301不锈钢板坯结晶器出口热力耦合数学模型

针对某厂301不锈钢连铸坯表面裂纹缺陷发生率高的生产问题,建立了301不锈钢板坯连铸结晶器内凝固坯壳形成及应力和变形的热力耦合模型。该模型考虑了包晶钢高温相变特征及其结晶器内的凝固特点。利用有限元软件ANSYS,采用三维瞬态热传导有限元、生死单元技术及三维热弹塑性接触有限元算法进行求解,对301不锈钢板坯结晶器内凝固过程进行了研究。结果表明,结晶器出口处铸坯宽面中心温度最低,距角部40 mm处温度最高,坯壳最薄,随δ-Fe转变量增加,出口处坯壳温度升高,坯壳厚度变薄。铸坯宽面中心位移变形最小,角部最大,窄面位移量大于宽面。随δ-Fe转变量增加,出口处应力水平下降,热点区附近成裂指数增加,发生纹裂机率增大。     

连铸结晶器内大方坯的热力耦合分析

针对攀钢大方坯连铸机投产初期铸坯表面角部纵裂缺陷,建立了大方坯连铸结晶器内铜板与铸坯问的热力耦合模型,应用模型分析了大方坯连铸结晶器内的传热过程和坯壳的应力分布.在传热模型中,以稳态模型分析结晶器的传热过程,以瞬态模型分析铸坯的传热过程;在力学模型中,考虑铸坯和结晶器的接触边界以处理结晶器角部的气隙,以热弹塑性模型分析铸坯的变形和应力场.2种结构的连铸结晶器中大方坯温度场和应力场计算结果表明,结晶器倒角从25 mm×45°变为12 mm×45°时,可改善铸坯角部的传热条件,降低凝固坯壳角部温度,增加凝固坯壳厚度,有利于减轻和防止铸坯角部裂纹.     

大方坯结晶器圆角半径大小对铸坯角部热-机械状态影响

通过采用Marc软件建立包括结晶器与大方坯凝固坯壳之间动态热交换的热-力耦合模型,分析了结晶器圆角大小对铸坯和结晶器热-力学状态温度、应力和应变分布的影响。结果表明,对于280 mm×380 mm断面铸坯,结晶器圆角半径应选17.5～20 mm为宜,结晶器圆角半径过小,铸坯偏离角部10～20 mm区域表面温度波动较大,不利于坯壳均匀生长;结晶器角部半径过大,结晶器与坯壳之间在角部摩擦严重,易导致坯壳龟裂。     

宽厚板连铸结晶器摩擦行为在线测试与分析

 结晶器/铸坯摩擦行为是影响并决定铸坯表面质量的重要因素。以宽厚板坯连铸结晶器为对象,在线检测基于液压振动装置的结晶器/铸坯摩擦力,测试和分析浇铸温度、铸坯断面、拉速与结晶器振动方式等主要工艺参数对摩擦力的影响,为考察和调控结晶器/铸坯摩擦行为提供试验基础。相同工艺条件下,摩擦力随浇铸温度的升高而降低,随铸坯断面尺寸的增加而增大。正弦、非正弦振动方式与拉速-振频、振幅振动控制模型的合理匹配,能够显著改善高拉速下的结晶器/铸坯摩擦行为,结晶器振动工艺的开发和优化对于充分发挥液压振动装置设备潜力,稳定高拉速下铸坯表面质量具有积极意义。     

宽厚板坯连铸结晶器流场、温度场及应力场的耦合数值模拟

利用Pro CAST软件对2400 mm×400 mm宽厚板坯结晶器建立三维动态模型,采用移动边界法实现结晶器内流场、温度场及应力场的耦合模拟.结果表明:考虑凝固坯壳的影响,下回流区位置向铸坯中心靠拢,真实反映了钢液在连铸结晶器内的流动情况.自由液面的钢液从窄面流向水口,速度先增大后减小,距水口约0.7 m处,出现最大表面流速,约为0.21 m·s-1.结晶器出口坯壳窄面中心厚度最小且由中心向两侧逐渐增大,最小厚度约为10.4 mm;受流股冲击影响较弱的宽面坯壳与窄面相比生长更均匀,宽面偏角部和中心的坯壳厚度分别为18.9 mm和27.6 mm.铸坯坯壳应力变化趋势与温度基本保持一致,表明初凝坯壳应力主要是热应力.结晶器内铸坯宽窄面上的等效应力均沿着结晶器高度下降方向呈增大趋势,铸坯角部、宽面中心及窄面中心位置的最大应力各约为200、100和25 MPa.      

