基于深度学习的连铸坯低倍质量评级

连铸坯低倍质量检测是评价连铸坯质量的重要手段,正广泛应用于连铸生产过程。然而,钢厂大多采用人工方法对连铸坯低倍质量进行评价。这种人工方法依赖于评级人的经验,缺乏检验的一致性、客观性及准确性。为了准确地对连铸坯凝固组织及中心偏析评级,以U-Net网络为基础,集成了残差模块、金字塔池化模块(pyramid pooling module, PPM)以及注意力模块,提出了APR-UNet模型。模型中,残差模块可避免深层网络出现退化问题;PPM可聚合不同区域的上下文信息,加强模型感受野,以提高网络获取全局信息的能力;注意力机制可抑制无用信息,提高模型对铸坯凝固组织及缺陷的分割精度及模型鲁棒性。使用相同数据集分别训练U-Net模型和APR-UNet模型。试验表明,对连铸坯等轴晶区分割,APR-UNet模型的交并比(intersection over union, IOU)达93.54%,较U-Net模型提高了1.06%;对中心偏析的评级,APR-UNet模型的评级成功率达91.2%,较U-Net模型提高了3.6%。APR-UNet模型有效改善了原模型分割结果中出现的过分割现象,在连铸坯凝固组织及缺...     

20CrMnTi连铸瞬态与平均冷速条件下凝固原位观察

 宽淬透性带和大尺寸TiN析出物严重危害20CrMnTi齿轮钢的产品质量,其控制的关键基础是掌握连铸过程中凝固组织演变行为机理。传统高温激光共聚焦扫描显微镜(HT-CSLM)原位观察研究通常将糊状区冷却速率设定为固定值,这不能有效反映连铸凝固过程中冷却速率的变化。为此,以国内某钢厂20CrMnTi 160 mm×160 mm小方坯为研究对象,首先通过二维切片凝固传热计算,确定内弧表面下方20、40、60 mm位置处糊状区的热历程、瞬态与平均冷却速率,进而设计HT-CSLM试验升温与降温方案。然后,开展这些位置处糊状区瞬态与平均冷却速率条件下HT-CSLM试验,研究揭示不同冷却条件下20CrMnTi的凝固过程、δ晶粒生长动力学和包晶相变机制。最后,通过电子探针分析(EPMA),考察冷却条件对凝固组织尺寸的影响规律。结果表明,由于凝固潜热的补偿,内弧皮下20、40、60 mm位置处初始凝固阶段冷却速率较小,凝固中后期逐渐增大,且越深入方坯内部越显著。这些位置处的平均冷却速率分别为102.81、44.63和34.93 ℃/min。δ晶粒率先从钢液中析出,其平均生长速率随着冷却速率的提升而增大。在瞬态冷却速率条件下,随着凝固的进行,瞬时生长速率呈增大的趋势,但是在平均冷却速率条件下瞬时生长速率则略微降低。这是因为在瞬态冷却速率条件下,糊状区冷却速率由慢至快,不断补偿了凝固潜热,同时初始形核数量少,生长空间大,溶质过冷度的影响相对较弱。当熔体温度降低至包晶相变临界温度时,δ晶粒快速转变为γ晶粒,即发生块状转变,导致固相率迅速增加,且伴随有部分γ晶粒快速聚合。整体上讲,包晶相变临界温度随着冷却速率的增大而降低,但是也受溶质初始含量的影响。此后,剩余液相向γ相转变,直至完全凝固。晶粒半径随着冷却速率的提升而减小,且在平均冷却速率条件下比瞬态冷却速率条件更小,这取决于初始凝固阶段的形核数量。     

