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。     

薄板坯连铸结晶器锥度设计技术研究及应用

以提高结晶器使用寿命和铸坯表面质量为目标,通过建立漏斗区自有锥度、结晶器总锥度和结晶器局部锥度的计算模型,研究了漏斗区的宽度和深度、窄边铜板偏移量以及磨损对结晶器锥度沿高度方向分布的影响,提出了漏斗区自有锥度和局部锥度沿高度方向分布应与铸坯的凝固收缩相匹配的设计理念,对薄板坯连铸结晶器宽面铜板内腔形状及窄边锥度调控工艺进行了优化设计,为结晶器操作工艺及管理制度的优化提供了理论依据。基于上述研究工作,研发了适合于FTSC工艺的新型结晶器,进行了大量的工业生产试验。结果表明:在浇注宽度为1 520mm的铸坯时,窄边附加偏移量可由12mm降低到7mm,窄边铜板的使用寿命得到了大幅度的提高,过钢量为2.25万t后,窄边铜板最大磨损量由5mm降低到2mm以下;新型结晶器有效控制了铸坯窄面凹陷和表面纵裂纹的发生。     

倒角结构对连铸坯角部温度的影响及角横裂控制工业试验

以控制铌、钛微合金化钢板坯角部横裂纹为目标,在马鞍山钢铁股份有限公司板坯连铸机上开发并应用倒角结晶器技术。建立三维稳态传热模型,采用数值模拟的方法研究了倒角结构对连铸坯角部温度的影响,通过工业试验对比分析了不同角部形状板坯角部横裂纹的控制效果。数值模拟结果表明:铸坯角部由直角变为钝角后,角部温度明显提高;距弯月面900mm处,角部温度由788℃提高到1 091℃以上,铸坯宽面角部的角度分别为120°,125°,127°时,其角部温度依次为1 091,1 128,1 110℃,相应地铸坯窄面角部的温度依次为1 254,1 240,1 209℃。工业试验结果表明:采用倒角结晶器和二冷弱冷工艺后,角部横裂纹得到了有效控制,铸坯宽面角部的角度为125°时,角部横裂纹发生比例最低,铸坯质量满足热送直轧要求。     

鞍钢170 mm厚铸机大倒角结晶器优化生产实践

针对鞍钢170 mm厚铸机应用大倒角结晶器出现的结晶器寿命短、角部纵向压痕重以及角部横裂纹问题,采取了优化结晶器窄侧铜板与足辊接弧方式和接弧标准、调整窄侧铜板锥度和窄侧二冷水水量等措施后,大倒角结晶器通钢量从2.5万t增加到4.5万t以上,包晶钢铸坯轧后边部裂纹指数由47降至5.     

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.     

倒角连铸坯角部纵向裂纹形成机制及控制

 倒角结晶器是控制板坯角部横向裂纹的有效方法之一,但角部纵向裂纹是倒角连铸坯易发的缺陷,这成为了倒角结晶器大规模应用的最大障碍。通过研究倒角结晶器生产工艺参数、设备精度以及喷嘴堵塞等因素对倒角连铸坯角部纵向裂纹的影响,确定了角部纵向裂纹发生的机制。研究表明,倒角结晶器窄面锥度不合理、0段和1段连接偏差以及喷嘴堵塞等是角部纵向裂纹产生的主要原因。通过采取有效措施,可以将倒角连铸坯角部纵向裂纹发生率降低到0.6%以下,使得倒角结晶器实现大规模的工业应用。     

倒角结晶器铜板实际温度场数值仿真

 以首钢京唐实际生产过程中倒角结晶器的铜板尺寸、水道布置、铜板实测温度、宽窄面水量和进出水温差为基础,运用商业软件ANSYS模拟了实际生产过程中倒角结晶器铜板温度分布。计算结果表明：距弯月面0～300 mm,倒角结晶器窄面横向温度分布呈W型,和直角结晶器倒U型温度分布有很大差别;距弯月面300～800 mm,角部温度迅速降低,温度分布呈倒U型,和直角结晶器温度分布基本一致;此外,倒角结晶器倒角面的温度梯度较大,倒角面上坯壳与铜板之间的换热热流波动较大,这说明倒角坯的缺陷主要出现在倒角面,这与实际是相符合的。     

板坯连铸结晶器热行为与铸坯质量的研究

介绍了板坯连铸结晶器的传热机理,系统分析了结晶器内热流分布特征,探讨了结晶器热行为对铸坯质量的影响.分析结果表明,通过结晶器锥度、窄边形状以及角部结构优化,可以改善结晶器内的传热,有效提高铸坯质量.     

