)液相中的流動(dòng)來(lái)自于溫度梯度的驅(qū)動(dòng)力(這種流動(dòng)又叫做熱對(duì)流)。除在靠近側(cè)壁處流動(dòng)較為激烈外，總體來(lái)講呈現(xiàn)出一個(gè)順時(shí)針的單渦。此時(shí)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(jìn)行到1 320 s時(shí)(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(shí)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(duì)流(又稱作溶質(zhì)對(duì)流)，其流向?yàn)槟鏁r(shí)針。在靠近軸線附近也形成一個(gè)溶質(zhì)對(duì)流區(qū)，它與熱對(duì)流區(qū)形成界面。這就是雙擴(kuò)散對(duì)流現(xiàn)象[11]。正是通過(guò)這個(gè)界面固液相區(qū)的高濃度溶質(zhì)進(jìn)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(jìn)，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(jìn)行到3150 s時(shí)(圖16)，固液相區(qū)占據(jù)了大部分區(qū)域，溶質(zhì)對(duì)流占主導(dǎo)地位，液相區(qū)濃度進(jìn)一步增加，這段時(shí)間內(nèi)凝固前沿的推進(jìn)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(dòng)十分微弱，由于頂部存在散熱，最后凝固點(diǎn)不是在頂面，而是在頂面的下方，此時(shí)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(shí)了定向凝固過(guò)程是一個(gè)自然精煉過(guò)程。但是，這種自然精煉效果取決于對(duì)凝固速度和縱向凝固距離的控制，即對(duì)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(duì)試驗(yàn)的影響，在平爐、大小電爐、鋼包精煉爐上都進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明各種理化性能與設(shè)備的選擇無(wú)直接關(guān)系，這項(xiàng)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?cè)瑺t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(guò)程中為探測(cè)鋼錠凝固程度而熔入一根鐵絲，造成鍛件檢測(cè)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(bào)廢[12]。這說(shuō)明在同種冶煉設(shè)備情況下，定向凝固鋼錠的質(zhì)量?jī)?yōu)于普通鋼錠。表5是在不同冶煉爐上的應(yīng)用實(shí)例。圖19是鍛造工藝比較。

圖16 冷卻開始后3 150 s時(shí)的情形Figure 16 Situation in 3 150 s after beginning cooling

圖17 冷卻開始后6 390 s時(shí)的情形Figure 17 Situation in 6 390 s after beginning cooling

圖18 冷卻開始后13 730 s時(shí)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(guò)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(gè)火次以上，在工時(shí)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(shí)僅為傳統(tǒng)工藝的1/3。從理化檢驗(yàn)結(jié)果看，夾雜物、晶粒度、力學(xué)性能、無(wú)損檢測(cè)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(shí)例

注:A鋼為15CrMo; B鋼為16Mn。

8 結(jié)論

(1)鋼錠在凝固過(guò)程中在液相區(qū)與液固相區(qū)之間存在雙擴(kuò)散現(xiàn)象，使液相區(qū)和固液相區(qū)中的流動(dòng)對(duì)凝固過(guò)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(guò)這個(gè)液相區(qū)與液固相區(qū)之間的雙擴(kuò)散界面，固液相區(qū)的高濃度溶質(zhì)進(jìn)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(jìn)，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(yàn)證，從計(jì)算結(jié)果可以看出，計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的趨勢(shì)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(guò)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(duì)流被減弱，與對(duì)流有關(guān)的A型偏析受到限制，不易形成A偏析。同時(shí)，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(shí)際上是雜質(zhì)富集區(qū)，但它隨凝固的過(guò)程被平穩(wěn)地、均勻地推向鋼錠頂面，使凝固過(guò)程變成了一個(gè)自然精煉過(guò)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(shí)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(yàn)和計(jì)算，H/D應(yīng)控制在0.6～0.9范圍。WB/WI反映的是冷卻強(qiáng)度。經(jīng)計(jì)算和試驗(yàn)，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(qiáng)化模式[10]。

(5)定向凝固技術(shù)的經(jīng)濟(jì)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(shí)30%以上。這對(duì)降低產(chǎn)品成本、提高企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(jìn)師生共享意識(shí)，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(huì)多方服務(wù)？如何保證共享實(shí)驗(yàn)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(guò)前后十七年的時(shí)間，定向凝固技術(shù)研究工作能夠堅(jiān)持到最后實(shí)在是一個(gè)艱難的事情。作者衷心感謝在此過(guò)程中始終支持和幫助這一項(xiàng)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(jī)械工程學(xué)院的合作與幫助，在共同合作過(guò)程中開發(fā)出來(lái)的專門用于定向凝固鋼錠溫度場(chǎng)計(jì)算和疏松、A型偏析預(yù)測(cè)的軟件包USINS對(duì)分析和研究起到了決定性的作用。

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