（检测技术与自动化装置专业论文）连铸坯凝固过程传热模型与热应力场模型的研究及应用.pdf

龟 i t + 妒 4 c - h l i i ii iii r liiiii 11 1iii y 171719 7 ad i s s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo fd o c t o ri nm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g ya n d a u t o m a t i o ni n s t r u m e n t r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fh e a tt r a n s f e rm o d e la n d t h e r m a ls t r e s sm o d e li ns o l i d i f i c a t i o np r o c e s so fb i l l e t c o n t i n u o u sc a s t i n g q i 一 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，不包含其他人己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。与我一同工作的 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：男磷 日 期：伊衫7 p 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阅。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：移斌 签字日期：和矽彳7 口 导师签名： 签字日期： ，一甲，7 ，c i q _ 东北大学博士学位论文摘要 连铸坯凝固过程传热模型与热应力场模型的研究及应用 摘要 连铸生产中，常常由于不合理的浇注工艺和二冷配水制度导致铸坯内部产生质量缺 陷，特别是以中间裂纹和中心裂纹为代表的铸坯裂纹缺陷占总质量缺陷的5 0 以上。为 了消除铸坯内部裂纹缺陷，必须对内部裂纹产生的机理进行研究，并对其凝固过程进行 控制。在实际生产过程中，由于受设备、流程和突发事情等因素的影响，过热度和拉速 等工艺参数经常发生变化，使得基于稳定条件下建立的凝固传热模型在应用过程中往往 满足不了生产高品质钢的要求；另一方面，为了消除铸坯内部裂纹等缺陷，必须对裂纹 源和裂纹扩展的机理进行分析，从而为提出预防裂纹产生的措施，并为优化二冷水量改 善铸坯质量提供理论依据。因此，热弹塑性应力场模型和实时凝固传热模型的研究对铸 坯内部质量的提高具有实际意义。 本文以方坯凝固过程中出现的内部裂纹为研究对象，以减少乃至消除内部裂纹缺陷 为主要目标。为了消除铸坯内部裂纹，就必须对产生内部裂纹的原因进行研究，这就要 求对铸坯截面热应力分布及影响因素进行分析，为此必须建立铸坯热弹塑性应力场模 型。由于传热模型是热应力场模型的基础，因此对传热模型也进行了深入的研究，并将 应力场模型和传热模型在现场进行了应用研究。主要研究内容与创新工作如下： ( 1 ) 二维热弹塑性应力场模型的建立及内部裂纹产生的机理研究 针对以中间裂纹和中心裂纹为表征的内部裂纹是各现场存在的主要内部缺陷，建立 二维热弹塑性应力场模型对裂纹产生的机理进行了研究。 通过应力场模型对铸坯应力分布和裂纹产生的原因进行了分析，提出了裂纹是由于 铸坯表面温度回温过高导致铸坯凝固前沿过大的拉应力和凝固前沿凝固速率的不均造 成的，并指出裂纹源是发生在补缩边界与固相边界之内，向着固相扩展。而过热度偏高 和拉速波动频繁加剧了柱状晶生长速度不均从而加剧内部裂纹产生和扩展。通过钢种的 性能和模型的分析，提出在二冷区最好使铸坯表面温度减少波动，减少各段回温的二冷 优化目标。 ( 2 ) 方坯实时凝固传热模型建立及动态特性分析 针对连铸二次冷却是影响铸坯内部质量的关键环节，因此必须对二次冷却凝固过程 加以控制，也就是对铸坯温度场加以控制。由于连铸二冷区高温、水汽及铸坯表面的水 膜、氧化铁皮等的影响，难以准确地测量铸坯表面温度，特别是铸坯内部温度难以测量， 因此在分析连铸生产过程中浇注工艺条件频繁变化特性的基础上，建立了方坯实时凝固 i i p r 钿 东北大学博士学位论文 摘要 传热模型。 对建立的实时凝固传热模型，利用铸坯表面温度测量和射钉测厚对其进行了校正和 验证。在此基础上，分析了网格划分对模型可靠性的影响，并在实际浇注过程中，通过 变化浇注条件对模型的动态特性进行了分析，通过模型的在线运行和铸坯表面温度的测 量对比，模型计算和实测值最大偏差在1 0 。c 范围内，为实时传热模型的在线应用和热应 力场模型奠定了基础。 ( 3 ) 连铸热应力场模型和实时传热模型的应用研究 对某钢厂q 2 3 5 普碳钢和h r b 4 0 0 低合金钢进行了应用研究。从现场低倍数据和模 型计算分析指出，铸坯内部裂纹主要是因为不合理的二冷配水导致二冷区的高回温在凝 固前沿产生较大的拉应力；同时由于过热度偏高和拉速波动频繁加剧了柱状晶生长速度 不均从而加剧内部裂纹产生和扩展。通过优化二冷各段水量，并对水量优化前后铸坯截 面应力分布以及现场试验相结合，确定拉速和过热度的配水系数，同时把有效拉速和过 热度引入n - - 冷动态配水控制系统中消除了因拉速突变引起的温度大幅波动。 