（钢铁冶金专业论文）连铸板坯矫直过程的计算机模拟研究.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 连铸板坯矫直过程的计算机模拟研究 摘要 当前，高效连铸技术备受国内关注。高效连铸技术是一项系统技术，连铸坯 的矫直技术就是其中起到重要作用的一项辅助技术。铸坯矫直是铸坯在外力作用 下由弯变直的过程，已从铸坯的固态矫直发展到带液芯矫直技术；带液芯矫直技 术也从传统的单点矫直、多点矫直发展到以奥钢联( v a i ) 渐近矫直、康卡斯特 ( c 0 n c a s t ) 连续矫直为代表的连续矫直技术，目前又开发出了等应变速率固定 辊连续矫直的新型连续矫直技术。 本文采用弹塑性有限元分析法并借助于m s c m a r c 软件平台，对厚度为2 3 0 r a m 的板坯，在拉速为1 0 r r d m i n 下，针对3 套不同的辊列布置，分别进行单点矫直、 四点矫直、连续矫直的有限元模拟，获得了矫直过程中连铸板坯的应力应变变化 规律和温度变化规律，可为辊列设计和设备改造提供一个理论依据和指导。 本模拟研究结果如下： ( 1 ) 铸坯在三种矫直方式下，等效应力数值在外表面最大，中部逐步降低，内 弧侧比外弧侧更容易产生裂纹。铸坯等效应力和铸坯沿水平方向应力按单点矫直、 四点矫直、连续矫直依次减小。 ( 2 ) 单点矫直时，等效塑性应变和等效塑性应变速率急剧增大。等效塑性应变 在出矫直点大约4 5 0 m m 的距离达到最大值1 1 ：等效塑性应变速率由零急剧升高 到1 1 0 。3s - 1 ，随后又下降到零。 ( 3 ) 与单点矫直相比，四点矫直每一次的变形量大大减小，在四个矫直点附近， 等效应变速率的峰值几乎相等，近似为4 1 0 4s 。 ( 4 ) 连续矫直等效塑性应变沿拉坯方向呈线性变化，由零逐步上升到最大值 1 4 5 8 ；等效塑性应变速率比较低且基本保持恒定，约为5 1 0 5s 。连续矫直是 比较理想的矫直方式。 ( 5 ) 在矫直过程中，铸坯表面温度持续下降，中部温度在纵截面上差别较小， 靠近下表面处有小幅度温度增大。 关键词：有限元；连铸板坯；矫直：应力应变；热力耦合：温度 i i 。 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fc o n t i n u o u s c a s t i n gs l a bd u r i n gs t r a i g h t e n i n g a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h eh i g h l ye f f i c i e n tc o n t i n u o u sc a s t i n gt e c h n o l o g yh a sr e c e i v e da g r e a ta t t e n t i o ni nc h i n k ，w h i c hi n c l u d e s as e r i e so ft e c h n o l o g i e s c a s t i n gs l a b s t r a i g h t e n i n gt e c h n o l o g y i so n eo ft h em o s t i m p o r t a n tt e c h n o l o g i e s d u r i n g s t r a i g h t e n i n g ，t h eb e n ts l a bi sb e i n gm a d eu n b e n t 埘t ha d d i n ge x t r af o r c e a tp r e s e n t ， t h es l a bs t r a i g h t e n i n gp r o c e s s e sh a v eb e e nd e v e l o p e df r o mu n b e n d i n gw i t h o u tl i q u i d c o r et ow i t hl i q u i dc o r e t h el a t t e ri n c l u d e ss i n g l e - p o i n ts t r a i g h t e n i n g m u l t i - p o i n t s t r a i g h t e n i n g ，v a ic o n t i n u o u ss t r a i g h t e n i n g ，a n dc o n c a s tc o n t i n u o u ss t r a i g h t e n i n g n o w a d a y s ，an e w s t y l ec o n t i n u o u ss t r a i g h t e n i n gp r o c e s sw i t hu n i f o r ms t r a i nr a t ea n d f i x e dr o l ll a y o u th a sb e e na p p l i e d t h ee l a s t o p l a s t