連鑄坯凝固過(guò)程傳熱模型與熱應(yīng)力場(chǎng)模型的研究及應(yīng)用.pdf

1、連鑄生產(chǎn)中，常常由于不合理的澆注工藝和二冷配水制度導(dǎo)致鑄坯內(nèi)部產(chǎn)生質(zhì)量缺陷，特別是以中間裂紋和中心裂紋為代表的鑄坯裂紋缺陷占總質(zhì)量缺陷的50％以上。為了消除鑄坯內(nèi)部裂紋缺陷，必須對(duì)內(nèi)部裂紋產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行研究，并對(duì)其凝固過(guò)程進(jìn)行控制。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于受設(shè)備、流程和突發(fā)事情等因素的影響，過(guò)熱度和拉速等工藝參數(shù)經(jīng)常發(fā)生變化，使得基于穩(wěn)定條件下建立的凝固傳熱模型在應(yīng)用過(guò)程中往往滿足不了生產(chǎn)高品質(zhì)鋼的要求；另一方面，為了消除鑄坯內(nèi)部裂紋等缺

2、陷，必須對(duì)裂紋源和裂紋擴(kuò)展的機(jī)理進(jìn)行分析，從而為提出預(yù)防裂紋產(chǎn)生的措施，并為優(yōu)化二冷水量改善鑄坯質(zhì)量提供理論依據(jù)。因此，熱彈塑性應(yīng)力場(chǎng)模型和實(shí)時(shí)凝固傳熱模型的研究對(duì)鑄坯內(nèi)部質(zhì)量的提高具有實(shí)際意義。
　　 本文以方坯凝固過(guò)程中出現(xiàn)的內(nèi)部裂紋為研究對(duì)象，以減少乃至消除內(nèi)部裂紋缺陷為主要目標(biāo)。為了消除鑄坯內(nèi)部裂紋，就必須對(duì)產(chǎn)生內(nèi)部裂紋的原因進(jìn)行研究，這就要求對(duì)鑄坯截面熱應(yīng)力分布及影響因素進(jìn)行分析，為此必須建立鑄坯熱彈塑性應(yīng)力場(chǎng)模型。由

3、于傳熱模型是熱應(yīng)力場(chǎng)模型的基礎(chǔ)，因此對(duì)傳熱模型也進(jìn)行了深入的研究，并將應(yīng)力場(chǎng)模型和傳熱模型在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了應(yīng)用研究。主要研究?jī)?nèi)容與創(chuàng)新工作如下：
　　 （1）二維熱彈塑性應(yīng)力場(chǎng)模型的建立及內(nèi)部裂紋產(chǎn)生的機(jī)理研究
　　 針對(duì)以中間裂紋和中心裂紋為表征的內(nèi)部裂紋是各現(xiàn)場(chǎng)存在的主要內(nèi)部缺陷，建立二維熱彈塑性應(yīng)力場(chǎng)模型對(duì)裂紋產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行了研究。
　　 通過(guò)應(yīng)力場(chǎng)模型對(duì)鑄坯應(yīng)力分布和裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，提出了裂紋是由于

4、鑄坯表面溫度回溫過(guò)高導(dǎo)致鑄坯凝固前沿過(guò)大的拉應(yīng)力和凝固前沿凝固速率的不均造成的，并指出裂紋源是發(fā)生在補(bǔ)縮邊界與固相邊界之內(nèi)，向著固相擴(kuò)展。而過(guò)熱度偏高和拉速波動(dòng)頻繁加劇了柱狀晶生長(zhǎng)速度不均從而加劇內(nèi)部裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展。通過(guò)鋼種的性能和模型的分析，提出在二冷區(qū)最好使鑄坯表面溫度減少波動(dòng)，減少各段回溫的二冷優(yōu)化目標(biāo)。
　　 （2）方坯實(shí)時(shí)凝固傳熱模型建立及動(dòng)態(tài)特性分析
　　 針對(duì)連鑄二次冷卻是影響鑄坯內(nèi)部質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此必

5、須對(duì)二次冷卻凝固過(guò)程加以控制，也就是對(duì)鑄坯溫度場(chǎng)加以控制。由于連鑄二冷區(qū)高溫、水汽及鑄坯表面的水膜、氧化鐵皮等的影響，難以準(zhǔn)確地測(cè)量鑄坯表面溫度，特別是鑄坯內(nèi)部溫度難以測(cè)量，因此在分析連鑄生產(chǎn)過(guò)程中澆注工藝條件頻繁變化特性的基礎(chǔ)上，建立了方坯實(shí)時(shí)凝固傳熱模型。
　　 對(duì)建立的實(shí)時(shí)凝固傳熱模型，利用鑄坯表面溫度測(cè)量和射釘測(cè)厚對(duì)其進(jìn)行了校正和驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，分析了網(wǎng)格劃分對(duì)模型可靠性的影響，并在實(shí)際澆注過(guò)程中，通過(guò)變化澆注條件對(duì)模

6、型的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了分析，通過(guò)模型的在線運(yùn)行和鑄坯表面溫度的測(cè)量對(duì)比，模型計(jì)算和實(shí)測(cè)值最大偏差在10℃范圍內(nèi)，為實(shí)時(shí)傳熱模型的在線應(yīng)用和熱應(yīng)力場(chǎng)模型奠定了基礎(chǔ)。
　　 （3）連鑄熱應(yīng)力場(chǎng)模型和實(shí)時(shí)傳熱模型的應(yīng)用研究
　　 對(duì)某鋼廠Q235普碳鋼和HRB400低合金鋼進(jìn)行了應(yīng)用研究。從現(xiàn)場(chǎng)低倍數(shù)據(jù)和模型計(jì)算分析指出，鑄坯內(nèi)部裂紋主要是因?yàn)椴缓侠淼亩渑渌畬?dǎo)致二冷區(qū)的高回溫在凝固前沿產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力；同時(shí)由于過(guò)熱度偏高和拉速波

7、動(dòng)頻繁加劇了柱狀晶生長(zhǎng)速度不均從而加劇內(nèi)部裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展。通過(guò)優(yōu)化二冷各段水量，并對(duì)水量?jī)?yōu)化前后鑄坯截面應(yīng)力分布以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合，確定拉速和過(guò)熱度的配水系數(shù)，同時(shí)把有效拉速和過(guò)熱度引入到二冷動(dòng)態(tài)配水控制系統(tǒng)中消除了因拉速突變引起的溫度大幅波動(dòng)。
　　 該系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)后，對(duì)六個(gè)月的鑄坯低倍抽樣檢驗(yàn)，結(jié)果表明：Q235鋼中間裂紋基本消除，中心裂紋的級(jí)別由原來(lái)大于1.0級(jí)占10.3％降低到4.7％，鑄坯等軸晶區(qū)直徑由優(yōu)化前的Φ28～