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大规格GCr15轴承钢连铸连轧质量分析及有限元模拟

李晓滨  
【摘要】:近年来,随着钢铁工业的发展,推动钢铁材料向着更高性能的方向发展。同时,为了满足不同的使用条件,对钢铁产品的规格和质量的要求也越来越高。国内轴承钢的生产已经得到了飞速的发展,气体含量已经接近国外先进水平,但是大规格GCr15轴承钢的产量较少,并且内部质量还存在着一定的不稳定性,其中以中心裂纹、中心缩孔、中心疏松、偏析等缺陷最为常见。随着计算机技术与有限元方法的发展,基于有限元理论的数值模拟方法为连铸、轧制过程的研究提供了重要手段,从而为生产工艺的优化设计提供依据,取得了的主要结果如下: 1.连铸结晶器内轴承钢矩形坯的温度场模拟 (1)对比了几何模型分别为直角和圆角时温度场模拟结果。当几何模型为直角时,采用Savage热流时结晶器出口角部温度过低,采用平均和Flint热流时角部温度还为负值,不符合实际情况,在建模时几何模型应为圆角。 (2)在不同的阶段气隙厚度不同,结晶器纵向上可划分为紧密接触区、气隙初步形成区、气隙稳定存在区三个区,在不同的区采取不同的修正系数。结晶器横断面气隙的形成是不均匀的,热流密度由中心向角部呈线性变化,这种情况下表面温度曲线较为平滑,角部温度下降减缓,在接近于角部区域的偏角区(距离角部25-65mm)成为热节区,铸坯凹陷、皮下裂纹等缺陷在此位置易发生。 (3)采用圆角几何模型,Savage热流边界,修正横向角部气隙时模拟结果符合实际情况,所对应结晶器出口的宽面中心、窄面中心、角部(对角线)、宽面热节区、窄面热节区的坯壳厚度分别为:21.9mm、17.8mm、54.5mm、18.2mm、16.2mm。 (4)建立了表面温度随时间变化的结晶器内连铸坯三相(固相区、两相区、液相区)凝固数学模型,与有限元模拟结果吻合较好。 2.轴承钢连铸矩形坯质量分析 (1)未采用轻压下时,轴承钢矩形坯裂纹产生的原因主要是非稳态浇铸过程中结晶器卷渣引入的外来夹杂物造成的,炉外精炼中使用了高碱度和较高A1203含量的渣系,也会引入部分夹杂物。在控制非稳态浇铸的基础上,通过适当地减少渣系的碱度及调整吹氩的时间和流量;采取流量控制装置及电磁搅拌可以提高夹杂物的去除率。 (2)采用轻压下时,如果压下量过大(单辊压下量3mm),加之连铸坯中气体含量控制的不理想,而在LIT~ZDT温度区域裂纹敏感性较强,当等效塑性应变大于临界应变(0.4-1.5%)和等效应力超过临界断裂应力(3.9-7.2MPa),内部便会出现裂纹。当单辊压下量从3mm降低到2mmm时,等效应变和应力分别降低21.7%和18.8%,轻压下过程中连铸坯出现内部裂纹的几率降低。 (3)工业试验表明,在保证炼钢质量的基础上,采用合适的连铸工艺,使得各个参数相互配合,特别是调整动态轻压下,可以明显改善铸坯内部质量,中心疏松级别和缩孔级别均较低。 3.初轧过程中缩孔的变形行为 (1)采用9道次压下中心缩孔时,面积的变化率随着缩孔直径的增大而变大(缩孔直径为40mm时压缩率可以达到82%,直径为10mm时压缩率仅为71.4%),并且随着时间的延长,缩孔越来越小,越来越难压缩。 (2)采用9、11、13道次对Φ20mm中心缩孔轧制对比发现,9道次压下规程Y向的压缩量最大(压缩率为41.4%),11道次压下规程Z向的压缩量最大(压缩率为77.6%),面积的变化率差别不大,都达到了80%以上。 (3)采用9道次压下规程时,当缩孔位于距离窄面1/4宽面1/2时,缩孔最高点的变形较小,最低点的变形较大,就导致缩孔变形为上半部分稍大,下半部分稍小,左右对称的类椭圆,总体面积变化率(85.8%)要比中心缩孔高,缩孔越接近轧辊或表面,就越容易焊合。 (4)在存在着翻钢的初轧过程中,采用某个方向道次大压下量的结果在另一个方向有大的宽展,翻钢后另一方向轧制时,压缩率就会减少,对缩孔处作用就会减弱,也就不利于整体的焊合,应综合考虑道次压下量及宽展的作用。


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