i cf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fs l a b s i n g l e - p o i n ts t r a i g h t e n i u g f o u r - p o i n ts t r a i g h t e n i n g a n dc o n t i n u o u s s t r a i g h t e n i n g h a v e b e e nc a r r i e do u t r e s p e c t i v e l yw i t hf e ms o f t w a r eo fm s c m a r c 1 1 1 es t u d yi sb a s e do nt h et h r e e d i f f e r e n tc a s t e rr o l ll a y o u ta n dt h ec o n d i t i o no f2 3 0 m ms l a bt h i c k n e s sa n d1 0 m m i n c a s t i n gs p e e d 耵1 e 订e n d so fs t r e s sa n ds t r a i na n dt e m p e r a t u r eo fc a s t i n gs l a bd u r i n g s t r a i g h t e n i n ga r eo b t a i n e d t h ea i m so fp r e s e n ts t u d ya r et op r o v i d ear e l i a b l e r e f e r e n c ef o rs t r a i - g h t e n i n gp r o c e s sd e s i g na n de q u i p m e n tr e b u i l d i n go f t h ec a s t e r t h er e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) d u r i n gt h e s et h r e es t r a i g h t e n i n gp r o c e s s ，t h ee q u i v a l e n tv o nm i s e ss t r e s si s m a x i m u mo nt h es u r f a c ea n dd e c r e a s e st o w a r dt h em i d s t t h ei n s i d es u r f a c ei s1 i a b l e t oc r a c kf l a wt h a no u t s i d e t h ee q u i v a l e n tv o nm i s e ss t r e s sa n d0 ；cd e c r e a s ei no r d e ro f s i n g l e p o i n ts t r a i g h t e n i n g ，f o u r - p o i n ts t r a i g h t e n i n ga n dc o n t i n u o u ss t r a i g h t e n i n g p r o c e s s ( 2 ) d u r i n gt h es i n g l e p o i n ts t r a i g h t e n i n gp r o c e s s ，t h ee q u i v a l e n tp l a s t i cs t r a i na n d s t r a i nr a t ei n c r e a s eg r e a t l y t h es t r a i na r r i v e sa tt h ep e a ko f1 1 a f t e r4 5 0 m m a w a y f r o mt h es t r a i g h t e n i n gp o i n t n l es t r a i nr a t er e a c h e s1 1 0 。3s 1 r a p i d l ya n dt h e n d e c r e a s e st oz e r o ( 3 ) d u r i n gt h ef o u r - p o i n ts t r a i g h t e n i n gp r o c e s s ，t h ed e f o r m a t i o na te a c ho ft h e m i sal i t t l el o w e rt h a ni nt h es i n g l e - p o i n ts t r a i g h t e n i n g a n dt h es t r a i nr a t ei n c r e a s ef r o m i i i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t z e r ot ot h eu t m o s tn e a rt h