该系统应用现场后，对六个月的铸坯低倍抽样检验，结果表明：q 2 3 5 钢中间裂纹基 本消除，中心裂纹的级别由原来大于1 0 级占l o 3 降低到4 7 ，铸坯等轴晶区直径由 优化前的2 8 3 2 m m 提高到优化后的3 5 - 4 2 m m ，其他缺陷的级别也在允许范围之内 且比优化之前有所降低；h r b 4 0 0 钢中心裂纹基本消除，中间裂纹由原来大于1 0 级占 1 2 7 降低到7 4 ，铸坯质量得到明显提高。 关键词：连铸；凝固；传热模型；热应力场模型；二次冷却；铸坯质量 i i i p r i - i- 一 东北大学博士学位论文a b s t r a c t r e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no f h e a tt r a n s f e rm o d e la n d t h e r m a ls t r e s sm o d e l i ns o l i d i f i c a t i o np r o c e s so fb i l l e t c o n t i n u o u sc a s t i n g a b s t r a c t i nt h ec o n t i n u o u sc a s t i n gp r o c e s s ，t h ei n t e r n a ld e f e c t sw h i c hc a l lb ef o r m e di nc a s tm a t e r i a l a r ed u et oi n a p p r o p r i a t ec a s t i n go p e r a t i o na n di m p r o p e rs e c o n d a r yc o o l i n gw a t e rd i s t r i b u t i o n , e s p e c i a l l yt h ed e f e c t so fc r a c k sr e p r e s e n t e db yt h em i d w a yc r a c ka n dc e n t r e l i n ec r a c kw h i c h c o v e ro v e r5 0 o ft o t a lq u a l i t yp r o b l e m s i no r d e rt oa v o i di n t e r n a lc r a c k sa n do t h e rd e f e c t s i ti sn e c e s s a r yt om a k es t u d i e so nt h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo fi n t e r n a lc r a c k sa n dc o n t r o lt h e p r o c e s so fs o l i d i f i c a t i o n t h ec a s t i n gc o n d i t i o n ss u c ha sp o u r i n gt e m p e r a t u r ea n dc a s t i n g s p e e df l u c t u a t ef r e q u e n t l yc a u s e db yc h a n g eo fe q u i p m e n t s ，p r o c e s sa n dr h y t h me r e ，s ot h a t t h eh e a tt r a n s f e rm o d e lw h i c hi sb u i l tb a s e do nt h es t a t i cc o n d i t i o n sc a n n o tm e e tt h e r e q u i r e m e n t so fm a k i n gh i g h - q u a l i t yb i l l e t o nt h eo t h e rh a n d ，t h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo f i n t e m a lc r a c k ss h o u l db es t u d i e di no r d e rt oa v o i di n t e r n a lc r a c k s w h i c hw i l lo f f e rt h e o r e t i c a l g r o u n d sf o rt h ep r e v e n t i n go ft h eo c c u r r e n c eo fi n t e r n a lc r a c k sa n dt h eo p t i m i z a t i o no f s e c o n d a r yc o o l i n gw a t e rf l o wt oi m p r o v et h e s t r a n dq u a l i t y t h u s i ti so fp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c et os t u d yt h er e a l t i m eh e a tt r a n s f e rm o d e la n dt h e r m a ls t r e s sm o d e lt oi m p r o v e t h eb i l l e tq u a l i t y w i t ht h ei n t e r n a lc r a c ko fs o l i d i f i c a t i o np r o c e s sa st h er e s e a r c ho b j e c t ，a