石油套管钢的凝固组织与连铸工艺模拟研究

【摘要】：石油套管是石油开采过程中的重要器材,其质量直接关系到石油的安全开采及运输。随着石油开发战略的转变,开采地转移到西部及沿海等自然条件较差的地方,油层较深,因此,对石油套管的性能和质量提出了更高、更新的要求。由于石油套管钢合金元素较多,连铸过程作为生产石油套管钢铸坯的基础环节,在生产过程中经常出现裂纹、合金成分不稳定、成分偏析和等轴晶率不高等问题,连铸工艺是影响石油套管钢的质量的主要工艺因素。针对某钢厂生产中的实际问题,本文展开了一系列的实验模拟研究。应用高温试验、组织低倍检测等方法分析了其凝固特性及组织结构等物理性能,分析钢种产生缺陷的内因。为了降低铸坯缺陷等级,采用数值模拟方法研究了连铸过程中的二冷配水、结晶器和末端电磁搅拌等重要工艺流程,优化了二冷配水,确定了结晶器和末端的最佳搅拌参数,对提高铸坯质量、节约生产成本具有重要的意义。为了分析石油套管钢在连铸过程中存在的问题,降低铸坯缺陷,建立了连铸圆坯宏观凝固传热模型,采用变间距有限差分法进行离散。经验证,铸坯表面模拟温度与现场实测温度的误差小于2%,模型精度较高。考虑了枝晶形核、长大及曲率过冷等因素,建立了微观组织模拟的元胞自动机和宏观传热的耦合模型。由模拟得到的石油套管钢组织结构与连铸圆坯低倍组织对比可知,等轴晶率误差较小。分析了连铸工艺参数对铸坯组织的影响,结果表明拉速对等轴晶率的影响较小;降低过热度,能够增加晶粒数量,减小晶粒的平均半径,提高铸坯的等轴晶率;降低二冷水量,能提高铸坯的等轴晶率。优化了连铸过程的结晶器和二冷配水制度。提出了改进的自适应遗传算法,该算法的优化效率较高。应用该算法优化了石油套管钢连铸圆坯的二冷配水。其适应度函数考虑了温度限制,鼓肚限制,升温速率,降温速率,目标温度及冷却水量等冶金准则。对石油套管钢圆坯的二冷区进行优化,结果表明优化后的水量节省10%左右,且表面温度更加合理,回温速率和降温速率都很平缓,满足冶金准则,提高了铸坯质量,达到了节能降耗的要求。结合圆坯连铸生产过程,建立了圆坯结晶器和末端电磁搅拌过程的磁场、流场和温度场耦合模拟的数学模型。结晶器和末端电磁搅拌产生的磁场都是旋转磁场。结晶器电磁搅拌的电流强度由250A增至400A,搅拌器中心的磁感应强度由40mT增至70mT;随电流频率的增加,磁感应强度减小,电磁频率为3Hz的最大磁感应强度为55mT,减至电磁频率为6Hz的36mT。边部最大切向速度由电流250A时的0.12m/s增至电流400A时的0.18m/s。凝固末端电磁搅拌在径向方向上的电磁力呈现“中间大,两头小”的规律。末端电磁搅拌电流频率为9Hz时,电流强度每增加50A,磁感应强度增大11mT;当电流从450A变化到600A时,电磁力从3010N/m3增加到3916N/m3,最大搅拌速度从 0.12m/s 增加至 0.18m/s。在数值模拟分析的基础上,提出了最优的结晶器和末端电磁搅拌的电磁参数分别为300A\3Hz,300A\4Hz和550A\8Hz,550A\9Hz。铸坯质量得到明显改善,连铸坯的等轴晶率提高到50%以上,铸坯中大部分质量缺陷均已消失,铸坯组织的整体均匀性和紧密性均得到显著提高。优化后的C、Mo元素偏析分布范围更窄,波动更小,成分分布变得更加均匀。