ef o u rs t r a i g h t e n i n gp o i n t sw h i c ha r ea l m o s tt h es a i d _ ev a l u e o f 4 x l o 4s - 1 ( 4 ) d u r i n gt h ec o n t i n u o u ss t r a i g h t e n i n gp r o c e s s ，t h ee q u i v a l e n tp l a s t i cs t r a i n i n c r e a s el i n e a r l yf r o mz e r ot ot h em a x i m u mo f1 4 5 8 t h ee q u i v a l e n tp l a s t i cs t r a i n r a t eo nm es u r f a c eo fs l a bi sa b o u t5 1 0 。5w h i c hi sm u c hl o w e rt h a nt h a to f s i n g l e p o i n ts t r a i g h t e n i n g i ti sa ni d e a ls t r a i g h t e n i n gp r o c e s si naw a y ( 5 ) d u r i n gt h es t r a i g h t e n i n g ，t h es u r f a c et e m p e r a t u r eo fs l a bd e c r e a s e sg r a d u a l l y 埘t i lt h et i m e t h et e m p e r a t u r ei n s i d eo ft h es t r a i g h t e n i n gs l a bi sa l m o s tt h es a m ea t t h ed i r e c t i o no f s l a bl e n g t h b u tt h e r ei sal i t t l ei n c r e a s et o w a r dt h eo u t s i d es u r f a c e k e y w o r d s ：f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；c o n t i n u o u sc a s t i n gs l a b ；s t r a i g h t e n i n g ；s t r e s sa n d s t r a i n ；t h e r m a l - m e c h a n i c a lc o u p l i n g ；t e m p e r a t u r e i v 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：卉p 广厂 日期： 厶口62 ，2 争 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阔。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：签字日期： i 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 连铸技术的发展和现状 二十世纪下半叶以来，世界钢铁工业的技术面貌发生了革命性的变化，突出 的贡献之一就是连续铸钢技术的工业化，基本取代了钢锭模铸钢、初轧机开坯的 第一代钢液成型技术，不但可以提高成材率8 - 1 0 ，节约能源2 5 5 0 ，而 且使从炼钢到轧制成型材的工艺生产连续化成为可能。而今，随着相关行业科 学技术的进步，特别是控制技术的发展，连续铸造正朝着近终形连铸( 尤其是薄 板坯、薄带连铸) 、高效连铸、高清洁性产品的连铸、连铸产品多样化等方向发 展。我国连铸经历了起步晚、发展艰难、引进移植、白创体系、快速发展、高效 化改造等阶段。近十几年来，我国连铸发展的速度已达到世界主要产钢国的增长 水平，并且在连铸技术及装备的研究方面取得了突破性进展。 1 1 1 世界连铸工艺发展进程 当代钢铁生产有“高炉一铁水预处理一转炉一二次精炼一连铸一连轧”和 “电炉一二次精炼一连铸连轧”两大主要工艺流程。其中，连续铸钢的开发时 间在1 9 5 1 年前后。2 0 世纪7 0 年代以来，在国际石油危机、能源涨价等因素的 推动下，连铸工艺与相关技术得到迅速发展，并带动炼钢、炉外精炼和轧钢工艺 技术的发展。至今，连续铸钢技术已经发展了6 0 余年，即“从2 0 世纪4 0 年代 的试验开发、5 0 年代开始步入工业生产、6 0 年代弧形机的出现、7 0 年代由能源 危机推动的大发展到8 0 年代日趋成熟和9 0 年代面临一场新变革”的发展i ；2 】a 连续铸钢技术的发展大致可以分为五个阶段t 第一阶段( 1 8 4 0 1 9 3 0 年) ，连续铸钢技术的启蒙阶段1 3 1 。1 8 4 0 年美国的s e l l e r s 取得了连续铸铅的专利，1 8 4 6 年，英国人h b e s s e m e r 继发明转炉后，又提出了 连铸的概念，并使用水冷旋转双辊式连铸机生产锡箔、铅版和玻璃板【4 。