帘线钢82B小方坯电磁搅拌结晶器多场传输行为

连铸电磁搅拌结晶器内钢液流动、传热、传质和凝固行为十分复杂且对铸坯质量影响巨大,为了进一步揭示电磁搅拌结晶器内多物理场传输行为及其相互影响规律,建立了电磁场作用下三维多物理场耦合连铸凝固模型,模拟研究了结晶器电磁搅拌对帘线钢82B小方坯连铸过程的影响。结果表明,随着搅拌电流强度增大,钢液流动加强;结晶器出口附近铸坯中心纵向流速先减小,进而流速反向,之后反向的流速增大,促进热量散失,加剧了小方坯皮下负偏析,同时促进了钢液池溶质浓度提高。当搅拌电流为280 A时,搅拌器中心铸坯横截面上最大切向速度达到0.23 m/s,距离弯月面1.5 m位置,负偏析低谷碳的质量分数为0.706%,铸坯中心碳的质量分数达到了0.872%。     

冷却结构对连铸结晶器铜板应力分布的影响

建立板坯连铸结晶器三维有限元热弹塑性结构模型,计算铜板等效应力及冷却结构对其影响。研究表明,冷却结构和传热条件决定铜板热面特定力学行为规律,宽面和窄面热面中心线应力分布规律相似,冷却结构尺寸并不改变铜板横截面应力分布的趋势。铜板厚度每增加5 mm,结晶器上部应力仅增大5~7 MPa,而镍层区域变化明显,宽面和窄面最大增幅分别约为60 MPa和50 MPa;镍层每加厚1 mm,宽面和窄面镍层中上部应力提升约20 MPa,而窄面镍层下部应力下降较急剧;当水流量和水温差恒定时,水槽深度增加,热面中心线应力减小,每加深2 mm,结晶器上部下降不足5 MPa,而下部变化较大,最大量达20 MPa。     

板坯连铸结晶器液位瞬时异常波动的时频特性

在连铸过程中,结晶器液面的瞬时异常波动会对连铸坯质量造成不利影响,因此结晶器液位波动的控制是高品质钢连铸过程的关键一环。本研究收集了低碳钢、中碳钢、亚包晶钢和包晶钢的板坯连铸工艺数据,利用快速傅里叶变换(fast Fourier transform, FFT)和连续小波变换(continuous wavelet transform, CWT)分析数据特征,进而研究工艺参数对结晶器液位瞬时异常波动的影响。FFT分析结果表明,鼓肚对于结晶器液面瞬时异常波动并无明显影响。通过CWT分析了结晶器液位瞬时异常波动和塞棒位置的时频特性,结果表明,在不同钢种和拉速下,结晶器液位瞬时异常波动发生之前塞棒位置高频区CWT系数均呈线性增加趋势。因此,通过对塞棒位置高频区的CWT分析,可以预测结晶器液位瞬时异常波动。     

新型连铸结晶器冷却结构的铜板热-力学行为

建立板坯连铸结晶器三维热力耦合有限元模型,通过比较结晶器铜板宽面弯月面处横截面的温度、热应力及变形分布,考察结晶器新型冷却结构对铜板热-力学行为的影响规律。结果表明:在弯月面处宽面热面,新型铜板的最高温度较传统铜板的低60℃,最大热应力小85 MPa,且新型铜板与传统铜板最大变形分别为0.21 mm和0.29 mm;新型铜板和传统铜板弯月面处宽面热面温度、热应力和法向变形波动幅度分别为12℃和67℃,33MPa和113 MPa以及0.02 mm和0.09 mm。因此,新型结构铜板温度、热应力和变形量分布均匀性和合理性比传统的有明显改善,更适合裂纹敏感性钢种的浇铸。     

