数值模拟在大钢锭制造中的应用

赵艳红 高建军 王 欢

(中国一重集团天津重型装备工程研究有限公司，天津300457)

在重型装备制造冶金技术领域，国内急需的百万千瓦级核电机组常规岛低压整体转子锻件、发电机转子、核电接管段以及5.5 m支承辊等特大锻件，都需要600 t级特大钢锭。超大钢锭的制造技术已成为制约我国重点工程发展的瓶颈，突破这一共性技术难题，是实现超大型锻件国产化的关键。不掌握该项技术，我国能源、冶金等行业所需的关键超大锻件就不可能实现国产化。

百万千瓦级核电机组常规岛低压整体转子所需锻件毛坯重量大、截面尺寸大、技术要求高。由于钢锭的凝固过程是一个涉及高温、合金相变及合金与模壁材料相互作用的复杂过程，而锻件所需钢锭为600 t级水平的超大型钢锭，因此，更加难以直接观察和控制。同时，由于钢锭较大，钢锭凝固过程中的偏析、缩孔、疏松、气泡、夹杂等质量问题将更加严重[1]，这与要求高质量的后续产品形成尖锐的矛盾。尤其是大型锻造用钢锭，成本很高，一旦报废经济损失巨大。因此，研究和掌握钢锭凝固过程的规律，弄清缺陷形成及分布规律，并在此基础上优化生产工艺参数及钢锭模尺寸，对于控制钢锭的质量具有重要意义，也是获得高质量锻件的重要保证[2]。

本文以百万千瓦核电转子锻造用大型钢锭的凝固过程为研究对象，采用数值模拟研究方法，通过建立凝固过程中的凝固传热及宏观偏析的数学模型，再利用各种铸造质量缺陷形成的理论及判据[3]，讨论了钢锭模的冷却条件、高径比、锥度等参数对凝固过程温度分布、缩孔疏松及宏观偏析的影响，为优化钢锭模结构并最终获得高质量的大型钢锭奠定基础。……