安钢倒角结晶器漏钢原因分析及预防措施

安钢第二炼轧厂双流板坯连铸机引进倒角结晶器技术,基本解决了控铝(铌)钢的板坯角部横裂纹问题,经过工艺优化和持续改进,解决了以角部压痕和角部纵裂纹为代表的铸坯角部质量缺陷,实现了板坯倒角结晶器的正常使用。对倒角结晶器某次起步阶段的漏钢原因进行了分析,发现窄面铜板倒角附近的通水孔堵塞是引起漏钢的原因,通过采取预防措施,避免类似漏钢事故的发生。     

奥氏体不锈钢板坯连铸结晶器锥度的优化

针对奥氏体不锈钢连铸中的质量问题 ,对太钢三炼钢 1260mm× 160mm板坯结晶器的锥度进行了分析。通过不锈钢铸坯在结晶器内收缩的计算和拉坯速度、过热度等工艺参数对铸坯收缩影响的分析 ,得出采用双锥度结晶器比单锥度结晶器更符合铸坯在结晶器内的收缩规律 :液面附近 80～200mm区域采用较大锥度 ,液面下 200～800mm的结晶器下部 ,采用较小锥度 ,并在此基础上设计了曲线锥度结晶器。生产试验表明 ,双锥度设计显著改善了铸坯质量 ,消除了窄面鼓肚和中间凹陷等缺陷     

Stress and Friction Distribution around Slab Corner in Continuous Casting Mold with Different Corner Structures

The non-uniform friction and thermal stress in the mold are important as causes of the transverse cracks around strand corner. To analyze the stress distribution features around strand corner, a three-dimensional thermo-elastoplastic finite-element mold model with different corner structures (right-angle, big-chamfer, multi-chamfer, and fillet) was established. The temperature field in the mold was indirectly coupled through a three-dimensional fluid flow and heat transfer model. In addition, the non-uniform mold friction stress loaded on the strand surface was calculated through a friction model. The results show that the stress distribution on the shell is similar to the temperature distribution. The stress concentration appears in the strand corner and the lower part of wide face. The friction stress enhances the corner stress around the edge of the air-gap. For chamfered molds, the stress around the corner between the wide face and chamfer face is larger than that between the narrow face and chamfer face. Around the corner region, both the stress peak and the area of the large stress zone of the right-angle strand are the largest, while those of big-chamfered, multi-chamfered, and fillet strands decrease in that order. The stress peak position of the chamfered strands is closer to the mold exit than that of the right-angle strand. Compared with the use of the right-angle mold, the application of chamfered molds is able to reduce the stress concentration around the strand corner.     

连铸坯实测反问题热弹黏塑性建模与分析

为了研究连铸板坯的传热和力学特征,通过建立考虑蠕变的铸坯热弹黏塑性全尺寸有限元数值模型,以实测温度和传热反问题获得的热流为依据,计算和探讨了结晶器内铸坯的传热、应力和应变行为。结果表明,弯月面下100 ~ 200 mm铸坯表面承受拉应力,宽面距角部40 ~ 90 mm的偏角部区域温度较高,坯壳厚度也较薄,距角部约400 mm处温度相对较低,收缩量及应力应变较大。窄面近角部区域的应力和应变总体上低于宽面,距角部越近,窄面铸坯表面的应变越高。偏角部区域坯壳厚度、应力、应变的非均匀性及存在的过大差异,是探讨近角部裂纹成因需要考虑的重要因素。     

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.      

