異形坯連鑄凝固冷卻模式及枝晶生長模擬的研究.pdf

1、H型鋼具有優(yōu)良的承載性能,作為重要的結(jié)構(gòu)材料在工業(yè)領(lǐng)域中已經(jīng)廣泛應(yīng)用。異形坯連鑄及其軋制工藝可降低H型鋼的生產(chǎn)成本,具有明顯的經(jīng)濟效益。但是,異形坯斷面形狀不規(guī)則,連鑄的均勻冷卻較難控制,而且凝固收縮復(fù)雜,生產(chǎn)中的表面和內(nèi)部裂紋問題比較突出。異形坯連鑄凝固行為與鑄坯質(zhì)量有密切聯(lián)系,詳細(xì)考慮異形坯的連鑄工藝特點,研究異形坯的凝固冷卻模式,并進(jìn)行微觀枝晶生長的模擬分析,對鑄坯質(zhì)量的提高有重要意義。
　　本文以某鋼廠異形坯連鑄過程為研究

2、對象,對異形坯的凝固行為進(jìn)行了多尺度模擬。在詳細(xì)考慮二冷復(fù)雜傳熱邊界條件的基礎(chǔ)上,從宏觀尺度仿真分析了異形坯連鑄凝固過程的傳熱和收縮行為,采用宏微觀耦合的方法模擬了異形坯凝固組織的形成過程,并從微觀角度研究了連鑄界面局域平衡凝固條件下的三維枝晶的生長形貌、溶質(zhì)微觀偏析、溫度分布和擇優(yōu)取向生長等特點。本文的研究特色和主要成果如下:
　?、俳⒘嘶诋愋闻鬟B鑄二次冷卻特征的二維有限元傳熱模型,詳細(xì)考慮了異形坯連鑄二冷區(qū)拉坯方向和斷面周

3、向上的傳熱邊界條件,理論研究并確定了鑄坯表面水流密度分布的計算方法。根據(jù)異形坯實際連鑄工藝,在拉坯方向上,將二冷區(qū)劃分為夾輥接觸傳熱區(qū)、輻射傳熱區(qū)、噴淋水傳熱區(qū)和水聚集蒸發(fā)傳熱區(qū);在斷面周向上,研究并計算了鑄坯表面特征位置的水流密度分布,并根據(jù)噴嘴靶距和噴射角確定了同一傳熱區(qū)內(nèi)橫向上可能存在的不同傳熱方式;在有限元傳熱模型基礎(chǔ)上,用Visual Basic語言開發(fā)了異形坯連鑄二冷仿真通用軟件。
　　根據(jù)異形坯特殊的形狀和散熱條件,

4、研究并確定了異型坯連鑄二冷拉坯方向、內(nèi)外弧和斷面周向上的冷卻策略;建立了異形坯連鑄的均勻二次冷卻準(zhǔn)則;利用異形坯連鑄傳熱仿真通用軟件模擬了Q235鋼異形坯1.0m/min拉速下不同凝固時期斷面溫度場和表面溫度在縱/橫向上的變化規(guī)律,并基于均勻冷卻模式對二冷結(jié)構(gòu)和冷卻水量進(jìn)行了優(yōu)化,鑄坯橫向上溫度均勻性得到明顯改善;最終,在異形坯均勻冷卻策略、均勻二冷準(zhǔn)則和仿真軟件計算的基礎(chǔ)上,得到了Q235鋼異形坯的二冷配水模型。
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5、.Marc有限元軟件為仿真平臺,建立了異形坯連鑄凝固過程的熱應(yīng)力應(yīng)變模型,仿真分析了鑄坯在冷卻過程中的高溫應(yīng)變狀態(tài),制定了亞包晶鋼Q235和過包晶鋼25MnK異形坯特征位置的二冷輥縫收縮曲線。模型中,異形坯溫度場傳熱邊界上的熱流密度由異形坯連鑄傳熱通用仿真軟件讀入,保證了傳熱邊界條件的準(zhǔn)確性;測試了兩類鋼種的高溫應(yīng)力應(yīng)變曲線,并得到了相關(guān)高溫力學(xué)性能參數(shù);根據(jù)鋼種凝固路徑和合金收縮影響系數(shù),計算得到了兩類鋼種高溫相變區(qū)的熱膨脹系數(shù)。利用

6、模型仿真分析了Q235鋼和25MnK鋼異形坯不同凝固時期的等效應(yīng)變分布;用瞬時應(yīng)變率定量表征了冷卻強度和高溫相變對鑄坯收縮和裂紋發(fā)生率的影響;制定的異形坯二冷輥縫收縮曲線在實際生產(chǎn)中得到了應(yīng)用。
　?、劢⒘水愋闻髂探M織的二維有限元(FE)與元胞自動機(CA)宏微觀耦合模型,研究了異形坯實際連鑄條件下柱狀晶和等軸晶的生長規(guī)律。模型采用雙精度線性插值法實現(xiàn)了宏觀FE網(wǎng)格與微觀CA元胞溫度場的耦合計算;用連續(xù)形核模型和KGT模型分別

7、確定了熔體的形核率和枝晶尖端生長速率,并用概率模型描述了枝晶的擇優(yōu)取向生長。利用二維FE-CA耦合模型仿真分析了過熱度和拉速對鑄坯柱狀晶和等軸晶分布的影響規(guī)律。
　?、芑诮缑婢钟蚱胶饽虠l件,建立了三維微觀枝晶生長的FE-CA耦合模型,以凝固前沿固液相Gibbs自由能差作為界面移動的熱力學(xué)驅(qū)動力;建立了一種新的三維枝晶沿任意<100>晶向生長的鄰居捕捉機制,并引入界面加權(quán)平均曲率修正了CA模型中界面曲率的各向異性,解決了CA模型

8、網(wǎng)格對晶體生長方向的限制問題。利用三維FE-CA耦合模型模擬了二元合金Fe-1.5wt.％C在等溫和非等溫條件下的枝晶生長形貌、溶質(zhì)偏析和溫度分布等微觀參數(shù);將模型得到的枝晶尖端生長速率和二次枝晶臂間距與LGK解析模型和定向凝固實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比,驗證了模型的正確性;模擬了不同過冷度下枝晶沿不同<100>晶向生長的形貌和溶質(zhì)微觀偏析特點,模型結(jié)果得到了Gandin解析模型的驗證。
　　綜上所述,本文圍繞異形坯連鑄的凝固冷卻模式,從