厚板坯及超大圆坯连铸过程数值模拟研究

发布时间：2020-05-06 18:09

【摘要】：在连铸过程中，特别是在进行大尺寸、高级别钢种的连铸过程中，钢坯的表面经常发生裂纹等缺陷，严重时会导致漏钢事故，是阻碍连铸生产顺利进行的主要问题，严重影响新型钢种的连铸技术研究与开发。特别是对于较大尺寸、容易产生裂纹的厚板坯及超大圆坯，缺少相应的理论研究及实验测量仪器，不能对其相应铸坯的高温凝固过程进行分析研究，以预防其铸造缺陷的产生。本文使用商业有限元软件ANSYS，通过与武钢项目合作对300mm厚的Q345D厚板坯在结晶器以及整个连铸凝固过程进行了数值模拟研究，并对450、600型轴承钢超大圆坯连铸过程进行数值模拟研究，，结合Fe-C合金包晶反应的凝固特点开发高温凝固相转变装置，在较高的淬火冷速下保留钢的高温凝固组织，并获得相应钢种的高温凝固相转变规律。通过上述研究发现：对于300mm厚的Q345D厚板坯，铁素体含量、拉速及过热度的提高都会使坯壳沿结晶器高度方向的表面温度和厚度在距弯月面180mm处呈现周期性波动，周期为100mm左右；并当拉速为1.0m/min、过热度为40℃及包晶反应中铁素体转变含量为100％时，温度差和厚度差波动幅度在距弯月面425mm处最大。此条件下最易导致坯壳与结晶器之间产生气隙缺陷，在实际生产过程中要尤为注意。而在整个连铸凝固过程中，在保证安全坯壳厚度条件下，适当提高拉速、降低过热度、增加二冷区喷水量和二冷区长度都可以促进铸坯凝固，提高生产效率。通过对铸坯不同位置表面中心温度的现场数据与计算数据比较，计算结果和现场数据吻合良好，误差小于5％。而对于450、600型轴承钢的超大圆坯而言，拉坯速度、过热度、二冷区水量和长度等工艺因素的变化对于600型超大圆坯的温度分布及坯壳生长情况影响更大。自制的高温凝固相转变研究装置实现了凝固过程温度可控、冷速可控，并把冷至设定温度的样品在液氮或者冰盐水中快速冷却。通过对快速冷却得到的组织进行组织分析，可以实现凝固过程组织的定量分析并最终获得高温凝固相转变规律。丰富并填补了较大尺寸、容易产生裂纹的厚板坯及超大圆坯研究领域空白，提供了一个测量钢铁材料凝固性能的装置，极大地丰富了凝固理论的研究，对改善连铸工艺、减少铸坯裂纹产生以及控制和提高连铸坯质量有重要的意义。
【图文】：

连铸机,型号

图 1.1 各种型号连铸机1.1.3 国外连铸技术发展概况国外连铸技术的发展可分为以下几个阶段[19]：第一阶段(1840-1930)，1858 年在钢铁协会伦敦会议论文《模铸不如连铸》中，亨利贝塞麦首次提出了连铸的思想。1887 年，德国 RM.Daeeln 开发了结晶器、液态金属注入、二次冷却段、铸坯切割装置等设备，并提出了与现代连铸机相似的连铸设备建议。第二阶段(1940-1949)， 1943 年德国 S.Junhgnas 在德国建立了第一台浇铸钢液的试验连铸机。其中振动水冷结晶器、浸入式水口、结晶器保护剂等观点奠定了现代连铸机的基础。1952 年英国巴罗（barrow）钢厂首先将连铸引入炼钢领域，并通过使用德国的曼内斯曼（ MannesmannAG）的直结晶器立式连铸机开始工业化连铸铸钢。第三阶段(1950-1976)，1970 年大型钢铁联合企业开始生产连铸板坯，炼钢技术

流程图,连铸工艺,流程,铸坯

图 1.2 连铸工艺流程潜热：由液相线温度冷却降至固相线温度由钢水释放的热量。显热：由固相线温度冷却降至环境温度由钢水释放的热量。由图 1.2 在铸坯整个连铸凝固过程中，可把连铸机钢液的冷却区域根固过程的冷却位置划分为[22]：结晶器一冷区（结晶器冷却水）、二冷区（空冷区(空气辐射)三个冷却区，其热量传输的方式主要有三种方式分别为传导传热以及辐射传热，其中凝固钢液的传热方式在固相区以传导为主，液相区以传导和对流为主。而各个冷却位置的散热分别为：结晶器占 16%冷区占 23%～28%，辐射区占 50%～60%[23]。而铸坯坯壳的散热速度决定凝固速度，是衡量连铸坯凝固传热快慢的标准。铸坯坯壳的生长快慢直接和传热影响，而当铸坯内部坯壳收缩时热应力也会随之产生，当其较大时铸坯的各种缺陷。1.2.2 结晶器内钢水凝固与热量传输
【学位授予单位】：内蒙古科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TF777

【参考文献】