400t级大型钢锭的凝固过程模拟及试制
核电大型锻件技术特点及现状
蒸汽发生器中的管板、水室封头、锥形筒体 等；
主管道中的一体化（带管嘴）的锻造不锈钢 主管道；
常规岛中的整锻汽轮机低压转子、发电机转 子等。
由于我国运行及在建的核电站绝大多数为压 水堆核电站，这里主要针对压水堆核电站的核岛 及常规岛大型锻件进行介绍。
核岛主要系统由反应堆冷却剂系统、专设安全 设施、核辅助系统、三废处理系统、核岛通风空调 系统及核燃料装卸贮存和工艺运输系统等六大类系 统组成。这其中，核电大型锻件主要集中在反应堆冷 却剂系统当中（即通常所说的核岛主设备）。反应堆 冷却剂系统由三条环路及其核岛主设备压力容器、蒸 汽发生器、稳压器、主管道和主泵等组成。
图7 AP1000带一体化接管嘴的主管道热段模拟件
过去压水堆核电站主管道为铸造，第三代 AP1000核电设备的使用寿命为60年。设计思路是
确保安全，防止材料的老化，要求核电设备尽量减 少焊缝的数量，安全等级为最高的一级。因而将主 管道由过去的铸造成型改为整体锻造成型。
主管道所用材料为奥氏体不锈钢（对应ASME 标准为SA-376 TP316LN）。其中带一体化接管生器的主要功能是作为热交换设备将一 回路冷却剂中的热量传给二回路给水，使其产生饱 和蒸汽供给二回路动力装置。其作用是在一、二回 路之间构成防止放射性外泄的第二道防护屏障。
蒸汽发生器大锻件所用材料为低合金钢（对 应ASME标准为SA508 Gr.3 Cl.2，RCC-M标准 18MND5）。相对于压力容器大锻件所用材料， 两者成分要求基本一致，只是在性能考核上有 所区别（如AP1000项目中压力容器强度考核指 标为550~725MPa，蒸汽发生器强度考核指标为
50反应堆本体结构传动杆控制棒驱动机构整体顶盖吊耳顶盖吊耳封头顶盖上部支承板压紧弹簧控制组件导向筒上部支承柱出口接管压力容器支承块人口接管堆芯吊篮反应堆压力容器辐照样品导向装置燃料组件热屏蔽体堆芯下部支承板堆芯支承柱径向支承测量导管随着核电站发电功率增大及安全系数的不断提高如ap1000epr等堆型对其基础零部件核电大锻件的要求也越来越高制造难度越来越大
锻造用大型中空钢锭的凝固与偏析.
空钢锭和Γ ∋普通钢锭在凝固末期 0 分钟内∃ − 锻件用的钢锭的收得率 , 减少加热时间和缩 , 残存钢水减少的情况完了前 0 分钟−水 , , 。
3− ∃中空钢锭在凝固 + + 短锻造工序。
实际的生产取得了预期的经济 , 大约残存−厚度的钢 , 效果例如大体上同一形状的汽缸用普通钢−锭和空心钢锭各作 1 个的情况来比较收得率提高巧 < , , 这些钢水以比较一致的速度减少。
直至锻造 , 凝固完了1−− Γ∋∃普通钢锭 , , 残存钢水直径为钢水量的减少速加热时间缩短了∋ < 。
锻 , 一− /+ + 期间凝固时。
, 造工时缩短了 3 < 由于工序简化 , 。
, 减少加度大体上是一致的上述结果表明但此后的凝固约在一分中空钢锭的凝固特征是 , 热次数又因为钢锭是中空的加热效率高大幅度地缩短了加热时间钟内急剧的凝固完了 , 不发生象普通钢锭那样的急剧变快的现象。
在凝固末期凝固 , 5 。
结论 , 这是因为内侧的凝固速度而不是象普通 , 。
# % 最终凝固位置靠内侧。
相当于钢位于冒口慢和最终凝固按单方向进行钢锭那样的双向凝固可以看出比大时, ’ 7 锭厚度的 6 、外最终凝固部位。
# 1 % 碳的偏析率为0 < − , , 在普通钢锭中 0 钢锭的高径。
, 中心部位的缩松程度大 , 。
在中空钢 # 0 % 倒 : 偏析产生的情况随钢种的不锭中高径比大于是非常大的但实际上中因为在最终凝固时。
同而不同Ε : , 内侧容易发生 , 。
倒 : 偏析的产生 # 1 % 空钢锭的缩松是微小的条件可用下式表示‘ 凝固的进行是平稳的在普通钢锭中话象 , , , 不引起急剧地加速, ”簇Ι + Φ Δ 如果凝固末期凝固加速的下部钢水凝固“ , 式中, Ε 为冷却速度 # ℃ 7 Δ 7+ Φ % ’> ‘ % ϑ : 为凝固残存钢水的上部先凝固结果使缩松显著地发生速度 # 9 数 #! + + > ϑΙ “> 为根据钢种而定的常“ 时得不到钢水的补充 , 引起所谓。
