【摘 要】
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进入二十一世纪以来,随着我国高端装备制造业快速发展,对高品质、大规格钢材需求量大幅增加,连铸机断面大型化已成为高效连铸生产技术发展的重要趋势之一。然而,随着连铸坯断面的增宽加厚,其中心偏析及缩孔、疏松等内部质量问题愈加凸显,严重制约了高品质连铸母坯及其轧材高效、稳定制备。鉴于此,采用热/力耦合数值模拟方法,系统研究了宽厚板坯、大方坯变形行为,并定量阐明了凝固末端重压下实施过程铸坯心部区域缩孔的演变
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进入二十一世纪以来,随着我国高端装备制造业快速发展,对高品质、大规格钢材需求量大幅增加,连铸机断面大型化已成为高效连铸生产技术发展的重要趋势之一。然而,随着连铸坯断面的增宽加厚,其中心偏析及缩孔、疏松等内部质量问题愈加凸显,严重制约了高品质连铸母坯及其轧材高效、稳定制备。鉴于此,采用热/力耦合数值模拟方法,系统研究了宽厚板坯、大方坯变形行为,并定量阐明了凝固末端重压下实施过程铸坯心部区域缩孔的演变规律,主要研究结果如下:1.建立了非均匀冷却条件下的三维宽厚板坯鼓肚变形有限元模型,系统研究了非均匀冷却、拉速及铸辊错位对宽厚板坯鼓肚变形的影响,阐明了鼓肚变形引起的宽厚板坯凝固前沿在厚度、宽向、拉坯方向上的拉伸应变集中分布区域,及其对应诱发三角区裂纹、中间裂纹、内角裂纹缺陷的机理;非均匀冷却条件下坯壳鼓肚变形及凝固前沿拉伸应变显著增加,裂纹风险加剧;随着铸辊错位增加,坯壳鼓肚变形随之增大,拉伸应变整体呈线性增长趋势,且厚度方向与拉坯方向上增长幅度最大。2.建立了宽厚板坯连铸全程三维热-弹-塑性热收缩变形模型,定量揭示了拉速、过热度及铸坯宽度对浇铸全程宽厚板坯热收缩变形影响,并针对宽厚板坯热收缩宽向分布差异明显特征,提出了加权热收缩计算方法,即:式中,C为加权热收缩量,mm;Sb、Se为铸坯完全凝固区对应的宽面起始及结束位置;Mb、Me为铸坯未完全凝固区对应的宽面起始及结束位置;i、j为铸坯未完全凝固区域及已凝固区域对应的宽面位置编号;C为铸坯宽面各位置热收缩量,mm;η及γ分别为位置及区域权重系数。3.建立了宽厚板坯凝固末端重压下三维热/力耦合计算模型,系统分析了压下过程铸坯中心区域宏观缩孔（尺寸1～5 mm）及微观缩孔（尺寸200～500 μm）的演变规律,建立了基于等效应变与静水应力积分的宽厚板坯重压下宏观缩孔闭合度理论计算模型,即:ηs=-4.90×εeq2+3.35×εeq+1.76×10-3ηv=-2141.31×Q4+669.13×Q3-77.62×Q2+6.85×Q-6.50 ×10-2式中,ηs及ηv分别为基于重压下前后缩孔厚度方向偏差比及体积变化定义的闭合度;εeq及Q分别为基于无缩孔模型计算的缩孔对应位置等效应变及静水应力积分。宽厚板坯微缩孔分布、形貌特征及其重压下过程演变规律研究表明:宽厚板坯微缩孔近似呈椭球形,集中分布于铸坯厚度中心约30 mm带状区域内;铸坯横断面与宽向中心纵断面内,随着椭球形微缩孔长轴偏离压坯方向（即铸坯厚度方向）,横断面内的微缩孔闭合度不断增大,而宽向中心纵断面内的微缩孔闭合度先持续减小后增大。铸坯厚度中心纵断面内,随着椭球形微缩孔长轴偏离铸坯宽度方向,微缩孔闭合度先减小后持续增大。4.建立了大方坯凝固末端重压下三维热/力耦合计算模型,系统研究了压下过程两拉矫机相同转速驱动与不同转速驱动条件下大方坯中心缩孔演变规律。等转速驱动条件下,大方坯凝固末端施加10%的重压下变形后,中心缩孔沿厚度方向发生变形度约0.46的较大缩减变形,而缩孔沿拉坯及宽度方向仅发生变形度小于0.1的增长变形。随着压下位置由凝固末端向后偏移2.2 m（两架拉矫机距离）,拉矫机压坯力因铸坯整体温度降低而增大约15%。与粗轧过程均温铸坯（1100℃）相比,大方坯凝固末端（内外温差约400℃）实施重压下时的闭合度可提高约25%。采用单凸辊及双凸型辊条件下,达到与传统双平辊相同压下量所需的拉矫机压坯力分别降低41.9%及56.2%。差异转速驱动条件下,前辊与压下辊间的差速比Rv>1（即前辊转速大于压下辊转速）时的差速驱动可有效提升重压下对中心缩孔改善效率;当Rv>1.2,差速驱动对重压下工艺效果提升效率显著降低,合理的差速比Rv=1.0～1.2。建立了大方坯重压下缩孔闭合度理论计算模型:ηs=-3.27 × εeq2+2.94 × εeq+4.39 × 10-3ηv=-681.13×Q4+306.43×Q3-50.26× Q2+5.01×Q+1.13×10-2
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