炼钢与连铸过程数值模拟研究进展

由于钢的冶炼与连铸过程的复杂性以及现场测试条件的限制,数值模拟已成为解析其过程现象和机理不可或缺的手段,自20世纪80年代以来,这种技术得到了飞速发展。在转炉的冶炼方面,利用氧枪超音速射流特性的模拟研究辅助设计了集束、氦气伴随等新型氧枪,通过对转炉熔池内渣-金-气多相流行为模拟研究有效揭示了混匀效率、炉衬冲刷、金属液滴喷溅等物理现象,同时耦合热力学模拟研究了转炉内脱碳、脱磷化学反应过程;在钢的精炼方面,Euler-Euler模型逐渐替代了准单相和Euler-Lagrange模型,成功描述了底吹Ar气钢包内钢液湍流脉动诱导的气泡扩散行为和气泡上浮诱导钢液湍流等现象,而且钢中夹杂物一些新的传输机理和现象也被提出,并利用CFD-PBM模型有效预测了钢液中夹杂物输运、碰撞聚合及去除行为,丰富了钢包精炼夹杂物去除机理,同时CFD-SRM耦合模型实现了钢包精炼多组分参与渣-金反应和脱硫行为的预测,有效揭示了钢液与顶渣的成分、底吹模式对脱硫效率的影响规律;在钢的连铸方面,坯壳-结晶器Cu板热流模型与坯壳热/力模型的耦合成功预测了结晶器周向和高度方向的保护渣和气隙分布特征,奠定了新型内凸型曲面结晶器设计和微合金钢角部裂纹控制的理论基础,结晶器内流场与电磁场耦合模拟研究阐明了电磁搅拌和电磁制动作用下钢液流动行为、液面波动特征以及夹杂物在连铸坯内分布特征,基于体积平均方法的多场/多相凝固模型成功揭示了连铸坯宏观偏析形成机理,定量预测了不同工艺参数下连铸坯中心偏析指数,此外,连铸坯凝固组织演变模拟在晶粒层面上获得了进展,目前正向枝晶领域扩展。整体上讲,钢的冶炼与连铸过程的数值模拟朝着多物理化学/多场耦合方向发展,且研究尺度逐渐向微观层面过渡。     

20CrMnTi钢160 mm×160 mm方坯内部质量控制

针对20CrMnTi连铸160 mmX 160 mm方坯严重的内部质量问题,开展结晶器电磁搅拌(M-EMS)与凝固末端电磁搅拌(F-EMS)参数协同优化试验,通过方坯凝固组织检测和碳偏析检测,详细分析电磁搅拌参数对方坯内部质量的影响规律.此外,借助红外热成像仪检测方坯表面温度,进而利用ANSYS 软件预测方坯凝固传热过...     

冷却结构对连铸结晶器铜板热变形的影响

建立了板坯连铸结晶器三维有限元热弹塑性结构模型,计算了铜板变形及结晶器冷却结构对其影响规律.冷却结构和热力载荷决定了铜板热面变形行为,铜板变形量取决于冷却结构几何参数,并在铜镍分界处有较小变形突变;宽面热面中心线最大变形出现在弯月面下100mm处,窄面最大变形出现在弯月面和冷却水槽末端,且铜镍分界两侧变形曲线有明显的曲率波动;铜板加厚5 mm,最大中心线变形可增加0.05 mm,镍层对中心线变形影响不明显,1 mm的厚度变化仅在窄面引起最大0.01 mm的下降,冷却水槽对中心线变形影响也较小,水槽加深2 mm,最大中心线变形减少0.02 mm.     

包晶钢宽厚板坯连铸结晶器的热流密度与热行为

基于热电偶实测温度,建立了包晶钢宽厚板坯连铸结晶器有限元传热模型和热流密度非线性估算模型.应用模型反算获得包晶钢宽厚板坯结晶器的热流密度,在与热平衡计算得到的平均热流密度进行比较后,阐述了模型的有效性,并分析了实际生产条件下结晶器铜板的温度分布规律.结晶器宽面和窄面的平均热流密度分别为1.141和1.119 MW·m^-2.温度在靠近结晶器背面呈波浪形分布,最大温差为29.6℃,然而在远离背面位置,温度变化平缓.随距弯月面距离的增加,温度呈降低趋势,然而在距结晶器出口附近出现回温现象.同时宽厚板坯连铸结晶器的热流密度和温度分布均有别于传统板坯连铸.