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典型微合金化钢板坯角部横裂纹产生机理与倒角结晶器技术研究

杨春政  
【摘要】:以典型铌、钒、钛微合金化钢为研究对象,通过理论和试验研究分析了板坯表面角横裂的形成机理,建立了常规和带倒角结晶器内的流体流动、传热和宏观凝固以及矫直过程应力应变的数学模型,分析了常规和带倒角结晶器下板坯的凝固过程及其不同角部形状(包括倒角角度及倒角长度的变化)对铸坯角部钢水流动、温度变化、凝固过程和应力应变的相对影响。在此基础上,优化设计了倒角结晶器结构,采用带倒角的结晶器窄边铜板进行了工业试验,并考察了带倒角连铸坯对典型微合金化钢边部质量的影响。主要研究结果如下: (1)卧坯试验结果表明,结晶器内及垂直段铸坯角部无裂纹。在距弯月面3270mm处,即对应于弯曲开始后710mm铸坯即开始出现多处外弧横裂纹,因此外弧裂纹是弯曲过程产生的。 (2)结晶器内的流体流动、传热和宏观凝固的数学模型分析表明,铸坯倒角形状的变化并不明显影响浸入式水口附近的总体流动模式。倒角形状的改变明显影响了弯月面位置处角部的流动分布,随着倒角角度的增加,弯月面角部的流动分离位置更靠近于铸坯的侧面,而且在铸坯宽面与窄面相交的角部附近的流动明显增强,流动对铸坯角部的冲击增加。随着倒角长度的增加,弯月面角部的流股对铸坯窄边的倒角部位冲击增加。在结晶器出口位置,随着倒角角度的增加,铸坯角部的表面温度近似呈线性增加,但是铸坯宽面与窄面的角部附近的流动增强。就不同倒角长度设计而言,较小的倒角长度如L=10mm就能将角部温度提高约102℃,随着倒角长度的增加,铸坯角部温度的提高幅值降低,当倒角长度从L=60mm增加到L=80mm时,铸坯角部的温度值提高幅度仅为26℃,而流动对铸坯倒角部位的冲击则明显增加,坯壳厚度变薄。因此,在优化结晶器倒角设计时,需要考虑铸坯倒角角度和倒角长度尺寸的改变对角部钢水流动、温度分布和凝固坯壳增长的综合影响。 (3)矫直过程应力应变有限元模拟分析结果表明,当矫直(压下)速度一定时,铸坯温度的变化(700℃~1000℃)对铸坯截面切向等效应力应变影响比较小,但对等效应力影响比较大。最大的等效应力的位置发生在倒角斜面内,距角部约15mm~33mm。当矫直温度在900℃以上时,斜面内最大等效应力范围大幅下降。倒角角度对铸坯棱角部位切向应力应变影响很大,在等倒角长度条件下,30o和45o倒角铸坯棱角部位切向应力应变相对最小,只有同截面直角铸坯的40%~46%。不同倒角长度对铸坯棱角部位切向应力应变影响很大,在等铸坯角部倒角( 30o)一定条件下,当倒角长度控制在65mm~85mm之间时,铸坯棱角部位切向应力应变相对最小,当倒角长度为75mm时,铸坯棱角部位切向等效应变只有同截面常规铸坯的40%。 (4)工业试验结果表明,倒角结晶器窄面铜板可用于首钢京唐公司板坯的规模化生产,其对液位波动、拉坯阻力没有明显的影响,在铸机矫直位置,大倒角的铸坯角部温度相比常规铸坯提高了100℃左右,提高了矫直段铸坯的高温延展性,有利于控制微合金钢板坯角横裂的发生;倒角结晶器在生产Q345B钢以及X65、L290等微合金钢板坯时,铸坯角横裂发生率得到了大幅度的降低,比现有技术降低了80%以上。


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