連鑄坯凝固過程傳熱模型與熱應(yīng)力場模型的研究及應(yīng)用.pdf

1、連鑄生產(chǎn)中，常常由于不合理的澆注工藝和二冷配水制度導(dǎo)致鑄坯內(nèi)部產(chǎn)生質(zhì)量缺陷，特別是以中間裂紋和中心裂紋為代表的鑄坯裂紋缺陷占總質(zhì)量缺陷的50％以上。為了消除鑄坯內(nèi)部裂紋缺陷，必須對內(nèi)部裂紋產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行研究，并對其凝固過程進(jìn)行控制。在實際生產(chǎn)過程中，由于受設(shè)備、流程和突發(fā)事情等因素的影響，過熱度和拉速等工藝參數(shù)經(jīng)常發(fā)生變化，使得基于穩(wěn)定條件下建立的凝固傳熱模型在應(yīng)用過程中往往滿足不了生產(chǎn)高品質(zhì)鋼的要求；另一方面，為了消除鑄坯內(nèi)部裂紋等缺

2、陷，必須對裂紋源和裂紋擴(kuò)展的機(jī)理進(jìn)行分析，從而為提出預(yù)防裂紋產(chǎn)生的措施，并為優(yōu)化二冷水量改善鑄坯質(zhì)量提供理論依據(jù)。因此，熱彈塑性應(yīng)力場模型和實時凝固傳熱模型的研究對鑄坯內(nèi)部質(zhì)量的提高具有實際意義。
　　 本文以方坯凝固過程中出現(xiàn)的內(nèi)部裂紋為研究對象，以減少乃至消除內(nèi)部裂紋缺陷為主要目標(biāo)。為了消除鑄坯內(nèi)部裂紋，就必須對產(chǎn)生內(nèi)部裂紋的原因進(jìn)行研究，這就要求對鑄坯截面熱應(yīng)力分布及影響因素進(jìn)行分析，為此必須建立鑄坯熱彈塑性應(yīng)力場模型。由

3、于傳熱模型是熱應(yīng)力場模型的基礎(chǔ)，因此對傳熱模型也進(jìn)行了深入的研究，并將應(yīng)力場模型和傳熱模型在現(xiàn)場進(jìn)行了應(yīng)用研究。主要研究內(nèi)容與創(chuàng)新工作如下：
　　 （1）二維熱彈塑性應(yīng)力場模型的建立及內(nèi)部裂紋產(chǎn)生的機(jī)理研究
　　 針對以中間裂紋和中心裂紋為表征的內(nèi)部裂紋是各現(xiàn)場存在的主要內(nèi)部缺陷，建立二維熱彈塑性應(yīng)力場模型對裂紋產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行了研究。
　　 通過應(yīng)力場模型對鑄坯應(yīng)力分布和裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，提出了裂紋是由于

4、鑄坯表面溫度回溫過高導(dǎo)致鑄坯凝固前沿過大的拉應(yīng)力和凝固前沿凝固速率的不均造成的，并指出裂紋源是發(fā)生在補(bǔ)縮邊界與固相邊界之內(nèi)，向著固相擴(kuò)展。而過熱度偏高和拉速波動頻繁加劇了柱狀晶生長速度不均從而加劇內(nèi)部裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展。通過鋼種的性能和模型的分析，提出在二冷區(qū)最好使鑄坯表面溫度減少波動，減少各段回溫的二冷優(yōu)化目標(biāo)。
　　 （2）方坯實時凝固傳熱模型建立及動態(tài)特性分析
　　 針對連鑄二次冷卻是影響鑄坯內(nèi)部質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此必

5、須對二次冷卻凝固過程加以控制，也就是對鑄坯溫度場加以控制。由于連鑄二冷區(qū)高溫、水汽及鑄坯表面的水膜、氧化鐵皮等的影響，難以準(zhǔn)確地測量鑄坯表面溫度，特別是鑄坯內(nèi)部溫度難以測量，因此在分析連鑄生產(chǎn)過程中澆注工藝條件頻繁變化特性的基礎(chǔ)上，建立了方坯實時凝固傳熱模型。
　　 對建立的實時凝固傳熱模型，利用鑄坯表面溫度測量和射釘測厚對其進(jìn)行了校正和驗證。在此基礎(chǔ)上，分析了網(wǎng)格劃分對模型可靠性的影響，并在實際澆注過程中，通過變化澆注條件對模

6、型的動態(tài)特性進(jìn)行了分析，通過模型的在線運(yùn)行和鑄坯表面溫度的測量對比，模型計算和實測值最大偏差在10℃范圍內(nèi)，為實時傳熱模型的在線應(yīng)用和熱應(yīng)力場模型奠定了基礎(chǔ)。
　　 （3）連鑄熱應(yīng)力場模型和實時傳熱模型的應(yīng)用研究
　　 對某鋼廠Q235普碳鋼和HRB400低合金鋼進(jìn)行了應(yīng)用研究。從現(xiàn)場低倍數(shù)據(jù)和模型計算分析指出，鑄坯內(nèi)部裂紋主要是因為不合理的二冷配水導(dǎo)致二冷區(qū)的高回溫在凝固前沿產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力；同時由于過熱度偏高和拉速波

7、動頻繁加劇了柱狀晶生長速度不均從而加劇內(nèi)部裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展。通過優(yōu)化二冷各段水量，并對水量優(yōu)化前后鑄坯截面應(yīng)力分布以及現(xiàn)場試驗相結(jié)合，確定拉速和過熱度的配水系數(shù)，同時把有效拉速和過熱度引入到二冷動態(tài)配水控制系統(tǒng)中消除了因拉速突變引起的溫度大幅波動。
　　 該系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)場后，對六個月的鑄坯低倍抽樣檢驗，結(jié)果表明：Q235鋼中間裂紋基本消除，中心裂紋的級別由原來大于1.0級占10.3％降低到4.7％，鑄坯等軸晶區(qū)直徑由優(yōu)化前的Φ28～