1 8 8 7 年，最早提出与现代连铸机相似的连铸设备建议的是德国人r m d a e l e n ，在其 开发的设备中包括了上下敞开的结晶器、液态金属注入、二次冷却段、引锭杆和 铸坯切割装置等。 第二阶段( 1 9 4 0 - 1 9 4 9 年) ，连铸特征技术的开发阶段。其代表人物是现代 连铸之父德国人s j u n g h a n s ，1 9 4 3 年在德国建成了第一台试验连铸机，提出的 振动水冷结晶器、浸入式水口、结晶器上部加保护渣等技术，奠定了现代连铸机 结构的基础，专利原理如图1 1 。其中，结晶器振动已成为连铸机的标准操作。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 辅10 稀 ，一i | 日匕兰 i i 一 1 中间包；2 保护渣；3 入水口；4 一结晶器；5 一铸坯； 6 一拉辊；7 一出水口；8 一压缩机i9 钢包；1 0 一振动机构 图1 1j j u n g h a n s 专刹原理图 f i g 1 1 c o n t i n u o u sc a s t i n gp r i n c i p l ed e s c r i b e db ys j t m g h a n $ p a t e n t 第三阶段( 1 9 5 0 t 9 7 6 年) ，传统连铸技术发展成熟阶段。在这个阶段连铸技 术以惊人的速度向前发展，出现了5 0 0 0 多个有关连铸的专利。尤其是7 0 年代以 后为连铸大发展时期，连铸机具备了与大型氧气转炉相配合进行工业化生产的水 平。连铸设备和工艺日益完善，促进了连铸的迅速发展。其中具有代表性的技术 有1 5 1 ； 采用钢包回转台来实现多炉连浇； 快速更换中间包来提高连铸生产率和连浇炉数： 纵向切割板坯以把更换结晶器的次数减到最少来提高生产率； 结晶器液面控制来保持稳定浇铸速度； 结晶器在线调宽技术来提高生产率； - 多点弯曲和矫直技术来提高铸坯质量； 钢包、中间包、结晶器全程保护浇铸； 冷中间包的应用； 电磁搅拌的应用； 汽水冷却来改善冷却的均匀性、提高铸坯质量； 压缩浇铸技术来适应高速浇铸、改善铸坯内部质量； 轻压下技术来改善铸坯中心偏析； 整个浇铸过程用计算机控制。 第四阶段( 2 0 世纪8 0 9 0 年代) ，传统连铸技术的优化发展阶段。八十年代 一2 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 连铸发展特征是使连铸技术更趋完善，追求连铸机最大的利用率，铸坯稳定生产、 高质量、直接轧制热装及连铸过程自动化。开发活动集中于质量保证系统，因 为这是提高经济效益及连铸产品进行热装和直接轧制的前提条件。进入九十年 代，为满足对质量和生产率日益提高的要求，连铸界更加注重连铸机的效率及稳 定生产。连铸比不断上升，浇铸品种增多，生产成本不断降低。整个钢铁行业以 连铸技术优化发展为契机，带动传统钢铁生产流程向紧凑化、连续化、高度自动 化方向发展。这一阶段的先进连铸技术如表1 i 所示【6 】。 表1 i2 0 世纪8 0 年代的连铸先进技术 t a b l e l 1 a d v a n c e dc o n t i n u o u sc a s t i n g t e c h n o l o g i e s i n l 9 8 0 s 第五阶段( 2 0 世纪9 0 年代一一至今) ，9 0 年代以后，人们在改进原来的连铸设 备，实现高拉速浇铸、自动化和机械化及开发近终形技术的同时，更注重连铸坯 质量的提高与生产能源的低消耗7 1 。为此，在现代连铸工艺上采用了一些先进技 术，如图1 2 所示嘲。 1 1 2 连铸技术的发展目标及趋势 连续铸钢技术得到大规模工业应用以来，以其大幅度提高金属成材率、节约 能源、提高劳动生产率等突出优点获得了突飞猛进的发展。连铸比已成为一个国 家钢铁工业技术水平的重要指标之一，世界钢铁工业在经过了发展阶段、认可阶 段、产量增长阶段，现在已进入发展新工艺阶段，连铸比一直在增加，预计到 2 0 1 0 - - 2 0 1 5 年连铸比将接近1 0 0 。 3 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 22 0 世纪9 0 年代后连铸机采用的主要技术 f i g 1 2m a i n t e c h n o l o g i e sa p p l i e d i nc a s t e r a f t e r l 9 9 0 s 图1 3 常规连铸的目标与关键技术 f i g 1 3 a i m sa n dp i v o t a lt e c h n o l o g i e so f r o u t i n ec o n t i n u o u sc a s t i n gp r o c e s s d 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 连铸技术发展目标可归纳为吲： ( 1 ) 高拉速、高产量 目前，板坯连铸拉速为1 2 2 8 m m i n ，连浇炉数已超过1 5 0 0 炉。