基于仿真的M54超高强度钢真空自耗重熔工艺优化

doi:10.20057/j.1003-8620.2023-00120

特殊钢 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (5): 60-68.DOI: 10.20057/j.1003-8620.2023-00120

基于仿真的M54超高强度钢真空自耗重熔工艺优化

宁静¹，王敖¹，毕正绪²，许广鹏²，雍兮¹，苏杰¹，程兴旺³

1 钢铁研究总院有限公司特殊钢研究院，北京100081；
2 大冶特殊钢有限公司特冶产品研究所，黄石 435001；
3 北京理工大学材料学院，北京 100081

收稿日期:2023-06-14 出版日期:2023-10-01 发布日期:2023-09-28
通讯作者: 苏杰
作者简介:宁静（1988―），女，硕士，高级工程师

Optimization of Vacuum Arc Remelting Process for M54 Ultra-High Strength Steel Based on Simulation

Ning　Jing¹， Wang　Ao¹， Bi　Zhengxu²， Xu　Guangpeng²， Yong　Xi¹， Su　Jie¹， Cheng　Xingwang³

1 Institute for Special Steels， Central Iron and Steel Research Institute Co.， Ltd.， Beijing 100081， China；
2 Special Metallurgical Products Research Institute， Daye Special Steel Co.， Ltd.， Huangshi 435001，China；
3 School of Materials， Beijing Institute of Technology， Beijing 100081， China

Received:2023-06-14 Published:2023-10-01 Online:2023-09-28
Contact: Su Jie

摘要/Abstract

摘要： 采用Meltflow-VAR软件，选取稳态熔速为3.6、3.9、4.2、4.5、4.8、5.1 kg/min六种工艺曲线，对M54超高强度钢Φ660 mm大锭型真空自耗重熔工艺进行仿真。计算结果表明：随熔速增加，熔池深度和体积增加，熔速4.8 kg/min及以上熔池与结晶器完全接触，冷却效果得到改善。一次枝晶间距随熔速增大单调上升，局部凝固时间和二次枝晶间距在3.6～4.8 kg/min范围随熔速增加下降、在4.8～5.1 kg/min范围无明显变化。选取4.2 kg/min熔速开展工业化试制验证，熔池形状与计算结果吻合良好。钢锭宏观偏析程度较低，但微观偏析（枝晶偏析）的程度可达30%以上。微观偏析在有二次枝晶结构存在的位置与二次枝晶间距正相关，在无二次枝晶结构的位置与一次枝晶间距正相关。综合考虑熔速对熔池形状、枝晶间距、元素偏析的影响，建议稳态熔速优化为4.8 kg/min。

关键词: M54超高强度钢, 真空自耗重熔仿真, 熔池形状, 枝晶间距, 微观偏析

Abstract: Meltflow-VAR software was employed to simulate the vacuum arc remelting process of Φ660 mm large-scale ingot of M54 ultra-high strength steel， six processing curves with steady-state melting rates of 3.6， 3.9， 4.2， 4.5， 4.8， and 5.1 kg/min were selected for the study. Calculation results showed that as the melting rate increased， the depth and volume of the molten pool increased. The molten pool was completely in contact with the crucible at the melting rate of 4.8 kg/min or above， resulting improved cooling effect. The primary dendrite spacing monotonically increased with the increase of melting rate， while the local solidification time and secondary dendrite spacing decreased with the increase of melting rate in the range of 3.6-4.8 kg/min， whereas no significant change in the range of 4.8-5.1 kg/min. To verify the simulation results， a melting rate of 4.2 kg/min was chosen for industrial trial production. The shape of the molten pool was in good agreement with the calculated results. The degree of macro-segregation in steel ingots was relatively low， while the degree of micro-segregation （dendrite segregation） could reach over 30%. Micro-segregation was positively correlated with the spacing between secondary dendrites in the presence of secondary dendrite structures， while positively correlated with the spacing between primary dendrites in the absence of secondary dendrite structures. Taking into account the influence of melting rate on the shape of the molten pool， dendrite spacing and element segregation， it is recommended to optimize the steady-state melting rate to 4.8 kg/min.

Key words: M54 Ultra-high Strength Steel, Simulation of Vacuum Arc Remelting Process, Molten Pool Geometry, Dendrite Arm Spacing, Micro-segregation

中图分类号:

TF132.3

宁静, 王敖, 毕正绪, 许广鹏, 雍兮, 苏杰, 程兴旺. 基于仿真的M54超高强度钢真空自耗重熔工艺优化[J]. 特殊钢, 2023, 44(5): 60-68.

Ning　Jing, Wang　Ao, Bi　Zhengxu, Xu　Guangpeng, Yong　Xi, Su　Jie, Cheng　Xingwang. Optimization of Vacuum Arc Remelting Process for M54 Ultra-High Strength Steel Based on Simulation[J]. Special Steel, 2023, 44(5): 60-68.

