高合金不锈轴承钢真空自耗熔炼数值模拟优化.pdf
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1、DOI:10.13228ssn1006-9356.20230249September20232023年9 月China Metallurgy中国冶金Vol.33,No.9,p35-42,62第3 3 卷第9 期高合金不锈轴承钢真空自耗熔炼数值模拟优化王杨,马党参,木杨卯生,李京社,木杨树峰3(1.钢铁研究总院有限公司特殊钢研究院,北京1 0 0 0 8 1;2.北京科技大学冶治金与生态工程学院,北京1 0 0 0 8 3;3.北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室,北京1 0 0 0 8 3)摘要:为得到成分更均匀、更洁净的高合金不锈轴承钢产品,借助数值模拟的方法对某厂高合金不锈轴承钢真空自
2、耗熔炼工艺展开优化研究。利用仿真软件MeltFlow-VAR从熔炼速率、熔池温度、冷却水温度对夹杂物粒子的分布影响等方面对真空自耗熔炼过程进行数值计算。结果表明,随着熔炼速率的升高,最大熔池深度增加,熔炼速率应大于3.0 kg/min为宜,结合枝晶间距和晶粒结构等结果考虑,得出最佳熔炼速率为3.5kg/min;随着熔池温度的增加,最大熔池深度先增加后减小,当熔池温度为1 6 0 0 时,熔池深度达到最大,熔池弧度曲线呈现饱满的碗形。通过数值计算预测了不同冷却水温度下铸锭内部夹杂物粒子的分布规律,工业试验验证了数值计算结果的准确性,得出最佳冷却水温度为2 5。研究结果对高合金不锈轴承钢生产具有一
3、定指导意义。关键词:轴承钢;数值模拟;真空自耗熔炼;夹杂物;熔池形状文献标志码:A文章编号:1 0 0 6-93 56(2 0 2 3)0 9-0 0 3 5-0 8Numerical simulation of vacuum consumable arc meltingoptimization for high alloy stainless bearing steelWANG Yang,M A D a n g s h e n ,Y A NG M a o s h e n g ,LI Ji n g s h e,Y A NG S h u f e n g?(l.Special Steel Rese
4、arch Institute,Iron and Steel Research Institute Co.,Ltd.,Beijing 10008l,China;2.School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 1o0083,China;3.State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science andTechnology Beijing,Beijing 1000
5、83,China)Abstract:In order to obtain a more uniform and clean high alloy stainless bearing steel product,numerical simulationmethods were used to optimize the vacuum consumable arc melting process of a certain factorys high alloy stainlessbearing steel.Using simulation software MeltFlow-VAR,numerica
6、l calculations were conducted on the vacuum con-sumable arc melting process from the perspectives of melting rate,melt pool temperature,and effect of cooling wa-ter temperature on the distribution of inclusion particles.The results indicate that as the melting rate increases,themaximum depth of molt
