轻压下对连铸坯中心缺陷作用的量化模型研究.pdf

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1、 第42卷 第5期2 0 0 7年5月钢铁Iron and SteelVol.42,No.5May2007轻压下对连铸坯中心缺陷作用的量化模型研究姚 山1,2,王廷利1,侯忠霖1,郝 海1,金俊泽1(1.大连理工大学铸造工程研究中心,辽宁 大连116024;2.大连理工大学三束材料改性国家重点实验室,辽宁 大连116024)摘 要:连铸坯内部的中心缩松和中心偏析是影响铸坯内部质量的主要缺陷,在凝固末端位置实施轻压下技术,是降低这类缺陷产生的重要手段。建立轻压下对中心缺陷作用的数学模型,可以定量地评价轻压下的作用,合理地确定轻压下的位置,科学地指导和制定轻压下工艺。在金属凝固过程热力模型和缩孔缩

2、松传统预测判据的基础上,提出了轻压下对连铸坯中心缺陷作用的量化模型,通过与传统的Niyama缩松判据进行对比研究发现,提出的轻压下对连铸坯中心缺陷作用的量化模型可以定量评价糊状区压力状态和流动状态对中心缺陷的直接影响,克服了Niyama判据无法考虑流动和压力作用的不足。关键词:连铸;凝固;轻压下中图分类号:TF777 文献标识码:A 文章编号:04492749X(2007)0520029204Study on Quantitative Model of Effect of Soft Reductionon Centerline Defect and Its ApplicationYAO Sha

3、n1,2,WAN G Ting2li1,HOU Zhong2lin1,HAO Hai1,J IN Jun2ze1(1.Research Center of Foundry Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024,Liaoning,China;2.State Key Laboratory of Materials Modification by Laser,Ion and Electron Beams,Dalian University of Technology,Dalian 116024,Liaoning,China

4、)Abstract:It is well known,that centerline shrinkage and segregation of continuously cast strand are the main de2fects.The soft reduction applied at the final stage of solidification has obvious effect on interal quality.A new quan2titative model based on thermal2stress model and shrinkage criterion

5、 function is proposed,which is able to estimatethe effects and position of soft reduction more appropriately,implement the technique more scientifically.Comparedwith the traditional criterion functions,such as Niyama criterion function,the model takes into account pressure andflow pattern in mushy z

6、one,for control of solidification and centerline defects.In order to improve internal quality,the soft reduction should be installed at the end of mushy zone.Key words:continuous casting;solidification;soft reduction作者简介:姚 山(19662),男,博士生,教授;E2mail:yaoshan ;修订日期:2006208216 连铸过程中,在凝固末端位置合理地实施轻压下,通过压力使

7、凝固坯壳发生变形,产生一定的压下量来补偿糊状区的凝固收缩量,对糊状区的流动状态和凝固组织产生重要影响,可以有效地降低中心缩松和中心偏析的形成。因此,轻压下技术在实际生产中得到了日益广泛的应用。目前,对轻压下的研究工作主要集中在应用层面上。阎朝红对凝固末端压下的方式进行了介绍,并对压下位置、压下率、总压下量、压下速率和拉速等主要工艺参数进行了讨论和分析1。林启勇对连铸坯动态轻压下的压下参数进行了分析,预测了动态压下模型的研究方向2。Byene C通过数值模拟的方法,研究了压下量、辊径、压下方式等工艺参数对压下效果的影响3。Dmitry S在数值模拟结果的指导下,对压下工艺进行了优化,有效地降低了

8、铸坯内部的缺陷4。随着研究的深入,在轻压下作用机理方面的研究工作已有展开。陈其安用铜壳包铅芯的模拟样品,对带液芯压下变形特征的视塑性进行了研究5。马长文在有限元分析坯壳变形的基础上,采用连续模型研究了压下过程中板坯凝固末端两相区的流动与溶质分布6。Rizzo E对凝固末端糊状区的凝固过程和流场状态进行了研究7。Ludlow V对连铸坯的中心偏析的形成机理做了深入的分析,并提出了凝固末端轻压下等措施是改善中心缺陷的有效手段8。本文所建立的连铸坯中心缺陷的量化模型,将上述两方面的研究有机地联系起来,可以定量描述和预测连铸坯中心缺陷的形成倾向,为定量分析轻钢 铁第42卷压下作用和科学制定轻压下工艺提

9、供指导模型。1 轻压下对连铸坯中心缺陷作用量化模型的建立1.1 连铸过程基础热2力模型铸坯的凝固传热方程一般可表示为:c9T9t=(kT)-cv(t)9T9z+q(1)在轻压下施加过程中,对于已凝固的连铸坯壳和心部的糊状区可分别用Elasto2Plastic模型和Elasto2ViscoPlastic模型来表述其本构关系,参见式(2)和(3)。=0+Hpl(2)=1|-0n|(3)本文计算所使用的PROCAST有限元软件系统,提供了对以上的计算模型及其求解器的支持。PROCAST模拟计算可得到温度、应力及变形等物理量的定量结果,但PROCAST提供的中心缩松缺陷预测模型不包含压力和流速因子,无

