连铸坯凝固过程微观偏析与组织模拟及轻压下理论研究

摘要

作为消除连铸坯中心偏析和中心疏松的有效手段，连铸坯凝固末端轻压下技术目前已在钢连铸生产得到应用与推广。由于连铸坯凝固末端固液两相区涉及枝晶生长、溶质再分配、钢液流动以及轻压下铸坯变形行为等复杂现象，目前对轻压下技术的理论研究较少，技术的应用主要依靠工业试验和现场经验，效果并不十分稳定。为此，本文在分析连铸坯凝固末端固液两相区溶质微观偏析、枝晶生长和轻压下铸坯变形规律的基础上，首次从理论上建立了连铸坯凝固末端轻压下压下区间的理论模型，并根据铸辊压下前后连铸坯固液两相区溶质偏析率变化，提出了轻压下压下区间的选择准则，丰富了轻压下技术理论，并将轻压下理论成功应用于高品质钢连铸生产过程。本文的主要研究内容和取得的主要成果如下:
　　(1)以Ueshima提出的正六边形枝晶横截面模型为基础，建立了耦合钢凝固过程中δ/γ相变和MnS夹杂物析出的连铸坯固液两相区微观偏析模型。研究表明:连铸坯固液两相区内溶质微观偏析行为与钢凝固方式密切相关，随着初始碳含量增加，钢凝固方式由l→δ铁素体，转变为l+δ铁素体→γ奥氏体，最后转变为l→γ奥氏体。凝固末端枝晶间Si、P和S溶质偏析率逐渐上升，C溶质偏析率逐渐下降，而Mn溶质偏析率基本不变。模型的计算数据与且文献报道的钢高温力学性能数据比较表明:采用固相率为0.75和1.0处所对应的模型计算温度来预测ZST和ZDT较为合理。
　　(2)建立了考虑连铸坯凝固过程中枝晶尖端前沿溶质过冷和曲率过冷的微观组织模拟模型(CA-FD)。预应力钢绞线钢SWRH82B方坯凝固过程的微观组织模拟表明:增加浇铸过热度和二冷水量均有利于柱状晶从铸坯表面向铸坯中心生长，从而抑制了铸坯中心等轴晶形成。过热度从10℃增加到40℃，等轴晶率从44.3％降为21.7％，晶粒平均半径从1.64mm增加到1.94mm;连铸二冷比水量从0.45L/kg增加到0.73L/kg时，等轴晶率从35.5％减少到16.5％;晶粒平均直径从1.77mm增加到2.07mm。因此，实际连铸过程中可采取合适的过热度和二冷水来抑制柱状晶生长，以获得较为合理的等轴晶率。
　　(3)从理论上分析了凝固末端轻压下铸坯变形行为，提出了轻压下铸坯宽展变形效率、延展变形效率、压下效率以及延展率的理论公式。预应力钢绞线钢SWRH82B方坯凝固末端轻压下研究发现:铸坯中心未凝固率一定时，压下量增加，铸坯宽展效率和压下效率先增加，后基本保持不变;延展效率先减少，后基本保持不变;铸坯延展率则线性增加。
　　(4)基于连铸坯凝固末端轻压下挤压排出固液两相区内富集的溶质元素，从而减轻或消除中心偏析的机理，提出了连铸坯凝固末端轻压下压下区间理论模型，即:Ki=ρsfsCs，i+（1-ε）（1-fs）ρlCl,i/(fs+（1-ε）（1-fs））（ρsfsCsi+ρ1（1-fs）Cl，i）式中:Ki为连铸坯两相区平均溶质偏析率;ρs和ρl分别为固相密度和液相密度;ε为溶质排出率;fs为固相体积分率;Cs,i和Cl,i分别为溶质元素在两相区内固相和液相中质量浓度。从轻压下前后连铸坯两相区平均溶质偏析率（Ki）改善角度提出了轻压下压下区间选择的理论准则，即压下区间起始位置应该小于或者等于钢中各溶质元素最佳压下位置fs,iopt中的最小值，终止位置应该大于或者等于钢中各溶质元素最佳压下位置fs，iopt中的最大值。钢成分含量对压下区间影响研究表明:碳含量变化能够改变钢凝固方式，从而引起钢中溶质元素的偏析行为发生改变，钢中溶质元素的最佳压下位置也相应发生变化，但钢中其他成分(Si、Mn、P、S)含量变化不会改变钢中溶质元素的最佳压下位置。
　　(5)轻压下压下区间理论模型工业试验和工业应用表明:采用包含钢中各溶质元素最佳压下位置的压下区间能够有效地消除铸坯中心偏析和疏松，提高铸坯内部质量。轴承钢GCr15、帘线钢SWRH72A和预应力钢绞线钢SWRH82B铸坯横截面上的碳偏析分布范围分别由0.908～1.269、0.987～1.280和0.867～1.459变为0.924～1.060、0.947～1.045和0.918～1.069;纵截面中心线上的碳偏析分布范围分别由0.875～1.390、0.901～1.378和0.875～1.309变为0.872～1.086、0.869～1.084、0.872～1.086;纵截面中心线上的碳偏析值在0.95～1.05范围内的比例分别由18.7％、23.3％和21.2％提高到94.6％、92.7％和92.9％;中心疏松0～1.5级所占比例分别由49.45％、48.78％和52.78％提高到85.00％、86.95％和90.91％;中心缩孔0～1.5级所占比例分别由63.74％、68.29％和66.67％提高到87.5％、95.65％和96.36％。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 连铸坯固液两相区内传输行为研究进展