现代化小 方坯连铸机拉速已达4 0 5 0 m m i n ( 1 3 0 m m 1 3 0 m m ) ，连浇炉数已超过1 0 0 0 炉以 上。圆坯连铸机拉速可达3 5 m m i d 。连铸工艺流程必须与冶炼和轧制工序相 匹配。 ( 2 ) 高质量、无缺陷 连铸坯质量已超过传统路线生产的产品质量，成为高质量新产品的领头羊。 ( 3 ) 产品多样性 连铸坯己从生产碳钢发展到生产合金钢，实现了从单一产品到多种产品的转 变。其种类可以是梁、杆、线和钢轨等长产品，也可以是方块、壳或平板和钢管。 为达到这些目标，人们提出各种工艺方案和相应的连铸技术。如图1 3 所示 【l l 】。 当前近期未来 图1 4 连铸工艺现状与发展趋势 f i g 1 4 c u r r e n ts 诅m sa n dd e v e l o p m e n tt r e n d so f c o n t i n u o u sc a s t i n gt e c h n i q u e 连铸是当代钢铁工业技术发展的主题。连铸工艺发展状况及将来趋势可以用 图1 4 表示i l2 1 。目前，连铸工艺是模铸、厚板坯、小方坯及大方坯的连铸并存。 将来重点发展的技术有：超厚板坯连铸、薄带坯连铸、较少杂质的连铸、棒材连 铸和异型零件的直接制造等。未来连铸技术的发展将是一个在多物理场作用下涉 及诸多学科交叉的过程，涉及到高温物理化学、流体力学、金属物理学、结晶学、 - 5 东北大学硕士学位论文第一章绪论 量子物理学和信息技术等领域与范围。因而，在开发连铸新工艺和新技术的同时 必须注重各种基础技术研究和交叉学科渗透的应用。 1 1 3 我国连铸技术的发展与现状 我国是世界上开发和应用连铸技术较早的国家之一。从1 9 5 5 年就开始进行 连铸的实验工作。1 9 5 8 年在唐山钢厂建成了第一台工业生产的立式连铸机：同 年，在1 9 5 8 年我国在中钢三厂建成立式双流连铸机，用以浇铸1 7 5 m m 2 0 0 m m 的铸坯【1 3 1 。1 9 6 4 年，由北京钢铁学院徐宝隆教授主持设计的重钢三厂大弧型板 坯连铸机正式投产。1 9 6 5 年，又在上钢三厂建成一台半径为4 6 5 m 的矩形坯连 铸机，浇注断面为2 7 0 r a m 1 4 5 m m 。1 9 6 7 年首钢实验厂投产了一台半径为5 5 m 的直结晶器弧形连铸机。这些铸机的设计和制造以及相关的连铸技术的开发都 是立足于国内并依靠自己的能力完成的，显示了我国连铸技术的水平和能力。 但由于我们缺乏与国外的技术交流，不能及时有效地借鉴国外的先进技术， 在6 0 年代后期到7 0 年代初期，我国的连铸发展缓慢，而在这个时期，世界连铸 技术应用正处于大发展中，这样，我国连铸生产技术水平与国外的差距又明显拉 开1 1 钔。 从1 9 7 8 年以来，为了学习国外先进技术和经验，促进我国连铸生产的发展， 一些企业开始引进国外技术和设备。比如，武钢二炼钢厂在1 9 7 8 年、1 9 7 9 年先 后投产了3 台从德国西马克德马克公司引进的单流板坯连铸机。国家对发展连 铸技术一直予以高度重视，根据自身的经验总结出“以连铸为中心，炼钢为基础， 设备为保证”的连铸生产组织方针，比较切合实际地反映了搞好连铸生产的基本 要求和客观规律。1 9 9 4 年，冶金部又提出“以连铸为中心，以全连铸为方向， 炼钢一炉外处理一连铸三位一体优化结构”，以发展连铸为企业优化结构的突破 口，同时强调提出连铸高效化( 高作业率、高拉速、高连浇炉数、高质量、高自 控水平等) 。目前，我国是世界连铸机大国，连铸机拥有量和连铸坯产量都居世 界第一 15 1 。根据中国金属学会连铸分会的统计( 到1 9 9 9 年底) ，我国共有连铸机 3 4 2 台1 0 8 8 流，生产能力1 3 5 0 3 5 万吨。1 9 9 9 年全国钢产量达1 。2 4 亿吨，居世 界第一”朋；连铸比达7 8 2 8 ，连铸坯产量达9 7 0 0 万吨，跃居世界第一。最近 几年，我国每年的连铸坯产量增加近1 0 0 0 万吨，2 0 0 1 年的连铸比达到9 2 o ， 超过了世界平均水平l l s ；2 0 0 2 年连铸比达到9 3 7 ，2 0 0 3 年达到9 5 3 ，2 0 0 4 年达到9 7 o 。图1 5 为我国连铸坯产量及连铸钢产量的增长1 1 9 1 。 我国连铸生产虽然取得了很大成绩，但也存在许多困难和问题，特别是与发 达国家比较还存在很大差距，主要表现在连铸机作业率低，浇注速度低，少数连 铸品种和高质量的连铸坯还不能规模化生产，连铸的整体效益还有待于更进一步 的提高，进一步发展我国高效连铸技术显得尤为重要。为实现我国从钢铁大国向 一6 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 量子物理学和信息技术等领域与范围。因而，在开发连铸新工艺和新技术的同时 必须注重各种基础技术研究和交叉学科渗透的应用。 1 1 3 我国连铸技术的发展与现状 我国是世界上开发和应用连铸技术较早的国家之一。从1 9 5 5 年就开始进行 连铸的实验工作。1 9 5 8 年在唐山钢厂建成了第一台工业生产的立式连铸机；同 年，在1 9 5 8 年我国在中钢三厂建成立式双流连铸机，用以浇铸1 7 5 m m 2 0 0 m m 的铸坯【l ”。