方坯结晶器多锥度分析

基于坯壳应力遗传特性建立铸坯热力耦合模型,利用ANSYS对结晶器内铸坯进行铸坯传热及应力分析。依据最小气隙原则对结晶器锥度进行优化,分析了单锥度和多锥度对坯壳凝固行为的影响。结果表明:采用两种锥度形式的结晶器,铸坯角部凝固行为存在明显差异,而表面中心区域基本一致。单锥度结晶器内气隙分布较广,角部热流明显降低,在偏离角部12～22 mm处存在"热点"。多锥度结晶器内气隙宽度和存在范围显著减少,"热点"消失,多锥度结晶器更符合坯壳凝固收缩规律。     

CSP结晶器内初生坯壳的应力计算模型

 为研究结晶器振动对初生坯壳应力状态的影响,利用Marc软件建立了结晶器内初生凝壳的应力计算模型,分析了振动过程中凝壳上应力和应变的分布规律。模拟结果表明横向上最大应力和应变出现在振动的波峰时刻,宽面中部比边部的应力略高;而纵向最大拉应力和应变出现在振动的波谷时刻,纵向拉应力在凸弧位置出现拉压应力的交变边界,在振动波谷和振动的半周期时,边界内铸坯受压应力,边界外铸坯受拉应力作用。     

小方坯角部纵裂漏钢的原因分析

小方坯角部纵裂漏钢的根本原因就是因为在铸坯角部产生剪切应力所造成的,而铸坯厚度不均匀程度越大角部剪切应力就越大,影响铸坯坯壳厚度生长不均匀的因素包括:结晶器尺寸、结晶器振动、二冷冷却和工艺因素等。我厂根据不同的原因进行详细的分析并制定出了相应的措施,从根本上解决了小方坯角部纵裂漏钢的问题。     

板坯连铸倒角结晶器的开发与试验应用置

针对某钢厂板坯连铸铸坯常出现角部横裂纹缺陷,建立了全面考虑保护渣和气隙对传热影响的结晶器与铸坯二维瞬态热力耦合有限元模型,研究了窄面铜板在不同倒角结构下铸坯的凝固收缩行为,分析了铸坯在结晶器内的温度和应力分布情况。数值模拟结果表明结晶器窄面铜板倒角过大或过小,都不利于铸坯温度的均匀分布;对断面厚度为220mm的铸坯,窄面铜板采用20mm~25mm×30°~45°倒角时,铸坯表面温度分布最均匀,各应力指数分布较合理。根据模拟结果开发了25mm×30°和25mm×45°两套倒角结晶器并上线试验,试验结果表明倒角结晶器能较好的控制铸坯角部横裂纹,特别是对于含硼等微合金元素裂纹敏感钢种,通过抛光、低倍和酸洗样观察,未发现角部横裂纹。     

影响结晶器振动位移曲线因素的仿真分析

 如何提高铸坯表面质量来满足连铸生产要求,这是当前连铸技术发展的一项重要课题,而结晶器振动曲线的形状是影响铸坯质量的重要因素之一。现场的结晶器振动机构不可避免地存在间隙及摩擦,这些非线性因素对结晶器位移的影响是值得理论和实践探讨的。基于ADAMS仿真分析软件,创建结晶器驱动机构模型,虚拟仿真理想模型状态下结晶器振动的位移曲线,以及仿真模型在含有间隙和摩擦两因素时结晶器振动的位移曲线。研究结果表明,间隙是影响振动位移曲线的主要因素,而运动副摩擦、铸坯阻力在理想模型状态下对结晶器振动位移曲线的影响不大,但在含有间隙的机构中,会导致振动曲线的形状突变更加明显。     

