連鑄異形坯冷卻過程模擬仿真及優(yōu)化.pdf

1、在高效節(jié)約型建筑用鋼品種中,H型鋼因節(jié)省結(jié)構(gòu)重量、承載能力強和截面穩(wěn)定性好等諸多優(yōu)點而廣受人們青睞,成為發(fā)展最快、使用最多的經(jīng)濟斷面型鋼之一。異形坯作為一種近終形連鑄產(chǎn)品,無疑是生產(chǎn)H型鋼的最佳坯料,采用連鑄異形坯軋制H型鋼具有能耗低、工序少、成材率高和成本低等顯著優(yōu)點。但是,迄今為止,關(guān)于異形坯連鑄技術(shù)方面的研究還難以滿足現(xiàn)代異形坯連鑄發(fā)展的需求,異形坯連鑄控制水平還遠遠達不到人們的期望。而另一方面,異形坯由于斷面形狀復(fù)雜,與簡單幾何

2、形狀的鑄坯相比更容易產(chǎn)生各種質(zhì)量缺陷。因此,研究異形坯連鑄冷卻過程中質(zhì)量缺陷的形成因為,并深入探討連鑄冷卻條件對鑄坯影響規(guī)律,具有十分重要的經(jīng)濟效益和學(xué)術(shù)價值。
　　 本文以馬鋼連鑄大異形坯為研究對象,以改善鑄坯質(zhì)量這一思路為主線,首先通過現(xiàn)場調(diào)研掌握了異形坯連鑄的特點以及異彤坯質(zhì)量缺陷的分布規(guī)律,并分析了軋材及鑄坯上質(zhì)量缺陷的形態(tài)特征,討論了缺陷形成因為,認為連鑄過程中的冷卻條件是影響異形坯裂紋質(zhì)量缺陷的主要因素。重點采用數(shù)學(xué)

3、模擬方法系統(tǒng)研究了異形坯結(jié)晶器的傳熱行為、結(jié)晶器/坯殼熱應(yīng)力耦合行為以及異形坯二冷制度,探索了異形坯冷卻過程中裂紋形成機理,并對結(jié)晶器區(qū)域和二冷區(qū)的冷卻參數(shù)進行了優(yōu)化。本文的主要研究特點及成果可以簡要概括如下:
　　 ①通過現(xiàn)場調(diào)研,發(fā)現(xiàn)異形坯軋材主要缺陷按嚴重程度依次是裂紋、龜裂、氣孔和夾雜,其中裂紋冶廢率甚至高達7kg·t-1。異形坯的典型裂紋缺陷有腹板縱裂、R角縱裂、窄面中心縱裂、腹板中心裂紋和翼稍內(nèi)裂五種,與簡單幾何形狀

4、鑄坯裂紋缺陷可以進行類比分析。研究表明,軋材腹板縱裂最多,主要來自于鑄坯相同位置的縱裂；軋材龜裂出現(xiàn)在翼緣頂端,推測是由翼緣頂端內(nèi)裂所致。經(jīng)分析認為,減少現(xiàn)有條件下異形坯質(zhì)量缺陷最有效且最具操作性的方法是對其連鑄冷卻條件進行優(yōu)化。
　　 ②采用ABAQUS軟件建立了異形坯結(jié)晶器銅板二維傳熱模型,深入研究了銅板修磨量、冷卻水流速、冷卻水溫度、寬窄面配水比以及環(huán)形水縫內(nèi)限流桿直徑和形狀對銅板溫度分布的影響,提出采用溫度峰值和R角與翼

5、稍內(nèi)角溫差(Tfillet-Tcorner)來評價銅板溫度優(yōu)劣。系統(tǒng)分析了結(jié)晶器水縫優(yōu)化設(shè)計依據(jù)和可能的方法,對異形坯上能夠采用的局部水縫優(yōu)化方法和整體設(shè)計方法進行了模擬分析和對比討論。新設(shè)計水縫的“實驗室A型”結(jié)晶器與原結(jié)晶器相比溫度峰值和Tfillet-Tcorner分別降低了32.5℃和83.3℃,銅板傳熱條件得到大大改善。同時,采用三維模型對銅板傳熱行為進行描述,并分析銅板縱向溫度變化規(guī)律和拉速對銅板溫度的影響。另外,對異彤坯環(huán)

6、形水縫的傳熱系數(shù)計算公式進行了討論和實例對比,并研究了銅板夾角度數(shù)和倒角半徑對銅板溫度的影響,為異形坯結(jié)晶器銅板的設(shè)計提供了參考。以上大部分內(nèi)容均是填補文獻報道中關(guān)于異形坯結(jié)晶器銅板研究的空白,有較多創(chuàng)新之處。
　　 ③建立了異形坯結(jié)晶器/坯殼的二維瞬態(tài)耦合熱應(yīng)力模型,研究了現(xiàn)有條件下坯殼與結(jié)晶器之間的氣隙分布特征、坯殼厚度和溫度變化規(guī)律以及坯殼應(yīng)力分布,發(fā)現(xiàn)在翼稍角部和R角處容易產(chǎn)生氣隙,氣隙厚度最大達0.45 mm。出結(jié)晶器

7、的坯殼厚度最薄處位于翼稍偏離角處,約12.0 mm,其次是在R角處,約13.5 mm。在凝固的不同時期,鑄坯R角、腹板以及翼稍均出現(xiàn)過較大的拉應(yīng)力,與裂紋產(chǎn)生的位置相吻合④構(gòu)建了從結(jié)晶器至切割段的異形坯凝固模型,采用射釘法及紅外測溫法對模型進行校正,同時,針對異形坯寬血溫度分布特征,提出采用寬面溫度標準差和傳統(tǒng)二冷冶金準則相結(jié)合的方法評判異形坯溫度分布狀況,發(fā)現(xiàn)原二冷制度下,鑄坯在1區(qū)B段R角處回溫過大,此后溫度一直偏高,窄面溫降過快,

8、鑄坯橫向溫度均勻性很差。對二冷噴嘴布置方式和水量進行優(yōu)化后,以上問題得到妥善解決,鑄坯在2區(qū)出口處的溫度標準差由原來的78.24℃降至64.28℃,溫度均勻性顯著改善。本部分關(guān)于異形壞橫向溫度標準差的提出以及二冷各段噴嘴布置和配水量的研究可以認為是本文的創(chuàng)新點之一。
　　 ⑤將符合優(yōu)化標準的小孔結(jié)晶器和原結(jié)晶器同時應(yīng)用于現(xiàn)場,發(fā)現(xiàn)每次銅板修磨后,兩種結(jié)晶器的使用壽命均減少約50爐,但小孔結(jié)晶器壽命均比原結(jié)晶器高200爐。在澆注5