津西h型鋼凝固過(guò)程溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)模擬研究

1、2007年?duì)t外精煉年會(huì)論文集2192007年7月LadleRefining2007AnnualMeetingProceedingsJuly.2007津西H型鋼凝固過(guò)程溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)模擬研究楊景軍1)韋士來(lái)2)1)北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院，北京1000832)河北津西鋼鐵股份有限公司，唐山063006摘要采用數(shù)值模擬的方法對(duì)津西鋼鐵公司煉鋼廠H型鋼連鑄過(guò)程中的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行模擬研究，分析H型鋼腹板裂紋產(chǎn)生的主要原因，并對(duì)二次冷卻

2、區(qū)的冷卻方案進(jìn)行改進(jìn)。在腹板表面中心區(qū)，矯直點(diǎn)溫度正好處在Q235b的塑性最低點(diǎn)，同時(shí)該位置的熱應(yīng)變也很大，因此在矯直力作用下該位置容易出現(xiàn)裂紋；為避免腹板表面裂紋產(chǎn)生，可將二冷三段分成兩個(gè)部分，前半部分維持原有水流密度，自三段后半部分至五段切斷腹板表面噴水，讓腹板自然冷卻。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞數(shù)值模擬；裂紋；二次冷卻1引言隨著連鑄技術(shù)的快速發(fā)展，鑄坯質(zhì)量始終是不可忽視的重要方面。眾所周知連鑄凝固過(guò)程的傳熱行為對(duì)連鑄坯質(zhì)量保證有著極其重要的作用

3、。根據(jù)不同的鑄機(jī)特點(diǎn)，鑄坯坯型均要采取特定的冷卻制度保證連鑄坯的無(wú)缺陷化和連鑄生產(chǎn)高效順行[1]。津西鋼鐵公司是我國(guó)大規(guī)格H型鋼的主要生產(chǎn)廠家。自從2006年5月投產(chǎn)以來(lái)，有時(shí)出現(xiàn)鑄坯腹板裂紋，影響了鑄坯的合格率，考慮到有關(guān)這方面的研究較少，為此本文采用數(shù)值模擬的方法對(duì)河北津西鋼鐵股份有限公司煉鋼廠異型坯凝固過(guò)程進(jìn)行模擬，深入分析了連鑄過(guò)程中腹板裂紋形成的原因，優(yōu)化津西H型鋼的連鑄生產(chǎn)中的相關(guān)工藝參數(shù)。這方面的研究工作對(duì)津西鋼廠H型鋼質(zhì)

4、量改進(jìn)具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。2數(shù)學(xué)模型的建立2.1裂紋的特征H型鋼產(chǎn)生的腹板裂紋如下圖所示：2.2溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型熱過(guò)程和凝固過(guò)程模擬的主要任務(wù)是對(duì)給定過(guò)程參數(shù)和設(shè)備參數(shù)下連鑄溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬，預(yù)測(cè)鑄坯溫度場(chǎng)和凝固坯殼厚度，同時(shí)發(fā)現(xiàn)連鑄過(guò)程在傳熱中存在的問(wèn)題。該過(guò)程二維非穩(wěn)態(tài)熱傳輸方程為：))(())(()(yTkyxTTkxtTH????????????…..（1）在結(jié)晶器上表面，假設(shè)鋼水溫度與中間包澆注溫度（OT）相等，也即0?t時(shí)，0T

5、T?。結(jié)晶器內(nèi)邊界條件屬于第二類邊界條件，表達(dá)式為q=a－bt式中a為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，b是結(jié)晶器冷卻水量、冷卻水溫差、鑄坯結(jié)構(gòu)尺寸等參數(shù)的函數(shù)。在二冷區(qū)，邊界結(jié)點(diǎn)熱流通量與邊界溫度成線性關(guān)系，即??????TThqwf式中wT為鑄坯表面溫度；?T為冷卻水溫度；fh為鑄坯與水之間的給熱系數(shù)，這里取0.451581fhw???10.0075wT?，其中w為水速，該值可由冷卻水量、冷卻水溫等參數(shù)計(jì)算得到。在空冷區(qū)，以輻射傳熱為主，輻射傳熱熱流密度采

6、用四次方定律。上述連鑄過(guò)程數(shù)學(xué)模型基于下列假設(shè)：鑄坯兩相區(qū)和液芯對(duì)流傳熱靠增大鋼液導(dǎo)熱系數(shù)4倍進(jìn)行考慮；)(TK)(TH)(T?僅隨溫度變化；忽略結(jié)晶器振動(dòng)、結(jié)晶器錐度和凝固偏析的影響；忽略彎月面的影響；視彎月面處熔融金屬的溫度為澆注溫度。2.3應(yīng)力場(chǎng)數(shù)學(xué)模型連鑄應(yīng)力過(guò)程數(shù)學(xué)模型可以預(yù)測(cè)鑄坯坯殼內(nèi)的應(yīng)力和應(yīng)變分布，為所生產(chǎn)的連鑄坯質(zhì)量，尤其是鑄坯裂紋的產(chǎn)生提供非常重要的數(shù)據(jù)。本文采用二維瞬態(tài)熱彈塑性方程進(jìn)行模擬計(jì)算。計(jì)算過(guò)程中考慮了鋼水

7、靜壓力對(duì)凝固坯殼的影響；采用vonMises屈服準(zhǔn)則來(lái)計(jì)算鋼的July.20072007年?duì)t外精煉年會(huì)論文集?221?圖2鑄坯上特殊點(diǎn)位置的溫度歷程2計(jì)算溫度與實(shí)測(cè)溫度比較測(cè)溫位置鑄坯測(cè)溫點(diǎn)計(jì)算溫度(℃)實(shí)測(cè)溫度(℃)絕對(duì)誤差相對(duì)誤差(%)腹板表面851829212.53翼緣表面中心810780303.85二冷出口處(距離結(jié)晶器液面10.06米對(duì)應(yīng)圖1中616秒)窄面表面中心994975191.95腹板表面中心808780283.59R

8、角963935282.99翼緣表面中心73273530.041號(hào)矯直機(jī)前(距離結(jié)晶器液面16.19米對(duì)應(yīng)圖1中991秒)窄面表面中心954885697.8R角90390410.11翼緣表面中心703690131.882號(hào)拉矯后(距離結(jié)晶器液面19.64米對(duì)應(yīng)圖1中1202秒)窄面89689510.11表面中心R角836850141.65翼緣表面中心6696501924號(hào)拉矯后(距離結(jié)晶器液面24.39米對(duì)應(yīng)圖1中1493秒)窄面表面中心