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连铸异形坯冷却过程模拟仿真及优化

徐海伦  
【摘要】:在高效节约型建筑用钢品种中,H型钢因节省结构重量、承载能力强和截面稳定性好等诸多优点而广受人们青睐,成为发展最快、使用最多的经济断面型钢之一。异形坯作为一种近终形连铸产品,无疑是生产H型钢的最佳坯料,采用连铸异形坯轧制H型钢具有能耗低、工序少、成材率高和成本低等显著优点。但是,迄今为止,关于异形坯连铸技术方面的研究还难以满足现代异形坯连铸发展的需求,异形坯连铸控制水平还远远达不到人们的期望。而另一方面,异形坯由于断面形状复杂,与简单几何形状的铸坯相比更容易产生各种质量缺陷。因此,研究异形坯连铸冷却过程中质量缺陷的形成原因,并深入探讨连铸冷却条件对铸坯影响规律,具有十分重要的经济效益和学术价值。 本文以马钢连铸大异形坯为研究对象,以改善铸坯质量这一思路为主线,首先通过现场调研掌握了异形坯连铸的特点以及异形坯质量缺陷的分布规律,并分析了轧材及铸坯上质量缺陷的形态特征,讨论了缺陷形成原因,认为连铸过程中的冷却条件是影响异形坯裂纹质量缺陷的主要因素。重点采用数学模拟方法系统研究了异形坯结晶器的传热行为、结晶器/坯壳热应力耦合行为以及异形坯二冷制度,探索了异形坯冷却过程中裂纹形成机理,并对结晶器区域和二冷区的冷却参数进行了优化。本文的主要研究特点及成果可以简要概括如下: ①通过现场调研,发现异形坯轧材主要缺陷按严重程度依次是裂纹、龟裂、气孔和夹杂,其中裂纹冶废率甚至高达7 kg·t~(-1)。异形坯的典型裂纹缺陷有腹板纵裂、R角纵裂、窄面中心纵裂、腹板中心裂纹和翼稍内裂五种,与简单几何形状铸坯裂纹缺陷可以进行类比分析。研究表明,轧材腹板纵裂最多,主要来自于铸坯相同位置的纵裂;轧材龟裂出现在翼缘顶端,推测是由翼缘顶端内裂所致。经分析认为,减少现有条件下异形坯质量缺陷最有效且最具操作性的方法是对其连铸冷却条件进行优化。 ②采用ABAQUS软件建立了异形坯结晶器铜板二维传热模型,深入研究了铜板修磨量、冷却水流速、冷却水温度、宽窄面配水比以及环形水缝内限流杆直径和形状对铜板温度分布的影响,提出采用温度峰值和R角与翼稍内角温差( T fillet - Tcorner)来评价铜板温度优劣。系统分析了结晶器水缝优化设计依据和可能的方法,对异形坯上能够采用的局部水缝优化方法和整体设计方法进行了模拟分析和对比讨论。新设计水缝的“实验室A型”结晶器与原结晶器相比温度峰值和T fillet - Tcorner分别降低了32.5℃和83.3℃,铜板传热条件得到大大改善。同时,采用三维模型对铜板传热行为进行描述,并分析铜板纵向温度变化规律和拉速对铜板温度的影响。另外,对异形坯环形水缝的传热系数计算公式进行了讨论和实例对比,并研究了铜板夹角度数和倒角半径对铜板温度的影响,为异形坯结晶器铜板的设计提供了参考。以上大部分内容均是填补文献报道中关于异形坯结晶器铜板研究的空白,有较多创新之处。 ③建立了异形坯结晶器/坯壳的二维瞬态耦合热应力模型,研究了现有条件下坯壳与结晶器之间的气隙分布特征、坯壳厚度和温度变化规律以及坯壳应力分布,发现在翼稍角部和R角处容易产生气隙,气隙厚度最大达0.45 mm。出结晶器的坯壳厚度最薄处位于翼稍偏离角处,约12.0 mm,其次是在R角处,约13.5 mm。在凝固的不同时期,铸坯R角、腹板以及翼稍均出现过较大的拉应力,与裂纹产生的位置相吻合 ④构建了从结晶器至切割段的异形坯凝固模型,采用射钉法及红外测温法对模型进行校正,同时,针对异形坯宽面温度分布特征,提出采用宽面温度标准差和传统二冷冶金准则相结合的方法评判异形坯温度分布状况,发现原二冷制度下,铸坯在1区B段R角处回温过大,此后温度一直偏高,窄面温降过快,铸坯横向温度均匀性很差。对二冷喷嘴布置方式和水量进行优化后,以上问题得到妥善解决,铸坯在2区出口处的温度标准差由原来的78.24℃降至64.28℃,温度均匀性显著改善。本部分关于异形坯横向温度标准差的提出以及二冷各段喷嘴布置和配水量的研究可以认为是本文的创新点之一。 ⑤将符合优化标准的小孔结晶器和原结晶器同时应用于现场,发现每次铜板修磨后,两种结晶器的使用寿命均减少约50炉,但小孔结晶器寿命均比原结晶器高200炉。在浇注500炉和100炉以后,小孔结晶器浇注铸坯的裂纹率与原结晶器相比分别降低了89.7%和79.5%,铸坯各部位的表层组织也更加均匀。优化前后二冷制度的现场应用表明,二冷优化后,轧材因质量缺陷导致的修磨量由93.08 kg·t~(-1)减少至18.61 kg·t~(-1),同比下降80%,铸坯表面温度和内部组织更加均匀,铸坯中心裂纹和翼缘的缩孔也显著弱化。总体而言,异形坯连铸冷却条件的优化使铸坯质量得到很大的改善,符合预期的研究目标。


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