大断面铸锭凝固过程中的径向自补缩机制研究

Central shrinkage cavity is one of the major defects in the large ingot, and fundamentally eliminating it is always a problem in the casting field. In general, the common method to resalve this defect is to feed by riser in the direction of gravity. However, for the ingot with large height-to-diameter ratio, narrow and long feeding channel increases the flow resistance of the liquid metal in riser in the late solidification, it is difficult to achieve long-range feeding to remove the central shrinkage cavity, and the effect of gravitional feeding is limited. Therefore, the penetrated shrinkage in axis is frequently produced in the continuous casting ingot with large height-to-diameter ratio and cross-section. In this study, the radial self-feeding mechanism is proposed based on the method used in industrial experiment which eliminate the axial shrinkage cavity of large section continuous casting ingot. The radial self-feeding process of the continuous casting ingot with large height-to-diameter ratio and wide cross-section will be simulated using finite element method or finite difference method，and the temperature field and the stress field of ingot in the solidification process will be studied，and the relationship between equivalent stress，plastic deformation and material strength will be analyzed，and the radial self-feeding mechanism will be explored and then verified in the industrial production. This study breaking through the traditional idea of feeding, proposes the radial self-feeding method, and opens up new avenues for the development of prototype technology and the preparation of large cross-section, high-quality compact ingot without central shrinkage cavity.

轴线缩孔疏松是大型铸锭内部的主要缺陷之一，从根本上消除缩孔疏松缺陷一直是铸造领域的难题。一般而言，消除缩孔疏松的方法为采用冒口进行重力方向补缩。而对于大高径比的铸锭，凝固后期补缩通道狭长，冒口中液态金属的流动阻力加大，仅凭钢水静压力难以实现长程补缩，轴向重力补缩效果微乎其微。因此大高径比、大断面连铸钢锭，常产生轴线贯通性缩孔。本研究在消除大断面连铸钢锭轴线缩孔疏松的工业化实验基础上，提出垂直于重力方向的径向自补缩机制；采用有限元或有限差分方法对大断面、大高径比连铸钢锭凝固时的径向自补缩过程进行模拟，研究铸锭凝固过程中的温度场和应力场，分析等效应力、塑性变形与材料强度之间的关系，探索径向自补缩的机理，进而在生产实践中进行工业化验证。本研究突破传统补缩思路，提出了径向自补缩方法，为开发原型技术，制备无轴线缩孔疏松的大断面和超大断面高质量致密铸锭开辟新途径。

连铸坯料由于高径比大，凝固后期会在铸件中心形成狭长的补缩通道，导致冒口中金属液的流动阻力加大，仅凭钢水静压力难以实现长程补缩，液态补缩效果微乎其微，从而造成连铸钢锭/钢坯产生中心缩孔疏松缺陷。鉴于传统的液态补缩机制不能解决此类缺陷，本基金根据连铸坯料高径比大的特点，创新地提出固态补缩机制，并系统研究了固态补缩的机理，揭示了固态补缩机制在金属凝固过程中对缩孔疏松的影响规律，进而提出了自补缩工艺方法。通过实验验证，最后运用该工艺方法解决了工业生产中直径Φ800-900mm的大断面立式连铸钢锭中心轴线缩孔疏松缺陷。主要研究内容以及结论有：.（1）定义了固态补缩的概念，即铸件先凝固的高温固相在凝固静水拉力的作用下，向铸件内部发生塑性变形，以补充金属液的凝固收缩。铸件发生固态补缩的驱动力为金属液静水拉力，静水拉力与铸件液态补缩通道的半径相关，随着补缩通道半径的减小，静水拉力急剧增加。在此基础上，阐明了铸件发生固态补缩的条件，即静水拉力上升到固相发生屈服变形所需拉力的临界值。.（2）通过分析金属液中应力的变化情况以及固态补缩与内孔形核长大的互相作用，得到了影响铸件固态补缩能力的三种因素：1）与金属液中气体溶质含量相关的气体析出压力；2）与金属液内部原子结合力相关的液体破裂压力；3）先凝固固相向铸件内部发生屈服变形所需临界拉力。在此基础上，提出了增强铸件固态补缩能力的方法：1）减小气体析出压力；2）增大液体破裂压力；3）减小临界拉力。.（3）运用弹塑性力学的基本知识，推导了临界拉力的表达式。并由表达式得到了减小临界拉力增强固态补缩能力的两种方式：1）提高先凝固固相的温度，减小固相屈服极限值；2）拓宽铸件在凝固过程中的糊状区区域。提出了“降低铸件在凝固过程中的温度梯度，增加铸件固态补缩能力，来改善大高径比铸件的缩孔疏松缺陷”的工艺方法。.（4）采用X射线断层扫面设备测量了大高径比A356合金铸件在不同模具温度下凝固的缩孔疏松缺陷。验证了“降低温度梯度，增加固态补缩能力”的工艺方法是解决大高径比铸件缩孔疏松缺陷的有效方式。.（5）针对实际工业生产中的直径Φ800-900mm的立式连铸钢锭缩孔疏松缺陷，基于固态补缩机制，提出了“保温缓冷，同时凝固”的解决方法。最终工业实验结果表明，大断面铸坯的中心缩孔疏松缺陷得到消除，疏松级别达到1级，实现了大断面大高径比铸坯的固态补缩。