方坯连铸直轧过程数值模拟研究与应用

发布时间：2020-10-13 19:23

　　 直轧是将小方坯铸机与轧机直接对接,充分利用钢水自身的热量,实现了免加热直接轧制的工艺流程,最显著的优点是缩短了工艺流程,达到节能减排的目的,同时对铸坯中心凝固组织的细化有改善作用,提高轧材的力学性能。通过数值模拟和工业试验相结合的方法,研究了连铸直轧过程中温度、应力的变化规律,在此基础上对现有的连铸直轧工艺进行了优化,优化结果成功应用于连铸直轧工业化生产。研究内容主要包括:1)研究了连铸工艺参数(拉速、浇注温度、二冷强度、铸坯形状等)对连铸出坯过程的影响;2)研究了矫直与切割位置、多流合并过程、输送辊道形式及感应补热对铸坯温度分布的影响;3)对比了直轧与传统加热轧制过程中铸坯温度变化及变形过程,研究了直轧铸坯轧制失稳机理并提出合理的改善措施;4)对直轧产品性能进行检测,验证了直轧工艺的可行性。高速连铸出坯过程研究结果表明:当150mm×150mm方坯连铸结晶器出口坯壳厚度要求不小于10mm时,铸机的理论最高拉速为3.0m/min;当保持二冷水流量120L/m2·min一定时,拉速每升高0.4m/min,铸坯表面温度升高约50℃;二冷水流量的大小直接影响铸坯的凝固和铸坯表面温度的波动,当拉速控制在2.2 m/min-3.0m/min范围内,二冷水流量不宜超过80 L/m2·min-100 L/m2·min;当二冷水流量超过100L/m2·min,虽然在二冷区域内铸坯冷却加大,但铸坯表层温差很大,会导致后续回温很高,影响铸坯质量;浇注过热度应控制在25℃左右,且温度波动范围不宜过大,应控制在±5℃以内;铸坯角部采用较大半径圆角对铸坯温度分布有明显影响,当圆角半径为铸坯断面10%-15%时,铸坯角部温度增加量最为明显;对于150mm×150mm小方坯铸机,采用火焰切割时,切割完200s后距切割面60mm的位置温度升高量很高,大于50℃,无法满足直轧铸坯对铸坯表面温度波动较小的基本要求,建议采用机械式切割;当采用机械切割方式在拉矫直后1.0m范围内尽早切割时,可最大限度减少这段区域内的热损失。连铸与轧钢工艺衔接过程研究结果表明:铸坯表面温度一般在1000℃以上,从铸机出口到轧机入口,输送时间尽量控制在230 s内;铸坯补热区域主要集中在铸坯表层25 mm范围内,特别是铸坯角部区域,频率每增加50 Hz,温度增加约13℃/min,电流每增加400A,温度增加约50℃/min;铸坯的初始温度控制在750℃-800℃时,感应加热时间短、温度均匀;在连铸结晶器锥度及摩擦力可允许范围内,铸坯角部取较大圆角设计可以减少铸坯表面到角部过渡的过程中温度梯度,保证感应加热后铸坯表面,特别是角部过渡区域温度分布的均匀性。直轧变形过程研究结果表明:粗轧五道次轧制变形过程中,直轧铸坯等效应变较大的位置比传统轧制更靠近铸坯中心,移动量大概10 mm-15 mm,直轧铸坯可传递到铸坯中心区域的等效应变量比传统铸坯大6%-13%。产品性能检测结果表明:实测了直轧铸坯不同开轧温度下产品力学性能、金相组织,肯定了直轧工艺对产品性能的改善效果;直轧铸坯轧前温度明显低于传统再加热铸坯温度,轧制力提高30MPa-50MPa,采用较低的粗轧温度可改善产品性能,表明直轧工艺能够满足产品质量的要求。
【学位单位】：钢铁研究总院
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TF777;TG335
【部分图文】：

其效果在于：取消传统加热炉，采用快速连铸坯直接轧制工艺，在各环节上严格控制能量流失，充分利用铸坯内部能量进行直接轧制，主要工艺环节如图1-1所示。图1-1 连铸直轧工艺流程示意图CC--DR生产工艺的主要优点：(1)节约能源。初步估算对于经感应加热补热的方坯 CC-HDR 工艺，吨钢即可节省 40-80 元的燃料消耗成本[4]。(2)提高金属收得

是凭工人经验以及凭借简单的经验公式进行估算，这与实际的温度分布存在很大的差距。因此，感应加热的传热过程也成为研究者们倍受关注的焦点。图1-2 感应加热装置到九十年代，随着数值计算方法的不断完善，感应补热技术得到更进一步的研究。Wang KF[ 10 ]等人给出了典型的感应补热有限元数值模拟计算的方法。K.Sadeghipour、Reinhold Hagel、U. Ludtke和Gerardo D[11-13]等人采用有限元的数值方法进行求得二维涡流的分布，在耦合电磁场和温度场的基础上，考虑了钢材随温度变化的非线性属性，并成功对钢板的整个补热过程进行数值模拟，取得很好的效

2s图1-3 表面温度与热流的关系图1-3显示的是铸坯表面温度与热流的关系[52]，由图可见，热流与铸坯表面温度非线性关系。在连铸过程中，特别是矫直前，铸坯表面温度一般高于800℃，热流几乎与表面温度无关，原因是此时铸坯表面形成稳定的蒸气膜，阻止了水滴与表面接触，使表面热流趋于稳定。因此为了提高传热效率，必须改善水滴的雾化效果，增加水滴雾化程度和速度[53]。(2)水流密度水流密度是指在铸坯表面单位时间和单位面积上喷射的冷却水水量。水流密度与传热系数之间关系十分复杂，常以经验公式表示:h A BW (1-1)式中， A. B为常数； W 为水流密度； n为指数；很多研究者对h与W 的关系进行了测定
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本文编号：2839601