7、en pool increases,and the melting rate should be greater than 3.O kg/min.Considering theresults of dendrite spacing and grain structure,the optimal melting rate is determined to be 3.5 kg/min.As thetemperature of molten pool increases,the maximum depth of molten pool first increases and then decreas
8、es.Whenthe temperature of molten pool is 1 60o C,the depth of molten pool reaches its maximum,and the arc curve of mol-ten pool shows full bowl shape.The distribution of inclusion particles inside the ingot under different cooling watertemperatures was predicted through numerical calculations,and in
9、dustrial experiments were conducted to verify it.The optimal cooling water temperature is found to be 25 C.The research results have certain guiding significancefor the production of high alloy stainless bearing steel.Key words:bearing steel;numerical simulation;vacuum consumable arc melting;inclusi
10、on;pool shape随着国民经济和军工的飞速发展,装备制造业的水平不断提高1。轴承与重大装备和主机产品的性能、质量、可靠性息息相关,被誉为装备制造的“心脏”部件2-5。经过多年的发展,轴承产业已经具备一定规模,但是到目前为止国内轴承行业仍然处于低端过剩、高端缺乏的阶段,与发达国家相比仍存在差距6-8 。其中航空航天领域对发动机用轴承的要求极其严格,需要其具有更高的可靠性和更强的性基金项目:国家自然科学基金资助项目(52 0 7 40 3 0,52 1 0 43 1 8)作者简介:王杨(1 98 8 一),男,博士,工程师;E-mail:ustb_;收稿日期:2 0 2 3-0 4-2 1
11、第3 3 卷中国冶金36能9-1 2 ,这对轴承制造材料轴承钢提出了新的要求和挑战。高合金不锈轴承钢以其耐高温、耐腐蚀、高强韧性等优良性能受到轴承钢研究者的广泛关注1 3-1 6 。深入研究并优化高合金不锈轴承钢生产工艺,以得到更均匀、更洁净的钢锭,具有重要的科学意义。近些年数值仿真技术飞速发展,被广泛应用在工程研究中,在优化工艺、提高产品质量等方面解决了很多传统试验无法解决的复杂性计算问题1 7-1 8 在轴承钢研究领域,数值仿真技术常被用来分析研究真空自耗冶炼过程的直流电磁场、流体流动、热量交换、相转变和合金元素分布等问题1 9-2 0 。借助计算机仿真技术能够对整个过程进行全面、准确和高
12、效的分析2 1-2 ,并预测熔池演化、热历史、合金元素分布、局部凝固时间、一次枝晶间距和二次枝晶间距以及所生产的铸锭中缺陷的形成概率。因此,越来越多的研究者2 3-2 8 1 正在借助数值模拟手段来优化现有真空自耗熔炼生产钛合金、高温合金和钢锭的工艺,得到化学成分更均匀和性能更好的钢锭,并使生产效率得到极大提升,同时还节省了大量成本。曲敬龙等2 9 总结了国内外真空自耗冶炼过程数值模拟的研究进展以及取得的科研成果,并指出真空自耗冶炼过程数值模拟的发展方向,即应在现有的模块基础上,着力开发夹杂物分布预测模块、元素偏析预测模块及“黑斑、白斑”预测模块等。BEAMANJ等3 0 探索建立并校核了不同
