大方坯连铸过程流动、传热、传质行为及凝固组织的模拟研究

摘要

高速钢轨是高速铁路的基础部件，而重轨钢连铸大方坯质量直接决定高速钢轨品质。重轨钢大方坯的凝固组织演变及流动、传热和传质行为直接影响着其表面及内部质量，是控制重轨钢大方坯质量的关键。本文对某厂生产的380mm×280mm U71Mn重轨钢大方坯连铸过程凝固组织的控制、湍流区冶金行为的优化及铸坯中心偏析的改善开展了一系列研究，为生产高品质重轨钢的连铸工艺提供一定的理论依据。
　　采用CAF(E)模型研究了不同冷却制度和过热度条件下大方坯连铸凝固传热及组织演变规律。研究结果表明:凝固坯壳结果与射钉实验结果相符合，误差在4％以内，凝固组织分布与酸洗照片吻合。超弱冷条件下铸坯凝固终点比弱冷条件延长约2.46m，中心两相区长度扩大1.46m左右，且表面与角部温度较高，铸坯空冷段后角部与表面回温较小，可有效减少铸坯表面缺陷的产生几率，两种冷却条件下铸坯断面内凝固组织的大小及分布相似。当过热度由15K增至40K时，铸坯中心等轴晶率由44.6％降至20.5％，平均晶粒半径由1.025mm增至1.128mm;过热度每上升5K，凝固终点后移0.19m，表面温度约增加3K;在保证流畅浇注的前提下，重轨钢钢水过热度可控制在20K以内。
　　建立了大方坯连铸过程电磁流动-凝固传热-传质多物理场耦合模型，系统研究了不同浸入式水口和结晶器电磁搅拌参数下连铸湍流区内钢液的流动、液面波动、传热凝固及传质行为和相互作用。研究结果表明:采用四孔水口对角安装时，结晶器钢/渣界面波动幅度仅4.5mm，可消除注流冲击引起的宽边与窄边坯壳的薄化现象，避免拉漏，结晶器内夹杂物的上浮去除效果较好，铸坯表面与角部温差较小，且可减轻溶质在铸坯宽窄面的负偏析，初生坯壳内溶质分布相对均匀。加载结晶器电磁搅拌后，液面波动增至6.2mm，作用区内铸坯断面温度、坯壳厚度及溶质分布更加均匀，铸坯表面温度较高。随着电流强度的增大(450A～600A)，作用区内铸坯宽面及窄面中心附近凝固前沿的切向速度增加，液面波动由5.3mm增至6.2mm，作用区凝固坯壳负偏析加重，角部偏析减弱，计算域出口坯壳厚度减小，而铸坯表面温度增高，电流强度应为600A。随着电磁搅拌安装位置的上移，钢/渣界面波动幅度增大，铸坯表面温度升高，计算域出口处坯壳变薄，钢液冲击深度减小，电磁搅拌中心应安装在距离弯月面约0.42m处。
　　为改善铸坯中心偏析，提高铸坯内部质量，以大方坯连铸湍流区出口结果为基础，结合CAF(E)模型计算的铸坯凝固组织分布结果，利用多物理场耦合模型研究了冷却制度、结晶器和末端电磁搅拌对铸坯中心偏析的影响。研究结果表明:多物理场耦合模型模拟的溶质分布趋势与检测结果相符。结晶器电磁搅拌对铸坯二冷段及空冷段传热传质行为无影响，弱冷与超弱冷条件下铸坯的凝固终点分别为17.9m和20.5m，二者溶质传输行为一致。当末端电磁搅拌的电流强度由300A增至600A时，铸坯中心糊状区钢液的切向速度由0.013m/s增至0.023m/s，作用区出口铸坯中心液相率由0.7827降至0.7256，且电流强度每增加100A，铸坯中心温度多下降约2.4K;当电流强度在300A～400A之间时，电磁搅拌作用未产生负偏析和溶质浓度较低的位置，铸坯中心溶质浓度有明显降低且糊状区溶质分布较为均匀，末端电磁搅拌的电流强度在300A～400A之间可有效减轻中心偏析，提高铸坯质量。

目录

声明

摘要

第1章 文献综述

1．1 高铁及重轨钢连铸技术

1．1．1 高铁国内外发展简介

1．1．2 重轨钢连铸技术

1．2 凝固组织的模拟研究

1．3 连铸坯宏观偏析模拟研究

1．3．1 中心偏析成因及改善措施

1．3．2 热—溶质传输行为

1．3．3 合金微观偏析的研究

1．3．4 连铸宏观偏析的模拟研究

1．4 浸入式水口对连铸过程影响研究

1．4．1 浸入式水口简介

1．4．2 浸入式水口研究进展

1．5 电磁搅拌对连铸过程的影响

1．5．1 电磁搅拌简介

1．5．2 电磁搅拌的应用研究

1．6 本论文研究的主要内容

第2章 大方坯宏观凝固及组织演变的数值模拟

2．1 宏微观耦合模型

2．1．1 宏观温度场计算模型

2．1．2 微观动力学模型

2．1．3 CA-FE耦合计算模型

2．2 模拟过程

2．2．1 大方坯生产条件

2．2．2 网格划分

2．2．3 热物性参数

2．2．4 基本假设

2．2．5 初始与边界条件

2．2．6 CAFé模型计算参数

2．3 模拟结果验证

2．3．1 射钉法验证铸坯传热

2．3．2 凝固组织验证

2．4 结果分析与讨论

2．4．1 二冷强度的影响

2．4．2 过热度的影响

2．5 本章小结

第3章 大方坯连铸电磁、流动、传热及传质模型

3．1 基本假设

3．2 模型描述

3．2．1 流动模型

3．2．2 液面波动模型

3．2．3 传热凝固模型

3．2．4 传质模型

3．2．5 电磁搅拌模型

3．3 模型初始与边界条件

3．4 重轨钢的高温热物性参数

3．5 计算域分解

3．6 本章小结

第4章 大方坯连铸湍流区内流动、传热及传质研究

4．1 模型网格

4．2 浸入式水口对湍流区冶金行为的影响

4．2．1 水口条件

4．2．2 模型验证

4．2．3 结果分析与讨论

4．3 电磁搅拌对湍流区冶金行为的影响

4．3．1 电磁搅拌工艺条件

4．3．2 有无电磁搅拌的湍流区冶金行为

4．3．3 电流强度对湍流区冶金行为的影响

4．3．4 安装位置对湍流区冶金行为的影响

4．4 本章小结

第5章 大方坯连铸宏观偏析的模拟及控制

5．1 计算域的分解

5．2 模型结果验证

5．2．1 凝固过程验证

5．2．2 宏观偏析验证

5．3 结果分析与讨论

5．3．1 结晶器电磁搅拌的影响

5．3．2 冷却强度对偏析影响

5．3．3 末端电磁搅拌的影响

5．4 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 论文的创新性

6．3 展望

致谢

参考文献

附录