10、法直接定量地反映出轻压下对连铸坯中心缺陷的影响。因此,有必要建立中心缺陷量化模型,以定量评价轻压下的作用。1.2 连铸坯中心缺陷量化模型的建立通常情况下,在凝固末端位置,中心偏析与中心缩松相伴而生,因此,用于预测缩松缺陷的判据对于中心偏析缺陷也有预测作用。但是常规条件下的缩松缩孔预测判据大都是基于温度场获得的,对压力状态及流动状态考虑不足,不能适用于连铸轻压下条件下铸坯中心缺陷的准确预测。PROCAST等商品化软件的中心缺陷预测模型也存在上述缺陷。凝固理论和实验研究结果表明,在铸件凝固过程中,中心缺陷的形成主要与温度梯度G、冷却速度R、压力状态P、流动状态u有着直接的关系。综合以往文献的相关结

11、论,本文提出了式(4)所示的中心缺陷量化模型的一般性数学表达式。SCF=GaRbPcud(4)通常,采用Darcy定律来描述糊状区状态,对于连铸的稳态过程,Darcy定律可近似表示为:u=k P(5)即,压力P对速度u的影响可以认为是线性的,因此式(4)中的压力和速度项的指数因子都应该等于1,即c=d=1(6)根据文献9,引入几何尺寸影响因子N,又可得G=G0N(7)R=R0N(8)u=u0N(9)P=P0N(10)将上述结果代入式(4),可得:SCF=Ga0Rb0P0u0Na-2b(11)同样根据文献9,为了使上述模型不受几何尺寸的影响,即消掉式(11)中的N,应有a-2b=0(12)既能够

12、满足式(12),又有利于使SCF的表达式最简单的取值方法是令a=1(13)则可得b=12(14)简化后得到的量化模型最终表达式为SCF=GRPu(15)可以认为式(15)是更一般性的凝固中心缩松缺陷预测判据。一方面它考虑了温度梯度G、冷却速度R、糊状区压力P和流动速度u对中心缺陷的影响,而且该判据与几何尺寸无关;另一方面,当忽略压力和流动影响时,即P和u的指数因子c、d取为零时,式(15)就是著名的缩松缺陷预测判据 Niyama判据的表达式。2 轻压下对连铸坯中心缺陷作用的研究 本文以特钢企业的轴承钢方坯连铸为研究对象,采用商品化软件Procast进行计算,针对轻压下对中心缺陷的作用做了初步的

13、研究。2.1 连铸坯凝固状态的分析对于轴承钢的连铸方坯存在比较长的糊状区,尤其是在末端,存在着长度超过1 m的零流动的糊状区(在此区域,铸坯中心点的固相率也超过了临界固相率67%),枝晶间液相完全被枝晶分割不能互相补缩,因此会导致比较严重的中心缩松缺陷。在03第5期姚 山等:轻压下对连铸坯中心缺陷作用的量化模型研究这一部位施加轻压下可以改善中心部位液态金属的流动能力和补缩能力,但轻压下对温度场的影响并不大,因此基于温度场的缩松类缺陷预测模型无法评价轻压下的作用。2.2 轻压下对连铸坯糊状区运动状态影响的分析在连铸坯的不同位置实施轻压下,由于压下辊的作用,坯壳将发生变形,心部的糊状区也受压变形,

14、使得糊状区内的金属熔体沿轴线向两端移动。固相率大小是影响金属熔体运动和压下效果的重要因素。当心部固相率在30%65%范围内施加轻压下时,轻压下带来的金属熔体运动场是以加载点为中心的近似对称的形状,而当心部固相率大于90%时,熔体流动场分布主要表现为有利消除中心缺陷的反向流动,而不利的同向流动很弱,此时,既可以通过熔体反向运动减弱偏析,又可以通过轻压下的断面收缩及压力作用消除中心缩松。上述模拟结果表明:轻压下能够通过断面尺寸收缩和压力作用补偿金属熔体的凝固收缩,有利于消除缩松。但从流速场分布特点来看,轻压下既能产生有利于减弱偏析的与铸坯运动方向相反的熔体运动,也能产生容易加剧连铸坯心部富集溶质偏

15、析的同向的运动,关键因素是以中心点固相率为代表的固相率分布。从本文的计算结果来看,轻压下的最佳作用区域应是铸坯中心点固相率为50%95%的区域。2.3 轻压下对中心缺陷作用量化模型的数值模拟研究就中心缺陷而言,前面基于热2力模型的数值模拟研究结果还没能直接定量地表征轻压下对中心缺陷的作用。下面采用本文提出的量化模型定量地评价轻压下对糊状区中心缺陷的作用。由图1可知,在施加轻压下条件下,Niyama判据对轻压力作用没有产生明显和有规律的响应,不能有效反映其对中心缺陷的影响。而本文提出的量化模型计算结果表明:当中心点固相率小于30%时,轻压下对中心缺陷作用较小,但作用效果会随着固相率的增加而逐渐增

