大规格GCr15轴承钢连铸连轧质量分析及有限元模拟

摘要

近年来，随着钢铁工业的发展，推动钢铁材料向着更高性能的方向发展。同时，为了满足不同的使用条件，对钢铁产品的规格和质量的要求也越来越高。国内轴承钢的生产已经得到了飞速的发展，气体含量已经接近国外先进水平，但是大规格GCr15轴承钢的产量较少，并且内部质量还存在着一定的不稳定性，其中以中心裂纹、中心缩孔、中心疏松、偏析等缺陷最为常见。随着计算机技术与有限元方法的发展，基于有限元理论的数值模拟方法为连铸、轧制过程的研究提供了重要手段，从而为生产工艺的优化设计提供依据，取得了的主要结果如下:
　　1.连铸结晶器内轴承钢矩形坯的温度场模拟
　　(1)对比了几何模型分别为直角和圆角时温度场模拟结果。当几何模型为直角时，采用Savage热流时结晶器出口角部温度过低，采用平均和Flint热流时角部温度还为负值，不符合实际情况，在建模时几何模型应为圆角。
　　(2)在不同的阶段气隙厚度不同，结晶器纵向上可划分为紧密接触区、气隙初步形成区、气隙稳定存在区三个区，在不同的区采取不同的修正系数。结晶器横断面气隙的形成是不均匀的，热流密度由中心向角部呈线性变化，这种情况下表面温度曲线较为平滑，角部温度下降减缓，在接近于角部区域的偏角区（距离角部25～65mm）成为热节区，铸坯凹陷、皮下裂纹等缺陷在此位置易发生。
　　(3)采用圆角几何模型，Savage热流边界，修正横向角部气隙时模拟结果符合实际情况，所对应结晶器出口的宽面中心、窄面中心、角部（对角线）、宽面热节区、窄面热节区的坯壳厚度分别为:21.9mm、17.8mm、54.5mm、18.2mm、16.2mm。
　　(4)建立了表面温度随时间变化的结晶器内连铸坯三相（固相区、两相区、液相区）凝固数学模型，与有限元模拟结果吻合较好。
　　2.轴承钢连铸矩形坯质量分析
　　(1)未采用轻压下时，轴承钢矩形坯裂纹产生的原因主要是非稳态浇铸过程中结晶器卷渣引入的外来夹杂物造成的，炉外精炼中使用了高碱度和较高Al2O3含量的渣系，也会引入部分夹杂物。在控制非稳态浇铸的基础上，通过适当地减少渣系的碱度及调整吹氩的时间和流量;采取流量控制装置及电磁搅拌可以提高夹杂物的去除率。
　　(2)采用轻压下时，如果压下量过大（单辊压下量3mm），加之连铸坯中气体含量控制的不理想，而在LIT～ZDT温度区域裂纹敏感性较强，当等效塑性应变大于临界应变(0.4～1.5％)和等效应力超过临界断裂应力(3.9～7.2MPa)，内部便会出现裂纹。当单辊压下量从3mm降低到2mm时，等效应变和应力分别降低21.7％和18.8％，轻压下过程中连铸坯出现内部裂纹的几率降低。
　　(3)工业试验表明，在保证炼钢质量的基础上，采用合适的连铸工艺，使得各个参数相互配合，特别是调整动态轻压下，可以明显改善铸坯内部质量，中心疏松级别和缩孔级别均较低。
　　3.初轧过程中缩孔的变形行为
　　(1)采用9道次压下中心缩孔时，面积的变化率随着缩孔直径的增大而变大（缩孔直径为40mm时压缩率可以达到82％，直径为10mm时压缩率仅为71.4％），并且随着时间的延长，缩孔越来越小，越来越难压缩。
　　(2)采用9、11、13道次对Φ20mm中心缩孔轧制对比发现，9道次压下规程Y向的压缩量最大（压缩率为41.4％），11道次压下规程Z向的压缩量最大（压缩率为77.6％），面积的变化率差别不大，都达到了80％以上。
　　(3)采用9道次压下规程时，当缩孔位于距离窄面1/4宽面1/2时，缩孔最高点的变形较小，最低点的变形较大，就导致缩孔变形为上半部分稍大，下半部分稍小，左右对称的类椭圆，总体面积变化率(85.8％)要比中心缩孔高，缩孔越接近轧辊或表面，就越容易焊合。
　　(4)在存在着翻钢的初轧过程中，采用某个方向道次大压下量的结果在另一个方向有大的宽展，翻钢后另一方向轧制时，压缩率就会减少，对缩孔处作用就会减弱，也就不利于整体的焊合，应综合考虑道次压下量及宽展的作用。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 概述

