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。     

低温度梯度结晶器的传热分析及其工业应用试验

结晶器内钢液凝固前沿温度梯度的降低可以阻碍柱状晶的生长、促进柱状晶向等轴晶的转变和提高等轴晶率,从而有利于铸坯组织的均质化。基于上述原理,研究了可用于降低钢液凝固前沿温度梯度的带隔热镀层的新型结晶器的传热特性,并在方坯连铸机上进行了工业试验,分析了其对方坯凝固组织的影响。结果表明,低温度梯度结晶器可满足连铸生产要求;与传统结晶器相比,低温度梯度结晶器出口铸坯表面温度提高了108℃,相近拉速下该结晶器的平均热流密度相对更低,表明其减缓了钢液在凝固初期的传热,从而降低了凝固前沿的温度梯度;通过与低过热度、电磁搅拌技术相结合,低温度梯度结晶器生产的铸坯等轴晶率提高了8%～13%,中心偏析和缩孔严重程度明显降低。     

第三代汽车钢的热塑性及断裂机理

采用Gleeble-1500热模拟试验机,对第三代汽车钢(TG钢)在不同的变形温度下进行了热拉伸试验,研究其热塑性的变化运用光学显微镜和扫描电镜分析了实验钢热变形的断口形貌及断裂机理.发现实验钢的强度随温度的升高而降低,热塑性曲线分为第Ⅰ脆性区、高温塑性区和第Ⅲ脆性区三个区域,其中第Ⅲ脆性区存在两个塑性极小值.在1300~800℃时实验钢的组织为奥氏体,断裂方式为连孔延性断裂,动态再结晶使韧窝分离前发生了较大的塑性变形,断口为大而深的韧窝;750℃时实验钢沿奥氏体晶界析出铁素体,断裂方式为界面断裂,断口既存在着铁素体内聚失效形成的小的孔洞,也存在由于裂纹沿奥氏体晶界扩展形成的石块状形貌;650℃由于出现了铁素体的准解理,实验钢的塑性下降,热塑性曲线再次出现极小值.      

振动激发金属液形核技术在铸锭和板坯凝固过程中的应用

叙述了研发的振动激发金属液形核技术的工作原理、技术特点以及在实验室对金属锌、1Cr7铁素体不锈钢铸锭处理效果,并进行了开发的220 mm×1 600 mm板坯连铸机振动激发金属液形核技术装置对16Mn系列钢种应用的工业化试验。结果表明,未经振动激发形核处理的板坯等轴晶率≤10%,中心疏松和偏析为1.5级,经振动激发形核处理的板坯等轴晶率≥30%,中心疏松和偏析为0.5级。分析表明,对大型铸锭使用振动激发金属液形核技术便于在线控制钢锭的凝固组织,有利于提高钢锭凝固组织的等轴晶率和改善内部质量。     

马钢CSP工艺漏斗型结晶器铜板温度检测及传热分析

为了获得求解薄板坯流动、传热凝固模型的合理热流边界条件,并为揭示结晶器铜板及铸坯裂纹的形成机理提供参考依据,应用马钢薄板坯连铸机中结晶器温度监测软件在线采集了不同工况和不同时刻的铜板温度,分析了结晶器铜板温度的变化规律;在此基础上,结合实际冷却参数和铜板实测温度,计算了在不同拉速下浇注断面分别为1 275 mm×70 mm和1 525 mm×70 mm的SPHC钢种时的结晶器热流场。结果表明,相同条件下结晶器铜板温度和热流密度的分布具有相似的规律性,它们在结晶器纵向上呈逐渐下降趋势,而在横向上也存在明显的波动,靠近弯月面时这种波动尤为剧烈;采用相同水口和结晶器浇注宽度分别为1 275 mm和1 525 mm的铸坯时,结晶器铜板温度和热流密度在宽度方向上的分布总体上分别呈现为M和W形状,即铜板温度及热流密度的最高值分别位于铜板宽度方向的1/4处和中心线部位;拉速为4.5 m/min时,结晶器铜板最大热流密度可达到4.6MW/m2。     