n de l i m i n a t i n gt h e i n t e r n a lc r a c ka st h ef i n a lt a r g e t ，t h i sd i s s e r t a t i o nw a sf o r m e d i no r d e rt oa v o i dt h ei n t e r n a l c r a c k t h er e a s o no fi n t e r n a lc r a c kg e n e r a t i o nw a ss t u d i e d t h es t r e s sm o d e lw a se s t a b l i s h e dt o a n a l y s et h es t r e s sd i s t r i b u t i o na n di n f l u e n c ef a c t o r s t h eh e a tt r a n s f e rm o d e lw a ss y s t e m i c a l l y s t u d i e db e c a u s ei ti st h eb a s i so ft h et h e r m a ls t r e s sm o d e l t h eh e a tt r a n s f e rm o d e la n d t h e r m a ls t r e s sm o d e lw e r ea p p l i e dt ot h ei n d u s t r i a lc a s t e r t h em a i nc o n t e n ta n di n n o v a t i o n s a r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) e s t a b l i s h i n gt w o - d i m e n s i o n a lt h e r m a le l a s t o p l a s t i cs t r e s sm o d e la n dr e s e a r c h i n gt h e f o r m a t i o nm e c h a n i s mo fi n t e m a lc r a c k s t h ei n t e m a lc r a c k ss u c ha sm i d w a yc r a c ka n dc e n t r e l i n ec r a c ka r et h em a i ni n t e m a ld e f e c t at w o d i m e n s i o n a lt h e r m a le l a s t o - - p l a s t i cs t r e s sm o d e lw a se s t a b l i s h e dt o a n a l y z et h e f o r m a t i o nm e c h a n i s mo fi n t e m a lc r a c k s t h eb i l l e tt h e r m a ls t r e s sd i s t r i b u t i o na n dt h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo fi n t e r n a lc r a c k sw e r e a n a l y z e db yt h em o d e l i tw a sp r e s e n t e dt h a tt h ei n t e r n a lc r a c k sw e r ec a u s e db ye x c e s s i v e s u r f a c er e h e a t i n ga n ds o l i d i f i c a t i o nv e l o c i t yd i s p r o p o r t i o n a t i o n t h ec r a c k so c c u rb e t w e e n s h r i n k a g eb o u n d a r ya n ds o l i d o i db o u n d a r ya n ds p r e a dt ot h es o l i d o i db o u n d a r y m e a n w h i l e ， i v t h eh i g hs u p e r h e a ta n df r e q u e n tc a s t i n gs p e e df l u c t u a t i o na g g r a v a t e dt h ee x p a n s i o no fc r a c k s b ym e a n so fa n a l y s i so fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs t e e la n dm o d e l ，t h es u r f a c et e m p e r a t u r e f l u c t l 工a t i o ns h o u l db er e d u c e da n dt h er e h e a t i n gs h o u l db ed e c r e s a s e di ne a c hs e c t i o no f s e c o n d a r yc o o l i n gz o n e s ( 2 ) e s t a b l i s h i n gt h er e a