1 9 6 4 年，由北京钢铁学院徐宝隆教授主持设计的重钢三厂大弧型板 坯连铸机正式投产。1 9 6 5 年，叉在上钢三厂建成一台半径为4 6 5 m 的矩形坯连 铸机，浇注断面为2 7 0 n u n x l 4 5 m m 。1 9 6 7 年首钢实验厂投产了一台半径为s 5 m 的直结晶器弧形连铸机。这些铸机的设计和制造以及相关的连铸技术的开发都 是立足于国内并依靠自己的能力完成的，显示了我国连铸技术的水平和能力。 但由于我们缺乏与国外的技术交流，不能及时有效地借鉴国外的先进技术， 在6 0 年代后期到7 0 年代初期，我国的连铸发展缓慢，而在这个时期，世界连铸 技术应用正处于大发展中，这样，我国连铸生产技术水平与国外的差距又明显拉 开。 从1 9 7 8 年以来，为了学习国外先进技术和经验，促进我国连铸生产的发展， 一些企业开始引进国外技术和设备。比如，武钢二炼钢厂在1 9 7 8 年、1 9 7 9 年先 后投产了3 台从德国西马克德马克公司引进的单流板坯连铸机。国家对发展连 铸技术一直予以高度重视，根据自身的经验总结出“以连铸为中心，炼钢为基础， 设备为保证”的连铸生产组织方针，比较切合实际造反映了搞好连铸生产的基率 要求和客观规律。1 9 9 4 年，冶金部又提出“以连铸为中心，以全连铸为方向， 炼钢一炉外处理一连铸三位一体优化结构”，以发展连铸为企业优化结构的突破 口，同时强调提出连铸高效化( 高作业率、高拉速、高连浇炉数、高质量、高自 控水平等) 。目前，我国是世界连铸机大国，连铸机拥有量和连铸坯产量都君世 界第- - ”j 。根据中国金属学会连铸分会的统计( 到1 9 9 9 年底) ，我国共有连铸机 3 4 2 台1 0 8 8 流，生产能力1 3 5 0 3 5 万吨。1 9 9 9 年全国钢产量达1 2 4 亿吨，疆世 界第- - 1 1 6 , 17 ；连铸比达7 8 2 8 ，连铸坯产量达9 7 0 0 万吨，跃居世界第一。最近 几年，我国每年的连铸坯产量增加近1 0 0 0 万吨，2 0 0 1 年的连铸比达到9 2 o 超过了世界平均水平i l ；2 0 0 2 年连铸比达到9 3 7 ，2 0 0 3 年达到9 5 3 2 0 0 4 年达到9 7 o 。图1 5 为我国连铸坯产量及连铸钢产量的增长e 1 9 。 我国连铸生产虽然取得了很大成绩，但也存在许多困难和问题，特别是与发 达国家比较还存在很大差距，主要表现在连铸机作业率低，浇注速度低，少数连 铸品种和高质量的连铸坯还不能规模化生产，连铸的整体效益还有待于更进一步 的提高，进一步发展我国高效连铸技术显得尤为重要。为实现我国从钢铁大国向 的提高，进一步发展我国高效连铸技术显得尤为重要。为实现我国从钢铁大国向 东北大学硕士学位论文第一章绪论 钢铁强国的转变，提高连铸技术7 k 平也是重要的一环。连铸技术经过起步、达产、 全连铸的发展历程后，依然面临着技术改进和优化发展的问题，低水平的连铸已 经无任何竞争优势可言。 图1 5 我国连铸坯产量及连铸钢产量的增长 f i g 1 5 i n c r e a s eo f c o n t i n u o u sc a s t i n gb i l l e to u t p u ta n dc r u d es t e e lo u t p u t f r o mt 9 9 0t d2 0 0 4i nc h i n a 1 ，2 连铸坯矫直技术概况 铸坯的矫直过程实际上是铸坯在外力作用下由弯变直的过程，随着连铸生产 的发展，铸坯的矫直从原理、方法和设备上都有了很大的进步。铸坯矫直经历了 从固态矫直到带液芯矫直：带液芯矫直技术也从传统的单点矫直、多点矫直发展 到以奥钢联渐近矫直、康卡斯特连续矫直为代表的连续矫直技术，以及在此基础 上又开发出的等应变速率固定辊连续矫直的新型连续矫直技术。 现代板坯连铸机大多设计成带液芯铸坯矫直形式，这种矫直形式的出现及随 后的各种矫直方法的发展和完善都是基于如下原则和目标取得的【2 0 】： ( 1 ) 降低铸机高度，减少投资费用； ( 2 ) 提高铸机拉速，增加生产能力； ( 3 ) 保证和提高产品质量； ( 4 ) 便于设备维护和维修。 一7 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 在采用直结晶器的铸机上，铸坯除了需要矫直外，在弧形段上部还要进行弯 曲。弯曲实际上是铸坯矫直的逆过程，其原理和方法在本质上与矫直相同，因此 本论文的研究以矫直为主。 1 2 1 全固态矫直技术 在铸坯矫直技术发展的历史上首先出现的是全凝固矫直，它是指铸坯迸入矫 直区必须完全凝固，此时进行的矫直属于固相矫直。从钢水浇入结晶器中到矫直 区全部凝固需要的时间t o 和铸坯厚度的关系是 7 0 h 2( 1 1 ) 即凝固时间和铸坯的厚度的平方成正比。所以，只要厚度比较小的坯料才采 用固相矫直：还有对某些裂纹比较敏感的钢种，拉速不能太快，有足够的凝固时 间，也采用固相矫直。 1 2 2 带液芯矫直技术 带液芯矫直方法【2 1 1 包括单点矫直、多点矫直、压缩矫直、奥钢联渐进矫直、 康卡斯特连续矫直技术以及等应变速率固定辊连续矫直技术，下面简要介绍如 下。 