1．2．1 连铸坯固液两相区内流动行为研究

1．2．2 连铸坯固液两相区内微观偏析行为研究

1．2．3 连铸坯固液两相区内枝晶生长行为研究

1．3 连铸坯凝固末端轻压下技术

1．3．1 连铸坯轻压下技术原理

1．3．2 连铸坯轻压下技术的发展

1．3．3 连铸坯轻压下技术的应用现状

1．4 连铸坯轻压下关键工艺参数研究现状

1．4．1 压下区间

1．4．2 压下量

1．4．3 压下逐率

1．4．4 压下效率

1．5 本文主要研究内容与创新点

第二章 连铸坯内固液两相区溶质微观偏析数值模拟

2．1 连铸坯固液两相区微观偏析模型建立

2．1．1 溶质扩散模型

2．1．2 夹杂物析出模型

2．2 连铸坯内两相区微观偏析模型计算

2．2．1 模型计算流程

2．2．2 模型验证

2．3 模型计算结果的分析与讨论

2．3．1 连铸坯固液两相区微观偏析行为研究

2．3．2 连铸坯固液两相区高温力学性能研究

2．4 本章小结

第三章 连铸坯凝固过程微观组织数值模拟

3．1 连铸坯宏观传热模型

3．1．1 宏观凝固传热模型建立

3．1．2 初始条件和边界条件

3．1．3 控制方程的离散化

3．2 连铸坯微观组织模拟模型

3．2．1 形核模型描述

3．2．2 溶质扩散模型描述

3．2．3 枝晶尖端温度计算

3．2．4 表面曲率计算

3．3 模型中物性参数处理

3．3．1 宏观模拟参数

3．3．2 微观模拟参数

3．3．3 连铸工艺参数

3．3．4 钢高温物性参数确定

3．4 宏微观耦合模拟

3．4．1 宏微观网格映射

3．4．2 宏微观耦合模拟流程

3．4．3 模型验证

3．5 模型计算结果的分析与讨论

3．5．1 等轴晶生长

3．5．2 柱状晶生长

3．5．3 凝固微观组织

3．6 本章小结

第四章 连铸坯凝固末端轻压下过程的变形行为

4．1 轻压下铸坯变形理论描述

4．2 轻压下铸坯热力耦合有限元分析

4．2．1 有限元模型

4．2．2 初始条件和边界条件

4．2．3 钢的高温力学性能参数

4．3 模型计算结果的分析与讨论

4．3．1 压下量影响

4．3．2 液芯量影响

4．3．3 铸坯断面形状影晌

4．4 本章小结

第五章 连铸坯凝固末端轻压下压下区间的理论模型

5．1 轻压下区间溶质偏析理论描述

5．2 理论模型求解描述

5．2．1 模型建立

5．2．2 模型计算流程

5．3 模型计算结果分析与讨论

5．3．1 压下区间的确定

5．3．2 压下量对压下区间的影响

5．3．3 碳含量对压下区间的影晌

5．3．4 钢成分含量对压下区间的影响

5．3．5 冷却速率对压下区间的影响

5．4 本章小结

第六章 连铸坯轻压下模型的工业应用

6．1 压下区间工业试验

6．1．1 试验方案

6．1．2 铸坯低倍组织缺陷和偏析检测方案

6．1．3 试验结果讨论

6．2 方坯应用效果

6．2．1 大方坯低倍组织质量

6．2．2 大方坯成分均匀性

6．2．3 大方坯中心碳偏析

6．3 本章小结

第七章 结论

参考文献

致谢

作者简介

攻读学位期间获得成果

论文包含图、表、公式及文献