高温拉伸过程连铸坯磁电和热传输行为及力学性能研究

发布时间：2020-04-24 21:05

【摘要】：连铸坯裂纹缺陷是影响铸坯质量的主要缺陷,其产生的内因是由铸坯自身的高温力学性能决定的。目前,连铸坯高温力学性能的测量多是通过Gleeble热模拟机热拉伸实验实现的,但是高温拉伸实验过程中,试样内部存在的温度分布不均匀会对最终测量得到的力学性能准确性造成影响。因此,构建高温拉伸实验过程磁电和热模型,研究试样内部温度分布,并优化最终测试温度,对高温力学性能测量精度的提高具有重要的意义。论文以X70钢连铸坯为研究对象,通过数值模拟的方法,建立了工频交流电下铜夹具和试样三维电场和磁场耦合的数学模型,分析了典型温度下试样内部磁场和电流分布;基于电磁耦合模型得到的电流分布,构建了铜夹具和试样三维电场和传热耦合的焦耳热数学模型,并量化了输入电流与拉伸温度的对应关系,探讨不同拉伸温度下试样内部温度分布规律;基于上述模型求解得到的试样的温度场信息,通过平均绝对差的方法,优化了高温拉伸实验的测试温度;最后,以单轴高温拉伸实验为基础,比对分析了优化测试温度下高温力学性能数据与传统测试数据的差异。详细的结论如下:(1)建立了工频交流电下铜夹具和试样三维电场和磁场耦合的数学模型,研究了两种典型温度下试样内部磁场和电流分布规律。发现高温和低温两种情况下,试样内部磁场分布较为相似,都呈现表层最大,并向中心衰减的规律。但是磁感应强度的大小差异较大,低温情况下,磁感应强度较大,所引起的电流集肤效应也比较明显,电流主要集中在试样表层约2 mm;而高温时,由较小的磁感应强度引起的电流集肤效应几乎可忽略。(2)基于上述模型得到的试样内部电流分布,建立了铜夹具和试样三维电场和传热耦合的焦耳热模型,通过二分法量化了输入电流和拉伸温度的关系,研究了不同拉伸温度下试样内部的温度分布的规律。结果表明,随着输入电流增大,温度先缓慢增加,而后输入电流密度达到4.5×10~5 A/m~2后,温度随电流增大急剧增大,此时温度和电流几乎呈现线性关系;不同拉伸温度下,试样横截面内的温度分布均关于中心呈圆对称分布,且由中心向边缘减小。此外随着拉伸温度的升高,中心与表面的温度差值增大,即温度梯度增大。(3)基于电热耦合数学模型得到的不同拉伸温度下试样内部温度场信息,以平均绝对差的形式定义了试样横截面内的温度与拉伸温度的差异程度,在保证两者差值绝对值总和最小的前提下,优化了测试温度。优化的实验温度与传统拉伸实验温度的差值随着拉伸温度的升高而增大,且呈线性关系。(4)以单轴高温拉伸实验为基础,比对分析了优化测试温度下高温力学性能数据与传统测试数据的差异。随着拉伸温度的升高,温度修正的程度增大,但优化实验温度与传统实验温度测量得到的抗拉强度及屈服强度的差值却减小。
【图文】：

内部温度分布,连铸坯,分布位置,裂纹

力学性能的测量及其准确性将对裂纹产生的机理认识有指导意热模拟机可以较为准确的模拟铸坯真实热履历的优势，高温力学拟机高温拉伸实验测量。然而，在试样的高温拉伸实验过程中存在的温度梯度会影响连铸坯的高温力学性能的测量精确性。过程试样内部温度分布，并优化最终拉伸温度将对连铸坯高温确性有重要意义。铸坯裂纹坯裂纹是影响连铸产量和铸坯质量的主要缺陷。据统计，铸坯缺陷所占比例在 50%以上[1]。连铸过程中铸坯出现裂纹，轻者需进接导致钢坯拉漏，生产废品，从而降低连铸机生产的效率，影，使得生产成本增加。坯上的裂纹根据分布和形状大体可以分为两类：以网状裂纹和表的表面裂纹和以星状裂纹、中间裂纹和皮下裂纹为主的内部裂纹

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重庆大学硕士学位论文连铸坯裂纹形成机理铸坯裂纹产生的原因非常复杂，受连铸机结构、连铸过程工艺参数为及铸坯冷却条件等多方面的影响，如图 1.2 所示。但从根本上，因是由铸坯高温性能决定的，，外因则是由连铸过程铸坯受到的各种]。铸坯在连铸过程中承受的应力包含热应力、摩擦力、相变应力、鼓矫直力和钢水静压力等。当作用于高温连铸坯壳上的总应力或由应力起的总应变超过铸坯的临界应力或应变时，裂纹便在坯壳最薄弱位裂纹，然后经历二次冷却区域，微小裂纹在受应力综合作用后，得较为明显宏观裂纹。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TF777

【参考文献】