钢锭凝固过程温度场数值模拟
关键 词 ：钢锭 ；热物 性参数 ；发热 剂 ；温度场 ；数值模拟 中图分 类号 ：Ｔ Ｇ ２ ４ ４ ＋ ． １ 文献标 识码 ：Ａ 文章 编号 ：１ ０ ０ １ — ４ ９ ７ ７（ ２ ０ １ ３ ）０ ５ — ０ ４ １ ０ — ０ ６
过 程微观偏析模 型预测 钢锭凝 固过 程相 的变化 规律 ，并 根据钢锭凝 固过程钢 热物性参 数与相组成 之间 的关 系式来确 定 。随后采用红外测 温试验验证 了钢锭凝 固传热数 学模 型 ，并模 拟了钢锭凝 固过程温 度场变化 规律 以及不 同浇注温
度和 冒口保 温条件对钢锭 凝 固过程 的影响 。结果 表明 ：钢锭凝 固过程 由钢锭底部 向 冒口逐 渐凝 固，随着 钢锭 冒 口发 热剂 的加 入 ，钢锭凝 固末期 ，最后凝 固区域 逐渐从 无发热 剂情况 时位 于钢锭本 体 向冒 口区域 移动 。３ ８ ｔ Ｎ锭４ １ ２ ５ Ｖ ２
ｓ ｔ ｅ ｅ ｌ ｄ ｕｒ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｓ ｏｌ ｉ ｄｉ ｉｃ ｆ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ． Ｔｈｅ ｎ ｕｍｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｍｏｄ ｅ ｌ ｗａ ｓ ｖ ａ ｌ ｉ ｄａ ｔ ｅ ｄ ｂ ｙ ｔ ｈｅ ｔ ｅ ｍｐｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍｅ ｎｔ ａ ｎｄ
ｄ ｕ ｒ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ ｉ ｉ ｆ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｗｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｍｍ ｅ ｒ ｃ ｉ ａ ｌ ｓ ｏ ｔ ｆ ｗａ ｒ ｅ ＭＳ Ｃ． Ｍａ ｒ ｃ ． ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｔ ｈ ｅ ｒ ｍｏ ｐ ｈ ｙ ｓ ｉ ｃ ａ ｌ ｐ ｒ ｏ ｐ ｅ ｒ ｔ ｉ ｅ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ｅ ｅ ｌ ｉ ｎ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｗｅ ｒ ｅ ｄ ｅ ｔ ｅ ｒ ｍｉ ｎ ｅ ｄ ｂ ｙ ｔ ｈ ｅ ｍｉ ｃ ｒ ｏ ｓ ｅ ｇ ｒ ｅ ｇ ａ ｃ ａ ｎ ｐ ｒ ｅ ｄ ｉ ｃ ｔ ｔ ｈ ｅ ｐ ｈ ａ ｓ ｅ ｅ ｖ ｏ ｌ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ
基于凝固模拟的钢锭模锥度设计与验证
（a） 方案1
（b） 方案2 图2 三种设计方案模拟结果的温度场分布 Fig. 2 Temperature filed distribution of the three design schemes
B/mm 1 200 1 200 1 100
C/mm 300 280 270
D/mm 315 330 320
E/mm 1 920 1 890 2 010
注：方案1为旧模具；方案2、3为拟新设计的模具。
固的原则，最后凝固的部位集中在冒口附近。而方案1 （旧模具） 和方案3中的凝固顺序则不合理，具体表现 为“U”字形开口较小，同时高温区域过长，冒口部 位的钢液难以对锭身部位进行充分补缩，致使最后凝 固区域进入钢锭本体，从而易在凝固过程中在锭身部 位形成二次缩孔及疏松等缺陷。
同时由图2可以看出，三种设计方案中钢锭完全凝
然后进行装配，将装配体各组件生成STL格式的文件 固时间 （特别是冒口完全凝固时间） 有着较大的差别，