连铸结晶器振动过程连铸坯应力分布有限元分析

对连铸结晶器振动过程进行了有限元模拟,获得了结晶器振动过程连铸坯表层应力分布,分析了结晶器锥度、结晶器与连铸坯间摩擦系数、拉速和连铸坯厚度对连铸坯表层应力分布的影响。振动过程结晶器末端附近区域连铸坯表层出现应力集中。随结晶器锥度减小和连铸坯宽度增加,连铸坯表层最大应力增加;拉速和连铸坯与结晶器间摩擦对连铸坯表层最大应力影响很小。研究结果对分析和认识连铸坯表面振痕的产生原因和结晶器磨损具有指导作用。     

微合金钢薄板坯连铸边角裂纹控制

微合金钢薄板坯连铸过程高发边角部裂纹,致使热轧卷板边部产生翘皮、烂边等质量缺陷,是钢铁行业的共性技术难题。本文立足于某钢厂QStE380TM低碳含铌钛微合金钢薄板坯连铸生产,检测分析了铸坯角部组织金相结构与碳氮化物析出特点、不同冷却与变形速率条件下钢的断面收缩率,并数值仿真研究了不同结构结晶器和二冷区铸坯温度与应力的演变规律。结果表明:微合金钢薄板坯连铸过程存在明显的第三脆性区,且变形速率越大,第三脆性区越显著。传统薄板坯连铸工艺条件下,结晶器的中上部及其出口至液芯压下段的二冷高温区,铸坯角部冷速较低,致使其组织晶界含铌钛微合金碳氮化物呈链状析出。铸坯在液芯压下过程,低塑性角部因受较大变形与应力作用而引发裂纹缺陷。实施沿高度方向有效补偿坯壳凝固收缩的窄面高斯凹型曲面结晶器及其足辊区超强冷工艺,可分别提升铸坯角部冷速至10和20 ℃·s?1以上,从而促使铸坯角部组织碳氮化物弥散析出,并促进铸坯窄面在液芯压下过程金属宽展流动而降低角部压下应力,大幅降低了微合金钢薄板坯边角部裂纹发生率。      

连铸坯凝固过程热力耦合有限元模拟

 以铸坯和结晶器之间的间隙热阻为纽带,考虑保护渣凝固对接触热阻和渣膜热阻的影响,建立了连铸结晶器与铸坯热力耦合模型并编写了相应的有限元仿真程序。模型预测的坯壳厚度和实验结果吻合良好,两者差值≤2 mm。应用模型分析了大方坯连铸结晶器内的传热过程和坯壳的应力分布。结果表明,随着拉速提高,凝固坯壳厚度减薄,铸坯产生角部裂纹的趋势增加。     

结晶器磨损对铸坯传热的影响

基于坯壳应力遗传特性建立铸坯热力耦合模型,利用ANSYS对结晶器内铸坯传热及应力进行数值模拟,对比分析结晶器磨损前后坯壳厚度、表面温度和气隙分布规律。结果表明:结晶器在磨损之后,偏离角部附近形成"热点"区域。气隙分布范围由距角部10 mm扩展到80 mm,最大厚度由0.1 mm增加到1.2 mm。     

板坯连铸结晶器倒角结构和锥度研究

针对板坯连铸铸坯常出现角部横裂纹缺陷,建立了板坯连铸结晶器与铸坯二维瞬态热力耦合有限元模型,研究了板坯结晶器窄面铜板在不同倒角结构和不同锥度情况下铸坯的凝固收缩行为,计算了铸坯在结晶器内的温度和应力分布情况。模型较全面地考虑了保护渣和气隙对传热的影响。数值模拟结果表明：结晶器窄面铜板倒角过大或过小,都不利于铸坯温度的均匀分布;对断面厚度为230mm的铸坯,窄面铜板采用20mm～25mm ×45°;倒角及抛物线锥度时,铸坯表面温度分布最均匀,最大平面主应力分布较合理,角部出现横裂纹的可能性会大大降低。     