参考文献

［1］Xiong W，Olson G B. Integrated computational materials design for high-performance alloys[J]. MRS Bulletin，2015，40（12）：1035-1044.
［2］王飞，杨卓越，庞学东，等. 时效温度对二次硬化超高强度钢M54力学性能和组织的影响[J]. 特殊钢，2017，38（6）：67-70.
［3］董晓亮，张秀丽，许广鹏，等. 300 mm S53马氏体时效强化钢环状花样低倍组织分析及工艺改进[J]. 特殊钢， 2022，43（1）：69-72.
［4］张英杰，王飞，董鹏，等. M54超高强度钢热塑性行为研究[J]. 塑性工程学报，2016，23（3）：119-124.
［5］王飞，李建新，张玉春. 抚顺特钢高强钢及超高强度钢发展现状[J]. 特殊钢，2021，42（5）：30-35.
［6］王资兴，王磊，孙文儒. 熔速对IN718合金真空自耗铸锭组织的影响[J]. 材料热处理学报， 2019， 40（1）： 91-97.
［7］曲敬龙，杨树峰，陈正阳，等. 真空自耗冶炼过程数值仿真研究进展[J]. 中国冶金，2020，30（1）：1-9.
［8］Karimi-Sibaki E，Kharicha A，Wu M，et al. A Parametric Study of the Vacuum Arc Remelting（VAR） Process： Effects of Arc Radius， Side-Arcing， and Gas Cooling[J]. Metallurgical and Materials Transactions B， 2020，51（1）： 222-235.
［9］史建凯，岳峰，田儒良，等.连铸工艺参数对20CrMnTi齿轮钢150 mm×150 mm铸坯凝固组织影响数值模拟和生产应用[J]. 特殊钢，2022，43（2）：16-20.
［10］Beaman J J， Lopez L F， Williamson R L. Modeling of the vacuum arc remelting process for estimation and control of the liquid pool profile[J]. Journal of Dynamic Systems Measurement and Control，2014，136（3）：031007.
［11］ A Multiscale Transient Modeling Approach for Predicting the Solidification Structure in VAR Processed Alloy 718 Ingots[C]. TMS （The Minerals， Metals & Materials Society），CFD Modeling and Simulation in Materials Processing，2012：97-106.
［12］樊凯，吴林财，李俊杰，等. 钛合金VAR过程中自然对流下的宏观偏析行为模拟[J]. 稀有金属材料与工程，2020，49（3）： 871-876.
［13］汲庆涛，于杰，宁静，等. USS122G钢锭真空电弧重熔工艺的数值模拟[J]. 钢铁，2022，57（10）：127-138.
［14］Meltflow-VAR： A Computational Model for Comprehensive Analysis of the Vacuum Arc Remelting （VAR） Process-Theoretical Background. Version 5.0. Minneapolis （MN）：Innovative Research， Inc. 2014.
［15］陈宗民，于文强. 铸造金属凝固原理[M].北京：北京大学出版社，2014：154-155．
［16］余永宁. 材料科学基础[M].北京：高等教育出版社，2006：648.
［17］董晓亮，张秀丽，许广鹏，等. YG1900超高强度钢性能指标离散机理分析及工艺改进[J]. 特殊钢，2022，43（3）：52-55.
［18］Lippard H E，Campbell C E，Björklind T，et al. Microsegregation Behavior during Solidification and Homogenization of AerMet100 Steel[J]. Metallurgical and Materials Transactions B，1998，29（1）：205-210.

[1]	安航航, 张国锋, 武佳毅, 张龙. GCr15轴承钢大方坯凝固过程微观偏析模型及应用研究[J]. 特殊钢, 2021, 42(3): 16-20.
[2]	吕达, 张雲飞, 张福利, 韩彦光, 任帅, 崔毅, 白丽娟. 电磁搅拌对GH4169合金1 t电渣锭凝固组织的影响[J]. 特殊钢, 2018, 39(5): 44-47.
[3]	贺铸, 刘艳贺, 刘双, 刘政, 李宝宽. 电极填充比对电渣重熔过程影响的数值模拟[J]. 特殊钢, 2014, 35(4): 16-19.
[4]	钱宏智, 兰鹏, 张家泉, 崔立新. 非平衡凝固对铸坯末端两相区长度的影响[J]. 特殊钢, 2010, 31(2): 25-28.
[5]	冯军, 陈伟庆. 高强度二冷对高碳钢小方坯凝固组织和中心碳偏析的影响[J]. 特殊钢, 2006, 27(4): 42-44.

基于仿真的M54超高强度钢真空自耗重熔工艺优化

Optimization of Vacuum Arc Remelting Process for M54 Ultra-High Strength Steel Based on Simulation

RichHTML

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 5

编辑推荐

Metrics

本文评价