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。     

板坯连铸倒角结晶器的开发与应用

 为减少连铸板坯角部横裂纹,在分析连铸坯角部横裂纹形成机制的基础上,提出了通过倒角结晶器减少角部横裂纹,以改变连铸板坯角部的二维传热,提高矫直时连铸坯的角部温度。数值模拟计算的结果表明,相对于直角连铸坯,倒角连铸坯在矫直区连铸坯角部温度明显提高,消除了角部Z向应力和应变集中。工业生产数据表明,采用倒角结晶器后,矫直区连铸坯角部温度从810~855℃提高到901~932℃,有效避开了钢的高温脆性区,连铸坯角部横裂纹发生率从10.6%稳定控制到1.6%以下,显著减少了连铸坯角部横裂纹。目前倒角结晶器稳定应用于首秦,所生产钢种涵盖了普碳钢、低合金钢、低碳钢和中碳含铌钢等。     

1650板坯压下过程热/力学行为及压下工艺优化

为了控制梅钢1 650板坯连铸包晶钢过程铸坯内裂纹发生,基于梅钢1 650板坯连铸机生产实际,建立了1 560mm×230mm断面包晶钢铸坯凝固过程三维热/力耦合有限元模型,揭示了铸坯凝固过程各冷却区内的温度场分布规律和铸坯压下过程应力与变形行为演变规律。结果表明,铸坯在结晶器及零段内冷却强度大,沿拉坯及其垂直方向的温度分布梯度大;在实施铸坯凝固末端压下过程中,铸坯宽面中心与宽向1/4处的表面变形及应力变化较为同步,且靠近铸坯内弧侧凝固前沿的塑性应变最大,铸坯应力最大值集中在角部区域;目前梅钢包晶钢连铸压下区间设置不当,易引发铸坯产生内部裂纹。     

Study on transport phenomena in the beam blank continuous casting mould coupling copper mould with molten steel

The copper mould and molten steel were modelled simultaneously by a three-dimensional (3D) model, which couples fluid flow, heat transfer and solidification. Thermal boundary conditions (e.g. air gap distribution, slag resistance, contact resistance) along casting direction and circumference direction were discussed and applied. The results of solid shell thickness distribution were compared with reference experimental data and reasonable agreements were found. The calculations indicate that, the shell thickness distribution along circumference in web was affected by the cross-section sizes. The uniform shell thickness distributions at narrow face and R corner were caused by the scouring of fluid flow. The heat transfer fluxes at hot face of mould were various at different locations.     

Heat Transfer and Deformation Behavior of Shell Solidification in Wide and Thick Slab Continuous Casting Mold

With the considerations of the behaviors of shell deformation, mold flux film and air gap dynamic distribution in shell/mold gap, a two dimensional slice-travel transient thermo-mechanical coupled model of simulation shell solidification in wide and thick slab continuous casting mold was developed by using the commercial program ANSYS. The evolutions of strand-mold system thermal behaviors, including the air gap formation and the mold flux film dynamical distribution in shell/mold gap and shell temperature field, and the evolutions of shell deformation and stress distribution of peritectic steel solidified in a 2120 mm wide and 266 mm thick slab continuous casting mold were analyzed. The results show that the air gap formation and the thick mold flux film distribution mainly concentrate in the regions 0–21 mm and 0–7 mm, 0–120 mm and 0–100 mm off the shell wide and narrow faces corners, and thus the hot spots are given rise to form in the regions 15–55 mm and 15–50 mm off the shell wide and narrow face corners. The shell server deformation occurs in the off-corners in the middle and lower parts of the mold. The stress evolution in shell surface is tensile stress, while that in shell solidification front is compressive stress.     

165 mm×165 mm方坯连铸结晶器安全性的数值模拟分析

运用有限元软件ANSYS热分析模块对浇铸0.2%C钢水的10 mm铜结晶器壁面的温度场、应力场及位移场的分布状况进行数值模拟,比较得出在不同换热系数工况下结晶器壁面的恶劣服役部位的安全性。结果表明,结晶器热面峰值温度为525 K,冷面的峰值温度为475 K;结晶器外壁圆角变形值为0.789 mm,较内壁变形大;结晶器最大等效应力和最大应变均出现在钢液与空气接触的内壁圆角处,分别为218 MPa和0.002 079。结晶器温度、变形和应力均满足连铸安全性要求。