13、冶炼参数与金属熔池形貌变化及运动状态的对应关系,但也指出不同冶炼参数对金属熔池形貌变化及运动状态的影响不同,应基于工艺参数对熔池形貌具体分析。本研究采用有限元模拟软件Meltflow-VAR对高合金不锈轴承钢真空自耗熔炼过程进行数值模拟,从熔炼速率、熔池温度、冷却水温度以及夹杂物粒子的运动等几个方面对高合金不锈轴承钢真空自耗熔炼过程进行了系统研究。对高合金不锈轴承钢的生产工艺进行优化,基于数值模拟的计算结果确定最佳熔炼速率、熔池温度等。此外,还对高合金不锈轴承钢真空自耗熔炼铸锭内夹杂物的分布进行了探索性研究,通过工业试验验证了数值计算结果的可靠性,这对得到成分更均匀、更洁净的高合金不锈轴承钢具
14、有重要的指导意义。1数学模型1.1主要成分本研究对象为高合金不锈轴承钢,其主要成分见表1。图1 所示为高合金不锈轴承钢真空自耗熔炼炉示意图。表1 高合金不锈轴承钢成分(质量分数)Table 1Main components of high alloystainless bearing steel%CCoCrMoNiSP0.15121452.50.0020.00834581真空泵;2 电极;3 结晶器;4一熔池;5一铸锭;6 线圈;7 一冷却水;8 一气隙;9一电弧。图1 真空自耗电弧炉示意图Fig.1SSchematic diagram of vacuum consumableelectric
15、arcfurnace1.2物性参数本研究中高合金不锈轴承钢的热物性参数根据成分计算确定。依据表1 合金成分计算得出高合金不锈轴承钢的导热系数、密度、热恰及固相率,其随温度变化如图2 所示。导热系数在1 42 8 W/(m K)范围内,密度在6 90 0 8 1 50 kg/m范围内,热烩在0 1 50 0 kJ/kg范围内,固相率在0 1 范围内。1.3控制方程1)质量守恒方程3 1 为a(p0)a(pu,20(1)atay2)动量守恒方程3 2 为a(ov)+V.(ovv)=-Vp+Vt+b(2)at杨,等金不锈轴承钢真空自耗熔炼数值模拟优化高合第9 期3730(a)8200(b)28268
16、000(-X-U-M)/深洋吉2478002276002074001872001614700012680005001000150020000500100015002.000温度/温度/1600(c)(d)1.0140012000.810000.68006000.44000.22000.000500100015002.00012801320136014001.440温度/温度/(a)导热系数随温度的变化;(b)密度随温度的变化;(c)热随温度的变化;(d)固相率随温度的变化图2高合金不锈轴承钢物性参数随温度的变化Fig.2Variation of physical properties for
17、high alloy stainless bearing steel with temperature3)能量守恒方程3 3 为a(pc,T)+a(p0.c,T)a(pU.c,T)atay()d+S(3)a4)k-双方程3 4 为+)%+(C,fip-C,f)是+E(4)5)拉格朗日夹杂物轨迹方程3 5 为aup18u.CRe.(u+u)-up+atopd24g(p-p)(5)Pg式中:p为物质的密度,kg/m;t 为时间,s;U为方向流速分量,m/s;,为y方向的流速分量,m/s;v为速度矢量m/s;p为流动液体的压强,Pa;t为单位面积上的摩擦应力,Pa;b为体积力,N/m;c p 为定压
18、比热容,J/(k g K);T 为合金液的温度,K;k为动能,m/sS为源相,W/m;为流体的黏度,Pas;e为湍动能耗散率;u为涡流黏度,PaS;o:、Ce、Ce,为常数,分别取1.3、1.44、1.92;fl、f2为各相分数;E为修正项;up为夹杂物平均速度,m/s;pp为夹杂物的密度,kg/m;d 为夹杂物的当量直径,m;Cp 为曳力系数;Re为雷诺数;u为夹杂物为实际平均速率,m/s;u 为夹杂物瞬时速度,m/s;pg为液相密度,kg/m;;g 为重力加速度,m/s。2计算方案首先,设定熔池温度,在4个不同熔炼速率(2.5、3.0、3.5、4.0 k g/m i n)下进行数值仿真试验
19、,研究高合金不锈轴承钢生产最佳熔炼速率;然后,设定最佳熔炼速率,在3 个不同熔池温度(1 50 0、1600、1 7 0 0)下进行数值模拟试验,选定最佳熔炼温度;最后,依据选定的最佳熔炼速率和熔池温度,在4个不同冷却水温度(2 5、3 0、3 5、40)下进行夹杂物粒子运动行为的数值模拟试验。3结果与讨论3.1熔炼速率对熔池深度的影响熔池参数及其随熔炼速率变化曲线如图3 所示。图3(a)所示为真空自耗熔炼过程的熔池深度、边部贴合距离等参数的示意图。作为衡量熔池曲线的重要参数,在保证生产效率的基础上,边部贴合距离和熔第3 3 卷中国冶金38池深度越大,其对熔池曲线呈现“碗形”抛物线形状越有利。
