论文部分内容阅读
角部横裂纹是常规连铸过程中一种典型的表面质量问题,微合金钢尤为严重。倒角型结晶器可以有效改善铸坯角部区域的传热和应力状态,减轻结晶器内铸坯角部裂纹的萌生及二次冷却区弯曲和矫直段裂纹的扩展。结晶器角部结构的更改不仅直接改变了结晶器内角部区域钢液的流动和传热行为,还影响了铸坯表面与铜板热面之间摩擦力的变化规律以及铸坯角部的应力分布特征;倒角结构还对铸坯角部在二冷区的温度和应力演变有着遗传影响。因此,研究不同角部结构下结晶器内钢液的流动与传热、铸坯表面与结晶器铜板热面之间的摩擦以及铸坯在结晶器和二冷区的应力行为,可以优化结晶器角部结构参数,进而为显著减轻角部横裂纹缺陷奠定理论和技术基础。论文针对直角、大倒角、多倒角和圆角四种不同角部结构的板坯结晶器,模拟研究了不同结晶器角部结构下钢液的流动、传热及夹杂物的运动行为;实验测量了保护渣在不同温度下的摩擦系数;基于铸坯温度场和保护渣摩擦系数,研究揭示了不同角部结构下结晶器内摩擦力的变化规律;基于铸坯温度和摩擦力分布,研究探讨了角部结构和振痕对铸坯角部应力分布的影响;最后,根据结晶器出口温度场,建模分析了结晶器角部结构对二冷区铸坯角部温度与应力演变的遗传规律。通过上述研究阐明了结晶器角部结构对铸坯角部横裂纹的影响机理。主要研究结果如下:（1）建立了耦合结晶器振动的三维板坯结晶器流动与传热数学模型,研究了四种结晶器角部结构对结晶器内钢液流动、传热及夹杂物运动行为的影响。研究表明,倒角结构可以显著提高铸坯角部钢液的流速,有助于提高角部温度,但是也会导致大倒角、多倒角和圆角结晶器内角部区域的夹杂物颗粒数量分别比直角结晶器内多20.7%、19.7%和32.4%。相比直角铸坯,大倒角、多倒角和圆角铸坯在结晶器出口处的角部温度分别从1261.2K提高至1412.7K、1420.8K和1450.7K。结晶器振动导致的弯月面的温度波动达到了4.6K;非正弦振动下弯月面波谷温度略高于正弦振动,有助于减小振痕深度。倒角结构不会导致铸坯角部区域坯壳厚度过薄;圆角铸坯角部的坯壳变化最为均匀,有利于减小应力集中。（2）研究测试了不同温度下两种不同类型的保护渣（结晶渣和玻璃渣）的摩擦系数,并使用食用油模拟测试了液渣的等效摩擦系数,为研究结晶器内铸坯角部的摩擦行为奠定了基础。研究发现,保护渣在升温过程中的表面软化会使摩擦系数增大,而高温时的表面烧结会显著降低摩擦系数。从25℃升高至600℃再至800℃,结晶渣的摩擦系数从0.98增大到1.52,然后降低至0.75;玻璃渣在25℃、200℃和400℃的摩擦系数分别为0.82、1.14和1.08;液渣的等效摩擦系数在0.17左右。（3）建立了考虑结晶器振动的摩擦力模型,研究了结晶器角部结构对保护渣膜润滑条件下铸坯和铜板摩擦力变化的影响规律。倒角结晶器有效减少了角部的气隙面积。坯壳表面沿拉坯方向,宽面的摩擦应力从200Pa指数增大到近0.45×106Pa;窄面的摩擦应力几乎都低于5400Pa;在气隙边缘,极薄的液渣层产生了近4×106Pa的摩擦峰值。直角、大倒角、多倒角和圆角铸坯角部的摩擦力依次减小,并且倒角铸坯摩擦力分布比直角铸坯更加均匀。在铜板热面,宽面摩擦应力在结晶器出口达到最大值22396Pa,窄面的摩擦分布与铸坯窄面相似;倒角铸坯角部与铜板接触更紧密。铸坯角部,非正弦振动下最大拉应力和压应力分别比正弦振动小22.7%和大42.3%,有助于减少角部横裂纹的产生。（4）提出了耦合非均匀摩擦力的结晶器三维热弹塑性模型和铸坯角部区域考虑振痕的局部应力模型,明确了结晶器角部结构对铸坯应力分布的影响规律。热应力在坯壳应力中起主导作用。应力集中出现在角部棱边及距棱边10mm～60mm的区域。直角、大倒角、多倒角和圆角铸坯的角部应力峰值分别为26.78MPa、24.43MPa、24.13MPa和23.51MPa。摩擦应力增强了气隙边缘的角部应力,使应力峰值位置与摩擦峰值相同。倒角结构减小了角部的应力梯度,圆角结晶器效果最好。四种铸坯振痕波谷处的最大应力分别为24.5MPa、22.7MPa、21.0MPa和20.2MPa。（5）建立了铸坯横断面二维切片传热模型,分析了结晶器角部结构对二冷区铸坯角部温度变化的遗传影响。在整个二冷区内,三种倒角铸坯的角部温度平均比直角铸坯高80K;在矫直段,三种倒角铸坯的角部温度都比直角铸坯高100K以上,避开了第Ⅲ脆性区。多倒角和圆角铸坯的角部温度比大倒角高20K左右,并且角部温度梯度较小,有助于减少热应力集中。（6）构建了弯曲和矫直段铸坯与夹辊的三维热弹塑性模型,明确了结晶器角部结构对二冷区铸坯角部应力变化以及角裂生成倾向的遗传规律。弯曲过程铸坯角部最大应力从24MPa增加到43MPa,大倒角、多倒角和圆角铸坯的外弧应力峰值比直角铸坯平均小10.5%、20.6%和22.4%。矫直过程中铸坯角部最大应力从48MPa增加到78MPa,大倒角、多倒角和圆角铸坯的内弧应力峰值比直角铸坯平均小0.1%、2.9%和2.2%。倒角结构可以减轻但是不能完全消除角部应力集中,且减轻效果随夹角角度增大而增强。