板坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)凝固坯殼的熱-力學(xué)行為研究.pdf

1、結(jié)晶器內(nèi)鋼凝固過程溶質(zhì)晶界偏析和初凝坯殼的熱/力學(xué)狀態(tài)直接影響連鑄坯表面及皮下質(zhì)量，揭示結(jié)晶器冷卻條件下鋼凝固兩相區(qū)內(nèi)溶質(zhì)微觀偏析規(guī)律及其影響和坯殼結(jié)晶器內(nèi)凝固過程熱/力學(xué)行為變化規(guī)律及結(jié)晶器工藝條件對(duì)其變化的影響規(guī)律，對(duì)制定合理的連鑄工藝參數(shù)和提高鑄坯質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)高效連鑄具有十分重要的意義。為此，本文以連鑄結(jié)晶器內(nèi)坯殼凝固冶金行為作為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬方法建立了伴隨δ/γ相變的鋼凝固兩相區(qū)溶質(zhì)微觀偏析模型和板坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)坯殼生長(zhǎng)的

2、熱/力耦合有限元模型，研究分析了結(jié)晶器內(nèi)C，Si，Mn，P和S溶質(zhì)元素兩相區(qū)內(nèi)微觀偏析特點(diǎn)及其對(duì)凝固前沿裂紋敏感性的影響和鑄坯凝固過程坯殼-結(jié)晶器界面內(nèi)氣隙、保護(hù)渣、界面熱流、坯殼溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)等動(dòng)態(tài)分布規(guī)律，以豐富連鑄結(jié)晶器的冶金理論，為實(shí)際生產(chǎn)提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。本文主要研究?jī)?nèi)容和獲得的結(jié)果如下:
　　1.基于Ueshima的正六邊形橫斷面枝晶模型，采用有限容積法建立了結(jié)晶器冷卻條件下伴隨δ/γ相變的鋼凝固過程兩相區(qū)溶質(zhì)微觀偏

3、析模型。結(jié)果表明:
　　(1)C元素在鋼凝固過程晶界不會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈偏析，鋼液初始C含量變化對(duì)結(jié)晶器內(nèi)鋼的凝固方式影響顯著，引發(fā)兩相區(qū)內(nèi)溶質(zhì)元素偏析行為產(chǎn)生較大差異;P，S為極易偏析元素，增加鋼液初始P，S含量，也會(huì)引起鋼凝固方式發(fā)生改變，δ-Fe中的C溶解度和包晶點(diǎn)C含量減小;S凝固末期的晶界絕對(duì)偏析量與鋼液初始S含量呈較好的線性關(guān)系，P元素僅當(dāng)鋼液初始P含量低于0.030％時(shí)凝固末期的晶界絕對(duì)偏析量與鋼液初始含量有較好的線性關(guān)系，

4、當(dāng)初始P含量高于該值時(shí)絕對(duì)偏析量的增長(zhǎng)速度減緩。
　　(2)鋼凝固前沿的臨界斷裂應(yīng)變?chǔ)與隨鋼液初始C含量增加呈總體下降趨勢(shì)，并在包晶鋼C含量范圍內(nèi)出現(xiàn)突降;當(dāng)鋼液初始C含量低于0.30％時(shí)，εc隨鋼液初始P，S含量增加而顯著減小，當(dāng)鋼液初始C含量高于0.30％時(shí)P，S偏析對(duì)εc的影響減弱;鋼凝固前沿臨界斷裂應(yīng)力隨鋼液初始C含量增加而增大;增加鋼液初始P，S含量，小幅提高鋼在固相分率fs=1.0處的臨界斷裂應(yīng)力，但引起兩相區(qū)內(nèi)鋼的固