l t i m e h e a tt r a n s f e ra n ds o l i d i f i c a t i o nm o d e la n da n a l y s i n gt h e d y n a m i cp e r f o r m a n c eo fb i l l e tt e m p e r a t u r ef i e l d s e c o n d a r yc o o l i n gc o n t r o li so n eo ft h ek e yt e c h n i q u e so fi n f l u e n c i n gt h eq u a l i t yo f b i l l e t t h es o l i d i f i c a t i o np r o c e s si nt h es e c o n d a r yc o o l i n gs h o u l db ec o n t r o l l e d ，w h i c hi se q u a lt o c o n t r o lt h et e m p e r a t u r ef i e l do fb i l l e t o w i n gt ot h ei n f l u e n c eo fh i g h - t e m p e r a t u r e ，w a t e rv a p o r , w a t e rf i l ma n ds c a l e so nt h es t r a n ds u r f a c e ，e t ci nt h es e c o n d a r yc o o l i n gz o n e ，i ti sd i f f i c u l tt o m e a s u r et h eb i l l e ts u r f a c et e m p e r a t u r ea c c u r a t e l y , l e ta l o n e t h ei n t e r n a lt e m p e r a t u r e a c c o r d i n gt ot h ef r e q u e n tc h a n g e so fc a s t i n gp r o c e s s e si nt h ec o n t i n u o u sc a s t i n gp r o d u c t i o n ，a t w o d i m e n s i o n a lr e a l t i m eh e a tt r a n s f e ra n ds o l i d i f i c a t i o nm o d e lw a s e s t a b l i s h e d i no r d e rt oc o r r e c ta n dt e s tt h er e a l t i m eh e a tt r a n s f e ra n ds o l i d i f i c a t i o nm o d e l ，t h es u r f a c e t e m p e r a t u r ea n ds h e l lt h i c k n e s s e sw e r em e a s u r e db yt h et h e r m a li m a g e ra n dn a i ls h o o t i n g r e s p e c t i v e l y t h et h ei n f l u e n c eo f t h eg r i dd i v i s i o nt ot h er e l i a b i l i t yo ft h em o d e lw a sa n a l y z e d t h ed y n a m i cp e r f o r m a n c ea n dr e s p o n s et oo p e r a t i o nc o n d i t i o n sw e r et e s t e db yc h a n g i n g c a s t i n gc o n d i t i o n s t h em a x i m u md e v i a t i o nb e t w e e nt h ec a l c u l a t e ds u r f a c et e m p e r a t u r ea n d m e a s u e do n e sw e r eb e l o w1 0 。ca tm e a s u r e dp o i n tb yc h a n g i n go p e r a t i o nc o n d i t i o n s ，t h e f o u l l d a t i o nw h i c ht h er e a l t i m em o d e lw a so n - l i n ea p p l i c a t i o na n dt h et h e r m a ls t r e s sm o d e l w a se s t a b l i s h e d ( 3 ) a p p l i c a t i o nr e s e a r c ho ft h e r m a ls t r e s sm o d e la n dr e a l t i m eh e a tt r a n s f e rm o d e lf o rt h e c o n t r o ls y s t e mo fb i l l e tc o n t i n u o u sc a s t i n g t h ea p p l i c a t i o nr e s e a r c ho fs