1 2 2 1 单点矫直 一点矫直( s i n g l e p o i n ts t r a i g h t e n i n g ) 是弧型连铸机最原始的矫直方式。铸坯从 弧形结晶器中出来，沿半径r = r o 的弧线运行n r o 2 后，到达水平切线的切点， 在该点经矫直后曲率半径变为无穷大( r = + 。) 。 1 2 2 2 多点矫直 多点矫直( m u l t i p o i n ts t r a i g h t e n i n g ) 是把集中在一点的大幅度变形，设法分散 到若干点去逐步完成变形，使每一点的变形率不致超过允许的极限 司。把一定曲 率半径矫直成水平直线( 即r = + 一) 时，依靠多次矫直逐步完成，中间用若 干个过渡半径r l r 2 一飓如按顺序分布达到目标，这样每次矫直的变形率 都将大大减少，总的矫直变形率是r o 一如一点矫直的变形率，它应该等于 r o r l ，r l _ r 2 ，r 2 一飓，r 。_ 月。各点变形率的总和。 1 2 2 3 压缩矫直 压缩矫直( c o m p r e s s e ds t r a i g h t e n i n g ) ，也称压缩铸造( c o m p r e s s e dc a s t i n g ) ， 是由日本新日铁公司i p p o ns t e e lc o r p o r a t i o n ) 在多辊拉矫机进行液芯拉矫的基 础上开发的新工艺。通过在连铸机圆弧段适当配置驱动辊组对铸坯施加压力实行 推坯，在矫直点后拉矫机的拉矫辊中适当配置驱动辊子对铸坯施加制动力，设法 8 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 降低连铸坯在矫直点处凝壳内层表面的延伸率，使其趋近于零( 或为压应力) 。这 就是带液芯矫直的压缩矫直原理。 1 2 2 4 渐进矫直 渐进矫直( v a ic o n t i n u o u ss t r a i g h t e n i n g ) 是由奥钢联( v a i ) 开发的铸坯连续 矫直技术，是通过设定一条曲率半径连续变化的曲线作为铸坯在变形区内的运行 曲线，使铸坯在该区内以恒定的应变速率变形，其弧线可以是悬链线、螺旋线、 双曲线或者抛物线。 1 2 2 5 连续矫直 连续矫直( c o n c a s tc o n t i n u o u ss t r a i g h t e n i n g ) 特指康卡斯特( c o n c a s t ) 集团开发的连续矫直，并于1 9 8 3 年1 2 月首次应用于s e r e m a n g e 公司的s o l l a c 厂 1 号板坯连铸机上，取得了明显的效果。 康卡斯特连续矫直的基本原理是矫直区的辊子沿着一条给定的连续矫直曲 线布置，上下辊之间的辊缝构成了所谓的理想通道，铸坯通过该通道时其曲率由 l r o 连续均匀地变化。 1 2 2 6 等应变速率固定辊连续矫直 等应变速率固定辊连续矫直( n e w - s t y l ec o n t i n u o u ss t r m g h t e n i n g ) 技术由燕 山大学在1 9 9 8 年开发出来的，克服了康卡斯特连续矫直的设备复杂及奥钢联渐 近矫直应变速率有峰值的缺点，保留了康卡斯特连续矫直应变速率低值恒定及奥 钢联渐近矫直采用固定辊组的优点，成为目前我国具有独立知识产权的理想的连 续矫直技术阱】。该技术于1 9 9 8 年用于邯钢超低头板坯连铸机，2 0 0 1 年用于安阳 及临汾钢铁公司的矩形坯和方坯连铸机。 1 3 国内外连铸坯矫直技术研究的文献综述 近二十多年来，国内外科研工作者和生产现场的工程师围绕着连铸坯矫直机 理( 尤其是带液芯矫直) 、变形规律、矫直曲线辊列设计、矫直力计算、矫直应 变率和应变速率的计算等方面开展了大量的工作j 。 国内对连铸坯矫直开展工作最早最多的是燕山大学( 前身为东北重型机械学 院) ，其次还有宝钢设计院、钢铁研究总院等单位。宝钢设计院文石斧1 2 4 】对连铸 坯的多点矫直和连续矫直的基本思想、基本原理、工程设计和计算以及矫直变形 行为等进行了详尽的阐述和研究：唐山工程技术学院王朕增【2 5 】对液心连铸坯矫 直内裂进行了分析，给出了液心铸坯矫直和考虑鼓肚时矫直应变的综合计算式， 阐明了铸坯矫直内弧内裂与工艺设备参数的关系；原东北重型机械学院盛义平【2 6 等人提出了连铸坯的多点等曲率速率矫直，讨论了多点等曲率速率矫直和连续矫 直的关系：燕山大学的李宪奎【2 7 】根据康卡斯特连续矫直原理首次提出了可用于具 一9 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 有两个连续矫直区的超低头连铸机的连续矫直曲线；原东北重型机械学院盛义平 【2 8 】等人提出了连铸坯的三段曲线矫直法，改进了c o n c a s t 连续矫直法的两点 不足之处；燕山大学景奉儒【2 9 】等人对铸坯的理想矫直曲线微分方程进行了数值分 析，从理论上阐明了固定辊连续矫直的辊列方案能够适应不同的钢种、断面和拉 速的浇铸。钢铁研究总院刘立文【3 0 l 利用有限元软件m a r e ，对连铸过程中的矫直 工艺优化进行了仿真研究，给出了连续矫直曲线的修正方程式，得到三种矫直形 式基本的变形特征。 