结晶器振动对连铸坯壳生成的影响

本文研究结晶器振动过程中结晶器与坯壳的相对位移及相对位移运动速度的变化,并从动态出发研究了它们对铸坯初期凝固的影响,从而提出了新的弯面生成的冶金模型,揭示出钢流从浮于钢液面上的结膜下突破而生成新的弯月面。振痕大小与第一正滑脱期长短和拉速大小相关;负滑脱是保证脱模的必要条件,负滑脱必要距离是保证脱模的最小距离：第二正滑脱期时间过长不利于新老振痕的“愈合”,过短,结晶器对坯壳冲击太大对铸坯质量不利。     

改善铸坯角部质量工艺优化研究

承钢提钒钢轧二厂连铸车间为提高铸坯质量,减少角部裂纹缺陷的产生,围绕结晶器流场与二冷比水量大小对铸坯质量的影响,从结晶器流场人手,重点分析了振动、浸入水口、塞棒吹氩、保护渣、结晶器液面波动对结晶器流场的影响,二冷比水量对铸坯冷却效果的影响,制定可行性方案,减少铸坯在结晶器内形成缺陷造成质量缺陷,改造后纵裂纹明显减少,降低了成本。     

基于凝固相转变影响的结晶器内热力耦合分析

 为了研究凝固相转变对结晶器内坯壳生长过程的影响,结合高温相转变试验结果建立数学模型,考虑铸坯与结晶器的接触状态,利用有限元软件ANSYS建立结晶器内三维瞬态热力耦合有限元模型,采用生死单元技术模拟温度场,采用热弹塑性接触有限元方法模拟应力场分布。模拟了[δ]铁素体转变量分别为0%、50%和100% 3种情况下结晶器内坯壳的温度场和应力场变化规律。结果表明,沿拉坯方向坯壳表面温度和厚度在距离弯月面以下120 mm左右开始周期性波动,且随[δ]铁素体转变量的增加,波动增加,同时铸坯沿拉坯方向累积位移总量和应力值均减小,沿拉坯方向上位移和应力波动水平增加。     

微合金钢连铸坯角部裂纹控制技术研发及应用

微合金钢连铸过程频发铸坯角部裂纹缺陷是钢铁行业的共性技术难题。基于微合金钢铸坯角部裂纹组织结构与析出特征检测，以及铸坯在结晶器与二冷铸流内的凝固热/力学行为演变规律定量化模拟，开发形成了基于新型角部高效传热曲面结晶器和铸坯二冷高温区角部晶粒超细化控冷工艺与装备的微合金钢连铸坯角部裂纹控制技术。研究结果表明，传统板坯连铸工艺下，窄面直线型结晶器无法充分补偿坯壳收缩，致使厚保护渣膜与气隙在坯壳角部集中生成，大幅降低了结晶器中下部坯壳角部传热，引发微合金碳氮化物沿奥氏体晶界析出。传统二冷配水条件下，奥氏体晶界不可避免生成先共析铁素体膜低塑性组织。两者共同作用致使铸坯角部高温塑性不足而引发裂纹。通过开发新型曲面结晶器，坯壳角部于其内高效传热，凝固全程冷却速度大于5℃/s，弥散化了微合金碳氮化物高温析出。同时，基于窄面足辊超强冷新控冷结构，对铸坯角部实施γ→α→γ循环相变，铸坯角部晶粒显著超细化，高塑化控制了铸坯角部裂纹产生。     

板坯角部裂纹分析与控制

对天钢板坯角部裂纹进行研究分析,结果表明:铸坯凝固过程中晶界出现了B(CN)和Al N等二相粒子聚集,同时,由于在铸坯初凝期奥氏体晶界生成铁素体膜,导致板坯角部区域的延展性显著降低。受二者的共同作用,当板坯通过矫直区时,受到矫直应力作用而产生裂纹。通过控制钢中氮含量、降低结晶器水量及二冷水量,提高铸坯角部的矫直温度,改善高温力学性能,使板坯角部裂纹得到有效控制。