5、相分率及相組成出現(xiàn)顯著變化，相同溫度下鋼凝固前沿的抗拉強(qiáng)度減小，不利于連鑄生產(chǎn)。
　　2.結(jié)合某鋼廠包晶鋼生產(chǎn)實(shí)際，以微觀偏析模型為基礎(chǔ)建立了耦合保護(hù)渣和氣隙動(dòng)態(tài)分布的板坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)凝固坯殼熱/力耦合有限元模型。結(jié)果表明:
　　(1)主流工藝條件下，結(jié)晶器內(nèi)氣隙初始出現(xiàn)于鋼液面下160mm的坯殼角部，且集中產(chǎn)生于距坯殼角部0～20mm區(qū)域內(nèi)，坯殼寬面角部氣隙厚度隨坯殼下行逐漸增加，并在結(jié)晶器出口上方280mm處出現(xiàn)“突增”

6、現(xiàn)象，窄面角部氣隙集中產(chǎn)生于鋼液面下160～450 mm高度范圍;結(jié)晶器渣道內(nèi)的保護(hù)渣填充形式以固渣為主，沿坯殼寬/窄面中心方向均呈先增大后減小趨勢(shì)分布，寬面保護(hù)渣厚度整體小于窄面，并在結(jié)晶器出口上方200 mm處的偏離角區(qū)域出現(xiàn)峰值。
　　(2)結(jié)晶器內(nèi)初凝坯殼寬/窄面偏離角區(qū)域是其沿周向產(chǎn)生“熱點(diǎn)”的集中區(qū)，主流連鑄工藝條件下，結(jié)晶器出口處該二區(qū)域的表面溫度比對(duì)應(yīng)中心升高120℃和61℃、坯殼厚度減小1.5mm和0.9mm，成

7、為坯殼在結(jié)晶器內(nèi)產(chǎn)生表面和皮下缺陷的薄弱環(huán)節(jié);坯殼表層應(yīng)力為拉應(yīng)力，凝固前沿為壓應(yīng)力，二者隨坯殼下行均逐步增大，并沿周向發(fā)生較顯著變化。
　　(3)其它工藝條件不變，提高拉速，坯殼角部氣隙厚度整體減小，結(jié)晶器中下部寬面角部氣隙“突變”區(qū)域上移、保護(hù)渣增厚，窄面保護(hù)渣與之呈相反趨勢(shì)分布，結(jié)晶器出口處偏離角區(qū)域坯殼表面溫度回升幅度減小;增加結(jié)晶器窄面錐度小幅減小坯殼窄面角部附近區(qū)域的氣隙與保護(hù)渣的厚度分布，加劇了坯殼寬面角部氣隙的生長(zhǎng)

8、，引起結(jié)晶器出口處坯殼寬面偏離角區(qū)域的表面溫度變化顯著;增加結(jié)晶器冷卻強(qiáng)度，坯殼角部氣隙厚度整體小幅增加，坯殼表面溫度整體小幅下降;提高鋼水過熱度將加劇坯殼角部氣隙生長(zhǎng)，界面保護(hù)渣厚度與氣隙呈相反趨勢(shì)分布，鋼水過熱度每提升10℃，坯殼表面溫度隨之整體提升8～12℃，結(jié)晶器出口處坯殼偏離角區(qū)域的表面溫度趨于均勻;提高保護(hù)渣凝固溫度引發(fā)界面內(nèi)保護(hù)渣完全凝固位置上移、厚度減小，坯殼角部氣隙厚度整體增加，保護(hù)渣凝固溫度越低，結(jié)晶器出口處的坯殼表

9、面溫度沿周向分布越均勻，對(duì)包晶鋼板坯連鑄越有利。
　　3.基于包晶鋼結(jié)晶器內(nèi)的凝固特性，從結(jié)晶器內(nèi)傳熱均勻性角度出發(fā)，引入并研究了3種不同錐度結(jié)構(gòu)銅板組合下包晶鋼板坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)的傳熱行為。結(jié)果表明:使用“結(jié)晶器寬面角部楔形狀錐度與窄面角部楔形狀曲面理想型錐度結(jié)構(gòu)組合”銅板連鑄包晶鋼，基本消除結(jié)晶器窄面界面內(nèi)保護(hù)渣和氣隙的不均勻分布，并有效壓縮坯殼寬面角部氣隙和不均勻分布保護(hù)渣沿寬面中心方向的分布范圍，坯殼寬/窄面界面熱流和溫度分