1．1．1 轴承钢概述

1．1．2 轴承钢发展状况

1．1．3 有限元模拟概况

1．2 轴承钢的冶金质量

1．2．1 轴承钢的纯净度

1．2．2 轴承钢的均匀性

1．3 轴承钢矩形坯生产工艺

1．3．1 国外轴承钢矩形坯生产工艺

1．3．2 国内轴承钢矩形坯生产工艺

1．4 轴承钢矩形坯连铸缺陷

1．4．1 宏观缺陷

1．4．2 微观缺陷

1．5 连铸及轧制过程的有限元模拟

1．5．1 连铸过程模拟的进展

1．5．2 轧制过程模拟的进展

1．6 本文的研究背景、内容及意义

1．6．1 研究背景

1．6．2 本课题的意义和主要研究内容

第2章 有限元模拟的理论基础

2．1 传热原理

2．1．1 热传导

2．1．2 对流传热

2．1．3 辐射传热

2．2 弹塑性力学

2．2．1 屈服准则

2．2．2 流动准则

2．2．3 硬化定律

2．2．4 弹塑性力学方程

2．3 热弹塑性及热力耦合分析

2．3．1 热弹塑性分析

2．3．2 热力耦合分析

2．4 有限元分析过程

2．5 本章小结

第3章 有限元模型的建立

3．1 有限元模型的特点

3．1．1 有限元模型的定义

3．1．2 有限元建模的一般步骤

3．2 连铸及轧制过程中的传热特点

3．2．1 连铸过程传热特点

3．2．2 轧制过程传热特点

3．3 连铸及轧制过程中的变形特点

3．3．1 连铸过程铸坯的应力应变

3．3．2 轧制过程中轧件变形

3．4 热物性相关参数

3．4．1 钢的液、固相线温度

3．4．2 固相率

3．4．3 零强度温度和零塑性温度

3．4．4 热物性参数

3．5 本章小结

第4章 连铸结晶器内矩形坯的温度场模拟

4．1 基本方程及边界条件

4．1．1 基本假设条件

4．1．2 控制方程

4．1．3 初始条件

4．1．4 边界条件

4．2 模拟结果

4．2．1 直角铸坯

4．2．2 圆角铸坯

4．2．3 修正角部气隙

4．2．4 纵向角部气隙

4．2．5 横向角部气隙

4．3 坯壳厚度

4．3．1 宽面中心坯壳厚度

4．3．2 窄面中心坯壳厚度

4．3．3 角部坯壳厚度

4．3．4 宽面热节区坯壳厚度

4．3．5 窄面热节区坯壳厚度

4．3．6 模型验证

4．4 凝固数学模型的建立

4．4．1 控制方程

4．4．2 热平衡方程

4．4．3 误差函数积分

4．4．4 数学模型与有限元模拟结果的对比

4．5 本章小结

第5章 轴承钢连铸矩形坯质量

5．1 未轻压下连铸内部裂纹

5．1．1 实验结果

5．1．2 连铸过程温度场

5．2 轻压下连铸内部裂纹

5．2．1 实验结果

5．2．2 连铸轻压下过程模拟

5．2．3 分析

5．3 本章小结

第6章 轧制过程中缩孔的焊合

6．1 轧制生产工艺

6．2 有限元模型的建立

6．2．1 轧制过程中的接触问题

6．2．2 道次间数据传递及轧件咬入

6．2．3 模型的建立

6．3 模拟结果及分析

6．3．1 第1道次压下结果

6．3．2 缩孔大小的影响

6．3．3 道次的影响

6．3．4 缩孔位置的影响

6．4 本章小结

第7章 结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

致谢

作者简介