导入AnyCasting铸造模拟软件的前处理模块中，完成 方案1中的完全凝固时间为30 181.2 s，新设计的方案3
初始条件、边界条件及物性参数的设置。分别对3组设 计方案进行充型和凝固过程的数值模拟，凝固过程中 得到的温度分布见图2。三种设计方案中钢液凝固过程 的趋势基本一致，轴向上都是由钢锭底部向钢锭顶部
图1 钢锭模结构与主要尺寸标识
Fig. 1 Steel ingot mold structure and marks of main dimension
大钢锭定向凝固技术研究
条件后尽量小，以减少投资。
设： 平均浇注温度 TP = 1 560℃ ； 脱模温度 TI = 1 100℃ ； 平均熔点 Tm = 1 510℃ 。
于是钢锭从浇注到脱模散失的热量为：
Qi = WI［Hm + CP △Tm + CP （ Tm － TI ］
（ 4）
冷板整个凝固过程吸收热量为：
QB = WB［CP △TB ］
图 4 有限元模拟过程图 Figure 4 The diagram of finite
element simulation process
图 5 测试点 Figure 5 Test point
图 6 模拟和测试结果对比 Figure 6 Result comparison between simulation and test
长期以来，对这些缺陷形成机理的研究与探 索推动了凝固理论的发展。而定性与定量地分析 钢锭的凝固过程，则涉及到“三传”和“三场”等前 沿学科的理论。对凝固过程中正、负偏析及缩松 形成机理的 研 究 也 是 一 个 前 沿 课 题［4］。 尽 管 如 此，科技人员在试图改善大钢锭缺陷的研究、试验 及生产实践中认识了许多定量或定性的规律，为 定向凝固工艺的研究与应用打下了基础。如：
在试验中，我们仅对锭模周边的材料进行了 更换，A 锭模周边有保温材料，B 锭周边为铸铁， 以便于充分了解定向凝固钢锭本体的原始质量状 况并观察不同边界条件下定向凝固钢锭内部结构 以 及 钢 锭 内 部 偏 析 和 夹 杂 物 分 布 的 变 化 状 况。 A、B 两支钢锭各重 5 600 kg，同炉钢水材质为 45# 钢（ 平炉冶炼） ，在相同条件下浇注而成。炉后成 分如表 1 所示。
本研究课题正是在重大技术装备需求不断递 增的背景，在多学科前沿理论研究成果的支持 下展 开 的，它 对 揭 示 钢 锭 偏 析 形 成 机 理，改 进 工 艺，提高质量，降低成本有着极为重要的意义。
大型钢锭凝固模拟计算中发热剂的优化处理
大型钢锭凝固模拟计算中发热剂的优化处理赵亚楠; 郭建政【期刊名称】《《大型铸锻件》》【年(卷),期】2019(000)006【总页数】5页(P1-5)【关键词】发热剂; 钢锭; 冒口; 数值模拟; ProCAST【作者】赵亚楠; 郭建政【作者单位】天津职业大学机电工程与自动化学院天津300410; 深圳万泽中南研究院深圳518045; 中南大学湖南410083【正文语种】中文【中图分类】O242钢锭在凝固过程中，会因体积收缩而产生缩孔缩松。
为了提高钢锭的质量，保证钢锭锭身重量，冒口处钢液的凝固时间必需比锭身处的钢液凝固时间长，这样，才能在钢锭凝固收缩时及时得到冒口处钢液的补充，将缩孔转移到冒口中[1]。
要保证冒口处的钢液最后凝固，需要对冒口部位进行特殊保温处理，一是在冒口部位使用保温砖；二是在冒口上方添加发热剂和覆盖剂。
近年来，许多科研工作者[1-15]采用数值模拟方法研究钢锭的凝固过程，其中，针对不同的钢锭，解决了冒口的最佳高度、保温砖的合理厚度、发热剂的适宜添加量等科研问题。
但在建立模型时，均忽略了一个基本问题：在冒口上方添加发热剂进行模拟计算时，钢锭凝固过程中会发生收缩，而作为发热剂的模型材料无法随钢锭的收缩而发生相应的变形，见图1，即发热剂无法与钢锭保持接触状态，燃烧后的发热剂所产生的保温作用也会发生变化，使计算结果与实际情况产生差异，进而影响对实际生产指导的合理性。
图1 钢锭模拟计算时出现的问题示意图Figure 1 Schematic diagram of problems occurred in the simulation calculation of steel ingot本文基于铸造模拟软件ProCAST，从三个方面开展研究：(1)从热力学的角度分析发热剂模型与体积表面热之间的关系，探讨采用表面热代替发热剂模型的可行性。
