Incoloy 800高温合金板坯连铸传热凝固和应力的模拟研究

论文摘要

Incoloy800高温合金是一种铁基合金,具有较高的高温强度,同时具有良好的抗氧化性能、抗渗碳性能和抗渗硫性能,是一种通用的工程合金。对于高温合金的连铸技术国内尚未研制成熟和投入生产,由于国外对我国进行了技术保密,而我国对高温合金的需求量也在不断加大,高温合金的连铸技术的开发已经成为现阶段研究高温合金的重要任务。由于高温合金的特殊的力学性能,在连铸过程中,容易产生裂纹,本文通过建立高温合金板坯连铸模型,根据高温合金的材料属性,模拟了高温合金连铸凝固过程的温度场和应力场。本文首先介绍了高温合金的发展和应用、Incoloy800合金的特性以及高温合金连铸技术的发展情况,分析了铸坯裂纹的种类和产生机理。根据高温合金的材料成分以及实验测得的物性参数,结合ProCAST的热力学模型,计算、建立了Incoloy800合金高温热物性和高温力学性能数据库。建立了高温合金连铸凝固过程三维传热数学模型和弹塑性本构方程,利用有限元方法对铸坯进行了热-力耦合求解。基于ProCAST商业软件,利用MiLE法和二次开发程序进行了仿真计算,考察了连铸过程相关工艺参数对温度和应力的影响。研究表明：（1）二冷换热系数加大,铸坯的冷却强度变大,降温更快,将导致回温加大,可能导致裂纹的产生。拉速越大,液相穴深度越大,坯壳厚度变薄,容易导致铸坯拉断以及裂纹的产生。在对高温合金连铸坯传热凝固过程的模拟中,有必要考虑气隙的影响。（2）高温合金连铸坯下端容易产生表面横向裂纹,在角部附近容易产生表面纵向裂纹和角部裂纹。二冷区的换热系数越大,等效应力越大。拉速对等效应力的影响较复杂,有待在试验和实践中进一步探究。对于高温合金,有必要根据铸坯凝固收缩规律对结晶器锥度进行优化设计。（3）利用热裂指数对铸坯裂纹倾向性进行了预测。对于高温合金连铸坯,其角部和窄面附近是铸坯容易产生裂纹的敏感部位。应力或者温度分布都不能很好的作为裂纹发生的判据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 高温合金及其连铸技术
• 1.1.1 高温合金的发展和应用
• 1.1.2 Incoloy 800高温合金的介绍
• 1.1.3 高温合金连铸技术的发展
• 1.2 板坯连铸的凝固过程描述
• 1.2.1 板坯连铸凝固传热过程
• 1.2.2 铸坯凝固受力分析
• 1.3 连铸坯内部质量控制研究现状
• 1.3.1 连铸坯内部质量
• 1.3.2 裂纹种类和产生机理
• 1.3.3 热裂预测及判据
• 1.3.4 连铸二冷冷却技术
• 1.4 连铸凝固的模拟研究情况
• 1.5 本论文研究的意义及内容
• 第2章 连铸凝固过程热-应力有限元分析理论
• 2.1 连铸凝固过程温度场有限元分析
• 2.1.1 连铸凝固过程三维传热数学模型
• 2.1.2 连铸凝固过程温度场的有限元解法
• 2.2 连铸凝固过程应力场有限元分析
• 2.2.1 基本假设和塑性增量理论的基本准则
• 2.2.2 弹塑性本构方程
• 2.2.3 弹塑性模型的有限元算法
• 2.3 连铸凝固过程热-力耦合分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 模型建立和热-力学物性参数计算
• 3.1 物理模型的建立和求解方法
• 3.1.1 物理模型的建立
• 3.1.2 求解方法
• 3.2 Incoloy 800合金材料物性参数数据库的建立
• 3.2.1 铸造过程应力模拟的数学模型
• 3.2.2 Incoloy 800合金材料高温热物性参数的建立
• 3.2.3 Incoloy 800合金材料高温力学物性参数的建立
• 3.3 本章小结
• 第4章 铸坯传热凝固模拟分析
• 4.1 铸坯的温度分布及分析
• 4.1.1 铸坯连铸过程温度分布
• 4.1.2 不同工况下下的温度分布
• 4.2 液相穴深度变化情况及分析
• 4.3 坯壳的生长情况及分析
• 4.4 气隙对连铸过程的影响分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 铸坯应力场和裂纹倾向性分析
• 5.1 铸坯的应力场分布
• 5.2 铸坯的凝固收缩分析
• 5.3 铸坯不同方向上正应力的分析
• 5.4 铸坯裂纹倾向性分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论和展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