t e e lg r a d eq 2 3 5a n dh r b 4 0 0w e r ep e r f o r m e d i nas t e e lp l a n t o nt h eb a s i so fm o d e lc a l c u l a t i o na n dt h er e s u l t so fe x p e r i m e n t a t i o n ，t h ei m p r o p e rs e c o n d a r y c o o l i n gw a t e rd i s t r i b u t i o nw h i c hl e a d st oh i g hr e h e a t i n gb e t w e e n s e c t i o n si ns e c o n d a r y c o o l i n gz o n ew a st h em a j o rc a u s eo fi n t e r n a l c r a c k s m e a n w h i l e ，t h eh i g hs u p e r h e a ta n d f r e q u e n tc a s t i n gs p e e df l u c t u a t i o na g g r a v a t e d t h ee x p a n s i o no fc r a c k s t h es e c o n d a r yc o o l i n g w a t e rw a so p t i m i z e d ，a n dt h e s t r e s sd i s t r i b u t i o nw a sc a l c u l a t e db e f o r ea n da f t e rt h e o p t i m i z a t i o no fs e c o n d a r yc o o l i n gw a t e r t h ew a t e rd i s t r i b u t i o nc o e f f i c i e n t so fc a s t i n gs p e e d a n ds u p e r h e a tw e r eo b t a i n e d t h ef l u c t u a t i o no fs u r f a c et e m p e r a t u r ew a sr e d u c e dg r e a t l y d u r i n gc a s t i n gs p e e da b r u p tc h a n g i n gb e a c u s et h es u p e r h e a t a n de f f e c t i v ec a s t i n gs p e e dw e r e i m p o r t e di nt h ed y n a m i cs e c o n d a r yc o o l i n gc o n t r o ls y s t e m a f t e rt h es y s t e mw a sa p p l i e dt ot h ef i e l d ，t h ea n a l y s i so fm a c r o s t r u c t u r er a n d o ms p e c i m e n s o fs i xm o n t h ss h o w e dt h a tt h eg r a d eq 2 3 5c e n t r e l i n ec r a c k sw e r eb a s i c a l l ye l i m i n a t e da n dt h e m i d w a yc r a c k sa b o v e1 0d e g r e eh a sb e e nd r o p p e df r o m10 3 04 7 t h ee q u i a x e dg r a i n s v 一 l d _ j - ， 、 i 东北大学博士学位论丈a b s t r a c t d i a m e t e rh a sr i s e nu pf r o m2 8 - 3 2 m mt o3 5 - 4 2 m m ，a n do t h e rd e f e c tg r a d e sh a v e b e e n r e d u c e d ；t h eg r a d eh r b 4 0 0c e n t r e l i n ec r a c k sw e r eb a s i c a l l ye l i m i n a t e da n dt h em i d w a y c r a c k sa b o v e1 0d e g r e eh a sd r o p p e df r o m1 2 7 t o7 4 t h eq u a l i t yo fp r o d u c t sh a sb e e n i m p r o v e do b v i o u s l y k e yw o r d s ：c o n t i n u o u sc a s t i n g ；s o l i d i f i c a t i o n ；h e a tt r a n s f e rm o d e l ；t h e r m a ls t r e s sm o d e l ； s e c o n d a r yc o o l i n g ；s t r a n dq u a l i t y 东北大学博士学位论文 a b s t r a c t - ) ， o _ 东北大学博士学位论文目录 目录 独创性声明。