(2)体积表面热参数包括界面换热系数和热流密度两部分，其具体数值需要进行模拟计算后确定，本文以96 t钢锭为研究对象，将POROS设置为0，分别确定界面换热系数和热流密度两个参数的具体值。
2.4钢锭的凝固
数值模拟方法
（1）有限差分法（Finite Difference Method，简称FDM） 是数值方法中最经典的方法。它是将求解域划分为差分网 格，用有限个网格节点代替连续的求解域，然后将偏微分 方程（控制方程）的 导数用差商代替，推导出含有离散 点上有限个未知数的差分方程组。用它求解边界条件复杂， 尤其是椭圆型问题 不如有限元法或有限体积法方便。 （2）有限元法（Finite Element Method，简称FEM）是将 一个连续的求解域任意分成适当形状的许多微小单元，并 于各小单元分片构造插值函数，然后根据极值原理（变分 或加权余量法），将问题的控制方程转化为所有单元上的 有限元方程，把总体的极值作为个单元极值之和，即将局 部 单元总体合成，形成嵌入了指定边界条件的代数方程 组，求解该方程组就得到各节点上待求的函数值。
sK t
得K=5/0.11/2=15.81mm/min1/2 由
v ds 1 K dt 2 t
得V=15.81/2/0.11/2=25mm/min
图为10t上大下小 镇静钢钢锭凝固 期间温度变化曲 线。图上曲线表 示钢锭半高处的 锭表(S)、中间(M) 和中心(C)点三个
位置上的温度随
时间的变化曲线
浇注方法 按钢水进入钢锭模的方位可分为上注和 下注。
一般根据钢锭大小、钢种特点和车间生产条件等进 行选择。表面质量要求严格的不锈钢、硅钢、薄 板等钢种采用下注，内部质量要求较高的重轨、 炮管等钢种多采用上注；小钢锭只能下注，大钢 锭则适于上注。
2.3.2 钢锭(steel ingot)的凝固
模内钢水的凝固速度可用平方根定律表示：
sK t
根据上式可以求出凝固速度 其中：K为凝固系数
K
v
钢锭顺次凝固行为的物理模拟
钢锭顺次凝固行为的物理模拟尹刚;李胜利;刘海啸;王国承;孟凡童;艾新港【摘要】实现钢锭顺次凝固可以有效补缩,改善钢锭内部质量.本文依据相似原理,以80t矩形钢锭为原型建立与原型尺寸比为1∶10的物理模型,用硫代硫酸钠模拟钢锭的顺次凝固行为.通过对不同梯次冷却条件下的对比试验得出:实现顺次凝固的梯次温度差要大于40℃;为有效实现钢锭顺次凝固,梯次冷却强度在前30 min采用较小的温差,在30 min后采用较大的温度差.【期刊名称】《辽宁科技大学学报》【年(卷),期】2014(037)004【总页数】5页(P359-362,368)【关键词】钢锭凝固;顺次凝固;物理模拟;强冷【作者】尹刚;李胜利;刘海啸;王国承;孟凡童;艾新港【作者单位】辽宁科技大学材料与冶金学院,辽宁鞍山114051;辽宁科技大学材料与冶金学院,辽宁鞍山114051;辽宁科技大学材料与冶金学院,辽宁鞍山114051;辽宁科技大学材料与冶金学院,辽宁鞍山114051;辽宁科技大学材料与冶金学院,辽宁鞍山114051;辽宁科技大学材料与冶金学院,辽宁鞍山114051【正文语种】中文【中图分类】TF807当前军用及重型装备对于特厚钢板的需求快速增加。
比如航空母舰用的装甲板、水电站的大型闸门、开采海洋石油的钻井平台及原子能发电的汽包外壳等［1-2］。
这些大型的装置必须保证安全性及可靠性，钢板必须严格保证内外部质量［3］。
目前，大型钢件以进口为主，急需研发优质的大型坯料，满足军工等生产需求［4-5］。
本文提出采用梯次冷却技术——下部的冷却温度低于上部的冷却温度，使钢液在凝固过程中下部的凝固速度大于上部的凝固速度，上部的钢液对下部凝固过程产生的缩孔进行补充，提高钢锭内部质量。
采用物理模拟是研究钢锭凝固过程的有效方法，文献［6］已经成功地应用该方法研究了钢锭的凝固进程、凝固时间、凝固速度和凝固系数的变化规律。
本文通过物理模拟实验分析在不同冷却条件下钢锭的顺次凝固行为，为实际生产提供参考。