石油套管钢的凝固组织与连铸工艺模拟研究

发布时间：2020-07-15 11:01

【摘要】：石油套管是石油开采过程中的重要器材,其质量直接关系到石油的安全开采及运输。随着石油开发战略的转变,开采地转移到西部及沿海等自然条件较差的地方,油层较深,因此,对石油套管的性能和质量提出了更高、更新的要求。由于石油套管钢合金元素较多,连铸过程作为生产石油套管钢铸坯的基础环节,在生产过程中经常出现裂纹、合金成分不稳定、成分偏析和等轴晶率不高等问题,连铸工艺是影响石油套管钢的质量的主要工艺因素。针对某钢厂生产中的实际问题,本文展开了一系列的实验模拟研究。应用高温试验、组织低倍检测等方法分析了其凝固特性及组织结构等物理性能,分析钢种产生缺陷的内因。为了降低铸坯缺陷等级,采用数值模拟方法研究了连铸过程中的二冷配水、结晶器和末端电磁搅拌等重要工艺流程,优化了二冷配水,确定了结晶器和末端的最佳搅拌参数,对提高铸坯质量、节约生产成本具有重要的意义。为了分析石油套管钢在连铸过程中存在的问题,降低铸坯缺陷,建立了连铸圆坯宏观凝固传热模型,采用变间距有限差分法进行离散。经验证,铸坯表面模拟温度与现场实测温度的误差小于2%,模型精度较高。考虑了枝晶形核、长大及曲率过冷等因素,建立了微观组织模拟的元胞自动机和宏观传热的耦合模型。由模拟得到的石油套管钢组织结构与连铸圆坯低倍组织对比可知,等轴晶率误差较小。分析了连铸工艺参数对铸坯组织的影响,结果表明拉速对等轴晶率的影响较小;降低过热度,能够增加晶粒数量,减小晶粒的平均半径,提高铸坯的等轴晶率;降低二冷水量,能提高铸坯的等轴晶率。优化了连铸过程的结晶器和二冷配水制度。提出了改进的自适应遗传算法,该算法的优化效率较高。应用该算法优化了石油套管钢连铸圆坯的二冷配水。其适应度函数考虑了温度限制,鼓肚限制,升温速率,降温速率,目标温度及冷却水量等冶金准则。对石油套管钢圆坯的二冷区进行优化,结果表明优化后的水量节省10%左右,且表面温度更加合理,回温速率和降温速率都很平缓,满足冶金准则,提高了铸坯质量,达到了节能降耗的要求。结合圆坯连铸生产过程,建立了圆坯结晶器和末端电磁搅拌过程的磁场、流场和温度场耦合模拟的数学模型。结晶器和末端电磁搅拌产生的磁场都是旋转磁场。结晶器电磁搅拌的电流强度由250A增至400A,搅拌器中心的磁感应强度由40mT增至70mT;随电流频率的增加,磁感应强度减小,电磁频率为3Hz的最大磁感应强度为55mT,减至电磁频率为6Hz的36mT。边部最大切向速度由电流250A时的0.12m/s增至电流400A时的0.18m/s。凝固末端电磁搅拌在径向方向上的电磁力呈现“中间大,两头小”的规律。末端电磁搅拌电流频率为9Hz时,电流强度每增加50A,磁感应强度增大11mT;当电流从450A变化到600A时,电磁力从3010N/m3增加到3916N/m3,最大搅拌速度从 0.12m/s 增加至 0.18m/s。在数值模拟分析的基础上,提出了最优的结晶器和末端电磁搅拌的电磁参数分别为300A\3Hz,300A\4Hz和550A\8Hz,550A\9Hz。铸坯质量得到明显改善,连铸坯的等轴晶率提高到50%以上,铸坯中大部分质量缺陷均已消失,铸坯组织的整体均匀性和紧密性均得到显著提高。优化后的C、Mo元素偏析分布范围更窄,波动更小,成分分布变得更加均匀。
【学位授予单位】：东北大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TF777;TE931.2
【图文】：

流程图,连铸工艺,流程图

连续铸钢过程一般如下：液态钢被注入到钢包间包水口的位置，使得钢水流入结晶器内，在结晶器内由于液芯的凝固坯壳。开启振动装置，将铸坯拉出后进入下一个雾化水冷的二冷区，铸坯完全凝固且被矫直后，将铸坯分割到仓储地［１３］。逡逑质上就是钢液散热凝固的过程，在这一过程中，存在钢液的程的固相收缩及凝固坯壳弯曲、矫直、鼓肚等内外力共同作长大，钢液中各溶质元素再分配等热量、动量过程［１４］。连铸逐渐降低的过程，只是在不同的冷却段内，冷却条件不同。温度时，液态钢中会产生形核，且逐渐长大；在此过程中，不同相区之间重新分配，不同溶质的溶解度根据温度的变化质在固相中的溶解度低于液相中的溶解度。溶质中的形核不的表面向内部不断生长，而且在枝晶臂间各种金属元素仍臂间的各种金属元素在凝固过程中扩散程度较小，会形成枝［１５］。逡逑

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是其对角线与坐标轴正向成０夹角的方向，体现了晶粒生长的物理机制。采用ＫＧＴ模型逡逑计算枝晶尖端生长动力学。能够体现晶粒随凝固时间的延长而逐渐长大的演变过程，如逡逑图１．４所示。逡逑参逡逑图１．４元胞的捕获方法（１）【１０６］逡逑Ｆｉｇ．邋１．４邋Ｃａｐｔｕｒｅ邋ａｌｇｏｒｉｔｈｍ邋ｏｆ邋ｃｅｌｌｕａｒ邋（１）邋［１０６］逡逑假设核心元胞在／。时刻形成，那么在任意时刻〖晶粒外形的正方形的半对角线为：逡逑－１８－逡逑

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并以此进行捕获。王同敏［１（）９］模拟了在非均匀温度场中四个择优生长方向上不等逡逑长生长的晶粒，通过计算四个方向的生长臂长进行捕获，由于这样捕获的晶粒往往出现逡逑尖角，因此也采用这个经验公式，其捕获方法如图１．５所示。逡逑＾邋＝邋０．６６８（－）０８３９逦（１．２４）逡逑Ｒ逦Ｒ逦Ｊ逡逑１逡逑Ｚ逡逑ｖ逡逑图１．５元胞的捕获方法逡逑Ｆｉｇ．ｌ邋．５邋Ｃａｐｔｕｒｅ邋ａｌｇｏｒｉｔｈｍ邋ｏｆ邋ｃｅｌｌｕａｒ邋（２）邋１１０９１逡逑０１匕１？１１１＆１１等［１１（）］提出二次臂的生长速度为主干的４０％，设主干长度为Ｌ，晶粒在一个逡逑方向上的轮廓采用如下的经验公式，其捕获方法如图１．６所示。逡逑Ｘ１逡逑ｙ＝－＾Ｌ＋Ｌ逦（１２５）逡逑在晶粒组织的模拟中，上面几种元胞捕获方法是根据对晶粒外形的一些特定假设建逡逑立的，为了确保元胞在捕获中是按照元胞自动机法的规则逐层进行状态传递，且择优生逡逑－１９－逡逑

【参考文献】