20、熔池温度为1 50 0 时,计算不同熔炼速率的熔池形貌并统计熔池最大深度和边部贴合距离,得到图3(b)所示的熔池参数随熔炼速率变化的关系曲线。对比最大熔池深度和边部贴合距离,发现两者关系曲线均表现出随着熔炼速率的提高而上升的趋势,当熔炼速率达到3.0 kg/min后,熔池最大深度增加的趋势开始变得缓慢,基本保持在较为平稳的水平。与此同时可以看到,边部贴合距离呈现出随着熔炼速率增加而变大的趋势,结合熔池最大深度分析,熔炼速率应大于3.0 kg/min为宜。为了进一步确定最佳熔炼速率,接下来对枝晶间距进行分析计算。(a)(b)熔池最大深度0.20边部贴合距离0.15液相分数0.101.0090.8
21、0.70.050.682.53.03.54.0熔炼速率/(kg:min)0.1(a)熔池参数示意图;(b)熔池参数随熔炼速率变化曲线图3 熔池参数及其随熔炼速率变化曲线Fig.3Curve of molten pool parameters change with melting rate3.2熔炼速率对枝晶间距的影响对比相同凝固时间、不同熔炼速率下的铸锭一次、二次枝晶间距,结果如图4所示。一次枝晶间距如图4(a)(d)所示,随着熔炼速率的增加,铸锭总高度以及稳定熔炼时期的凝固高度均增加。与此同时,在熔炼后期补缩的液相穴体积逐渐增大,形貌由(a)0(b)0(c)O(d)一次枝晶间距/um100
22、09008007000.56000.55000.54000.53002001.01001.00-0.200.2-0.200.2-0.200.2-0.200.2R/mR/mR/mR/m(e)(f)(g)(h)二次枝晶间距/um000250225200175/0.51501250.51000.575501.02501.0-0.200.2-0.200.2-0.200.2-0.200.2R/mR/mR/mR/mR一铸锭半径。(a)、(e)2.5k g/m in;(b)、(f)3.0 k g/m in;(c)、(g)3.5k g/m in;(d),(h)4.0 kg/min图4不同熔炼速率的铸锭一次、二
23、次枝晶间距Fig.4Primary dendrite spacing and secondary dendrite spacing of ingots with different melting rates杨,等不锈轴承钢真空自耗熔炼数值模拟优化第9 期39初期的扁平状向“V”形过渡。补缩期的待凝固高温液相增多,将会造成温度梯度逐渐减小,进而造成一次枝晶晶粒粗大,枝晶间距增大而导致锭头微观组织质量降低。对不同熔炼速率下的二次枝晶间距进行计算,结果如图4(e)(h)所示。随着熔炼速率的增大,单位时间内熔池获得的总热量增加,凝固速度降低,而一次枝晶间距增大,二次枝晶自由生长使得二次枝晶间距同步增
24、大。与一次枝晶间距相似,在熔炼后期补缩的液相穴体积增大。为了进一步比较不同熔炼速率的影响,接下来对晶粒结构进行计算。3.3熔炼速率对晶粒结构的影响对比相同凝固时间、不同熔炼速率下的铸锭晶粒结构情况,结果如图5所示。由试验结果可知,4个熔炼速率条件下铸锭形成的晶粒结构均以等轴晶为主。在凝固过程中靠近埚位置的晶体为柱状晶区,该区域靠近冷却水,温度梯度最大,晶粒生长方向性明确,垂直于壁面向熔池内部生长。熔炼开始阶段的起弧过程对铸锭尾部晶粒形态有较大影响,该区域处于熔炼初期,需要增大电压电流建立熔池,因此温度梯度大,柱状晶生长速度快,当熔速为3.0kg/min时底部柱状晶区高度最大。而熔速为4.0kg
25、/min时铸锭头部在相同凝固时间情况下未能完全凝固,因此产生孔洞。综上分析,最佳熔速应定为3.5kg/min。(a)(b)(c)0(d)0000.20.20.20.20.40.40.40.60.40.60.80.60.80.61.00.81.0-0.200.2-0.200.2-0.200.2-0.200.2R/mR/mR/mR/m等轴晶柱状晶等轴晶柱状晶等轴品柱状晶柱状晶等轴晶(a)2.5 kg/min;(b)3.0 kg/min;(c)3.5kg/min;(d)4.0 kg/min图5不同熔炼速率的铸锭晶粒结构Fig.5Grain structure of ingots with diffe
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