16、加;中心点固相率在30%65%范围时,轻压下对中心缺陷的作用逐渐明显,而且随着固相率的增加作用效果的增加较快;在固相率为65%90%的区间,轻压下作用效果出现了一个平台期,说明在这个范围内轻压下的作用效果是比较接近的;而在中心点固相率90%以上的区域则出现了一个作用效果快速增长的区域,应注意在此区域施加轻压下,以使压下效果达到最佳。该结果对轻压下工艺的制定和设备布局具有重要的指导意义。具体有以下3点:轻压下的设备应该主要布置在中心点固相率大于65%的空间区域,在铸坯中心点固相率小于30%的区域布置轻压下设备无意义;在连铸坯中心点固相率为65%90%的区域内布置轻压下设备时,具体位置可以适当灵活

17、,作用效果差别不大;轻压下能否取得最好效果的关键是合理制定冷却制度以控制凝固末端位置,或合理调整轻压下设备的位置,保证在固相率大于90%的凝固末端一定能够施加上轻压下作用。上述结论是合理采用轻压下技术必须遵循的基本原则。3 中心缺陷量化模型的应用根据上述的中心缺陷量化模型计算结果,在特钢企业,通过调控工艺条件(表1、2),来调整铸坯凝固末端位置,使3组轻压下辊的位置分别与模拟计算得到的32%、67%、96%的中心固相率值相对应,联合实施各道次2 mm的压下,并对比分析压下效果。从图2宏观组织低倍照片可看出,未实施轻压下的铸坯内部质量较差,中心缩孔缩松明显。对铸坯合理实施轻压下后,在3组压下辊的

18、作用下,坯壳的受压变形有效地改善了糊状区的补缩状态,凝固图1 不同中心固相率条件下压下时判据值的变化Fig.1Change ofSCFand criterion Niyama with solidfraction at center表1 轴承钢GCr15主要热物性参数Table 1Thermo2physical parameters of GCr15热物性参数液相线固相线温度/14551325密度/(kgm-3)69937338凝固潜热/(kJkg-1)214比热容/(Jkg-1-1)14701170导热系数/(Wm-1-1)150.029.713钢 铁第42卷表2 方坯连铸主要工艺参数Tab

19、le 2CC process parameters工艺参数数据浇注温度/1470拉坯速度/(mmin-1)0.85铸坯尺寸/mm240240结晶器液位高度/mm650结晶器水量/(Lmin-1)2500二冷水量(一段 二段 三段)/L404326图2 轻压下对铸坯凝固质量的影响Fig.2Effect of soft reduction on billet后内部缺陷减少,铸坯质量提高,压下效果良好。4 结语针对连铸轻压下这一关键技术问题,建立了合理描述连铸热2力过程的数学模型。并在此基础上,提出了轻压下对连铸坯中心缺陷作用的量化模型。根据上述模型,应用PROCAST有限元软件对轻压下条件下连铸坯

20、的凝固、熔体运动状态进行了分析,探讨了轻压下对中心缺陷作用的机理。随后通过建立轻压下对中心缺陷作用的量化模型,定量地表征了不同固相率条件下,轻压下的作用效果。并进一步提出了轻压下技术运用应该遵循的基本原则:轻压下应该在连铸坯中心点失去流动能力以后再施加;轻压下作用效果的好坏更重要的是取决于凝固最末端(固相率90%100%)的位置能否与最后的压下设备的作用区域相一致。参考文献:1 阎朝红.凝固末端压下技术在连铸中的应用J.宝钢技术,2001,(5):51255.2 林启勇.连铸坯动态轻压下的压下参数分析J.材料与冶金学报,2004,3(4):2612265.3Byrne C.Mechanical

21、 Soft Reduction in Billet CastingJ.SteelTimes International,2002,26(9):33235.4Dmitry S.Some Aspects of Thermal Analysis and TechnologyUpgrading in Steel Continuous CastingJ.Canadian Metallur2gical Quarterly,1999,38(5):3772385.5 陈其安.带液芯轻压下变形特征的视塑性研究J.钢铁,2001,36(9):38241.6 马长文.板坯凝固末端轻压下流动与溶质分布的研究J.铸造,

22、2004,53(12):102321027.7Rizzo E.Modeling Solidification and Mushy Zone Deformationof AlloysJ.J.Braz.Soc.Mech.Sci.&Eng.,2003,25(2):1802184.8Ludlow V.Strategy to Minimize Central Segregation in HighCarbon Steel Grades During Billets Casting J.Ironmakingand Steelmaking,2005,32(1):68274.9Hansen P N.How to Select and Use Criterion Functions inSolidification Simulation J.AFS Transaction,1992,4432446.23