振动激发金属液形核过程的传热研究

为了提高铸坯凝固组织的均匀性,减轻宏观偏析,提出了振动激发金属液形核技术,其传热机理是为了促进形核,需要确保晶核发射器棒体表面温度控制在金属液的固、液相线之间,为此开展了传热计算及模拟试验研究。通过试验可知,在气冷条件下,棒体表面因冷却强度不够而无法产生大量的细小晶粒;而在水冷条件下,棒体表面因与钢液间的过冷度太大而迅速结壳,达不到向钢液连续弹射晶粒的目的。通过气雾冷却条件下的传热研究,在气流量为65 m3/h,水雾加湿量为3 kg/h的气雾冷却条件下,与棒体表面接触的钢液能够获得26℃以上的过冷度,因此棒体表面迅速形成大量的晶核而且不会结壳,进而可使晶粒被连续不断地弹射至金属液中,成为凝固过程中等轴晶的形核核心,促进铸坯凝固组织的均匀化。     

复式结晶器内钢液凝固过程的数值模拟

为了检测结晶器的热流分布，在复式结晶器非金属材料段不同位置埋设热电偶，测定了结晶器的温度场，并在此基础上建立了描述复式结晶器内方坯凝固过程的三维数学模型。应用CFX商业软件计算了结晶器内钢液的流场和温度场，并从理论上分析了复式结晶器内钢液凝固过程对铸坯凝固组织的影响。计算和实验结果表明：采用复式结晶器后，结晶器非金属材料段钢液的平均温度梯度约为0．9℃／mm，铸坯的面等轴晶率约为80％。     

复式结晶器铜板表面涂层的热性能检测及分析

低过热度、低温度梯度是提高连铸坯等轴晶率的两个重要技术措施,复式结晶器上部由于实现了弱冷,因此可以用于降低钢凝固前沿的温度梯度,达到抑制柱状晶生长、扩大等轴晶区的目的,进而提高铸坯的内部质量.为了降低复式结晶器上段的热流,在结晶器铜板表面喷涂了隔热涂层,检测了涂层的导热系数及其热震性能.在此基础上,建立了带涂层的复式结晶器传热模型,分析并计算了涂层成分、孔隙度及厚度对复式结晶器上段热阻的影响.结果表明,含20%ZrO2和含30%ZrO2镍基涂层的导热系数分别为8.2W/(m·K)和13.9W/(m·K);600℃下两种涂层的抗热震次数均在50次以上;采用厚度为1.5mm的含20%ZrO2的镍基涂层可以使复式结晶器上段热流密度降低到传统结晶器的一半.     

振动激发金属液形核对锌凝固组织的影响

为提高铸坯的等轴晶率和凝固组织的均匀性,以金属锌为研究对象进行了大量的振动激发金属液形核实验。结果表明,当一种带有冷却结构且进行高频振动的晶核发射器插入锌液内时,锌液在晶核发射器表面迅速形核且长大,在高频振动作用下表面形成的晶粒将被折断剥离,从而连续不断地弹射到锌液中,成为凝固过程中形成大量等轴晶的晶核来源;采用带有水冷和气冷结构的晶核发射器对锌液进行振动激发形核处理后,锌凝固组织中的等轴晶率可分别提高到65%和80%。     

圆坯结晶器水口优化的模拟研究

以大圆坯结晶器为原型,采用数值模拟与物理模拟相结合的方法,分别研究了使用直通式水口和4孔旋转水口时该圆坯结晶器内钢液流场和温度场的分布情况,对比分析了2种水口的优劣。数值模拟和物理模拟结果表明,使用目前常用的直通型水口时钢水冲击深度大,易在弯月面处形成死区,不利于圆坯内部及表面质量的提高;4孔旋转水口比直通水口的钢液冲击深度浅,回旋区位置明显比直通水口更靠近自由液面,这将有利于夹杂物的上浮去除和热区中心的上移。温度场模拟结果显示,使用旋转水口时自由液面温度比直通型水口高14℃,更有利于结晶器内钢水过热耗散及保护渣的熔化,可防止液面结壳。