新日铁的s n a g a t a 3 1 ，3 2 1 等人作了连铸坯多点矫宜中弯曲应变的分布的模拟 实验，得出矫直应变不是仅仅产生在坯料和曲率改变的辊子接触的部分，而是连 续变化的，并且采用连续梁理论对这种现象进行解释；k 一h t a c k e ”】根据基本梁 理论建立了连铸坯矫直的多点梁模型来分析连铸坯的矫直工艺过程，得到了一点 和多点矫直的曲率规律、矫直应变率：m u e h a r a 和i v s 锄a r a s e k e m 【3 4 等人建 立了二维弹塑性有限元模型研究了板坯矫直的数学模型，得出了带液芯铸坯上下 部分分别沿着各自的中性轴进行变形的结论，以及产生的总的应变r 和矫直应变 小鼓肚应变b 的关系式为 唧= 毛+ ( 2 5 ) 6 b( 1 2 ) m d e i s i n g e r 和k h t a c k e 【3 5 】建立了连铸坯带液芯矫直的三维有限元模型，考虑 了材料的粘弹塑性，研究了单点矫赢、各矫直点之间没有中间辊的五点矫直、各 矫直点之间具有中间辊的四点矫直以及连续矫直，得出了板坯的液芯矫直可以看 作是单纯的弯曲矫直和由静水压力产生的鼓肚以及拉坯力产生的延伸产生的附 加影响的组合。 1 4 本文的研究意义和内容 1 4 _ l 研究意义 矫直过程的变形量对铸坯的内在质量至关重要，必须加以控制。随着拉速的 提高，而相应地提高结晶器和二冷的冷却强度是有限的，势必使铸坯的液芯长度 加长，铸坯到达矫童处的坯壳较薄，增大了固液相界面处的临界应变，某些钢种 对过大的应交，尤其是临界应变较敏感时，容易产生裂纹口6 1 。 研究铸坯在矫直过程中基本的变形规律，对单点矫直、多点矫直、连续矫直 的规律进行比较研究，可以为辊列设计中弯曲段和矫直段工艺和设备的设计提供 一个可靠的依据，并且为连铸机矫直段的改造提供思路，从而达到提高板坯内部 和表面质量的目的【3 ”。 一1 0 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 2 研究内容 本文采用弹塑性有限元分析法，对厚度为2 3 0 m m 的板坯，在拉速为1 0 m m i n 下，针对3 套不同的辊列布置，分别进行单点矫直、四点矫直、连续矫直的有限 元模拟，获得了矫直过程中连铸板坯的应力应变变化规律和温度变化规律，总应 变的计算值和理论值基本相一致，说明了本模拟结果的正确性。 1 5 本章小节 本章首先对连铸技术的发展和现状进行回顾，尤其介绍了连铸坯矫直技术的 发展过程，阐述了国内外对矫直技术研究的文献综述，最后介绍了本文的研究意 义和研究的内容。 东北大学硕士学位论文第二章连铸坯矫直原理及其技术发展分析 第二章连铸坯矫直原理及其技术发展分析 现阶段，发展高效连铸技术是连铸研究的热点，而高效连铸技术是一项系统 技术，其中连铸坯矫直技术就是一项重要的辅助技术。铸坯矫直经历了由全凝固 矫直到带液芯矫直。带液芯矫直技术也从传统的单点矫直、多点矫直发展到以奥 钢联渐近矫直、康卡斯特连续矫直为代表的连续矫直技术，目前燕山大学在此基 础上又开发出了等应变速率固定辊连续矫直的新型连续矫直技术。 2 1 连铸坯矫直原理 矫直是使呈弧形的铸坯在外力矩的作用下，产生塑性变形成为平直铸坯的过 程。假定铸坯在矫直过程中断面始终保持为一平面，则所加外力矩m 的大小就 决定这铸坯内引起应力的大小，其力矩与变形情况如图2 1 所示【3 8 1 。 图2 1 铸坯矫直原理 ( a ) 口 口。，不能产生矫直；( b ) 口o - 。；部分矫直，( c ) 口= 口；完全矫直 f i g 2 1 t h ep r i n c i p l eo f c o n t i n u o u sc a s t i n gs l a bs t r a i g h t e n i n g 当外力矩m = m i 时，铸坯内部产生的应力盯小于材料的屈服极限盯。，属于弹 性变形，无法矫直铸坯，见图2 。l ( a ) 。当外力矩增加到m 2 ，铸坯内产生的应力 已有一部分达到材料屈服极限，铸坯得到部分矫直，见图2 1 ( b ) 。只有当外力矩 增加到m 3 时，铸坯内部产生的应力全部达到屈服极限，即铸坯整个断面发生塑 性变形，被完全矫直，见图2 1 ( c ) 。 一1 2 够够 东北大学硕士学位论文第二章连铸坯矫直原理及其技术发展分析 2 1 1 矫直力矩 ( b ) 图2 2 矫直力矩计算图示 ( a ) 全凝固截面：( b ) 带液芯截面 f i g 2 2t h ec h a r to f s t r a i g h t e n i n gm o m e n ta c c o u n t 在矫直时，铸坯断面上某一层应力为西如图2 2 所示，在距中性层z 处的 微面积嬲上内力为o t i s ，在铸坯曲率很大的条件下，可认为铸坯断面、内力和应 力均以中性层对称。根据力矩平衡原理，矫直力矩m s 应等于铸坯断面上内力对 中性层力矩之和，即 m s = 2i f r z d s( 2 1 ) 0 2 铸坯完全矫直，整个断面应力都等于屈服极限o ，即： m s = 2 c r siz d s( 2 2 ) s 2 如图2