i 摘要i i a b s t r a c t i v 第1 章绪论1 1 1 课题研究的意义1 1 2 连铸坯质量缺陷分析与研究的现状2 1 2 1 连铸方坯主要质量缺陷2 1 2 2 连铸过程中铸坯应力、应变分析4 1 3 连铸坯内部质量控制研究现状与发展趋势一6 1 3 1 连铸凝固传热模型6 1 3 2 连铸二冷控制研究现状8 1 4 课题的主要内容与创新点1 0 1 4 1 课题主要内容一10 1 4 2 主要创新点1 1 第2 章连铸二冷实时凝固传热模型的研究1 3 2 1 连铸凝固传热和生产工艺参数变化特性1 3 2 1 1 连铸坯凝固传热特性13 2 1 2 生产工艺参数变化特性19 2 2 连铸坯凝固传热模型及边界条件2 0 2 2 1 凝固传热方程的建立2 0 2 2 2 传热方程的初始条件和边界条件2 2 2 3 热物性参数的选择与处理2 3 2 4 二冷区换热系数的确定2 6 2 5 模型的离散化及求解2 7 2 6 模型的实时性研究3 3 2 7 本章小结3 4 第3 章连铸坯传热模型校正和动态特性研究3 5 3 1 连铸坯凝固传热模型校正方法3 5 3 基于铸坯射钉测厚校正模型3 6 3 1 2 基于铸坯表面测温校正模型3 7 3 2 连铸坯传热模型校正方法的实验研究3 8 3 3 凝固传热模型的可靠性研究4 5 3 3 1 网格划分影响4 5 v i i i 东北大学博士学位论文 目录 3 3 2 时间步长影响一4 6 3 4 连铸坯传热模型动态特性分析及研究4 7 3 4 1 拉速突变时铸坯表面温度特性一4 7 3 4 2 水量突变时铸坯表面温度特性4 8 3 5 本章小结4 9 第4 章基于铸坯凝固传热模型的热应力场模型研究51 4 1 铸坯内部质量分析研究5 1 4 1 1 连铸坯内部裂纹5 1 4 1 2 铸坯中心偏析、疏松和缩孔5 2 4 2 连铸二冷对铸坯质量的影响5 4 4 2 1 浇注温度对铸坯凝固过程的影响5 5 4 2 2 拉速对铸坯凝固过程的影响5 6 4 3 铸坯热弹塑性应力场模型建立5 7 4 3 1 位移函数5 8 4 3 2 单元力学特性分析6 0 4 3 3 热弹塑性本构方程6 0 4 3 4 单元刚度矩阵6 2 4 3 5 结构整体分析6 3 4 3 6 等效节点力与载荷矩阵6 3 4 3 7 单元应变和应力计算6 4 4 4 铸坯高温力学性能及边界条件6 4 4 4 1 铸坯高温力学性能一6 4 4 4 2 铸坯边界条件6 5 4 5 铸坯表面回温对铸坯热应力的影响6 6 4 6 铸坯凝固速度对铸坯应力集中的影响6 8 4 7 本章小结7 2 第5 章连铸热应力场模型与实时传热模型在二冷控制系统中的应用研究7 3 5 1 连铸二冷动态配水控制系统的组成7 3 5 1 1 控制系统硬件组成7 3 5 1 2 控制系统软件组成7 4 5 2 铸机设备参数与铸坯质量问题分析8 2 5 2 1 连铸机设备参数8 2 5 2 2 铸坯质量问题8 2 5 - 3 模型计算分析现场配水存在的问题8 5 5 4 稳态二次冷却制度的确定8 8 5 5 水量优化前后铸坯热应力场的对比分析8 9 i x 中 ， i 东北大学博士学位论文目录 5 5 1q 2 3 5 铸坯应力对比分析8 9 5 5 2h r b 4 0 0 铸坯应力对比分析9 1 5 6 基于在线传热模型的动态调整二冷配水9 3 5 6 1 二冷目标温度确定9 3 5 6 2 基于传热模型的在线调整9 3 5 7 现场应用结果9 5 5 8 本章小结9 7 第6 章主要研究结论和展望9 9 6 1 结 仑9 9 6 2 展望10 0 参考文献10 1 致 射1 1l 作者简介1 1 3 攻读博士学位期间的工作11 5 一 东北大学博士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的意义 连续铸钢是把液态钢水用连铸机浇注、冷凝、切割而直接得到铸坯的工艺。它是连 接炼钢和轧钢的中间环节，是炼钢生产厂的重要组成部分。连铸生产的正常与否，不但 影响到炼钢生产任务的完成，而且也影响到轧材的质量和成材率。由于连铸的凝固过程 决定了铸坯的组织结构与质量，因此对连铸工艺参数的优化和控制，是减轻和消除连铸 坯质量缺陷，从而提高质量和产量的关键技术。 在正常浇注过程中，二次冷却控制是决定铸坯内部组织和内部缺陷的关键。铸坯在 二冷区的冷却直接影响到铸机产量和铸坯质量。同时，二冷强度又与铸坯缺陷密切相关。 因此，了解铸坯在二冷区的传热规律，对制定合理的冷却制度，提高铸机产量和铸坯质 量都是十分重要的。由于二冷区受水雾、水汽以及铸坯表面随机生成的氧化铁皮的影响， 现有的测温装置很难测准铸坯表面的真实温度，特别是铸坯内部温度更是难以测量。因 此，目前了解铸坯二冷区传热规律都是通过测量一些关键参数，建立连铸坯稳态凝固传 热模型，进而了解铸坯凝固过程。然而在实际生产过程中，受设备、流程和节奏变化等 因素的影响，使得拉速和过热度等工艺参数经常发生变化。特别是方坯连铸机，其变化 更为频繁。使得基于稳定条件下建立的凝固传热模型在应用过程中往往满足不了生产高 品质钢的要求。因此，必须建立实时凝固传热模型对铸坯的凝固过程进行研究。 连铸坯凝固过程的控制是通过控制浇注工艺参数，主要是通过控制拉速和二次冷却 水来实现的。由于连铸坯内部质量如裂纹、缩孔、偏析等问题与二次冷却区的冷却密切 相关，因此在改善铸坯内部质量上，连铸二冷的研究显得特别重要。目前许多冶金企业 的连铸二次冷却要么是仍然采用经验配水模式，要么只是浇注速度的单一函数关系，面 对过热度的变化难以很好的响应，导致裂纹和缩孔等内部质量问题不断出现，而且该关 系多数仍然源于现场的生产经验，难以适应高效连铸技术的发展。再加上国内连铸在更 换钢包等过程中，浇注温度变化落差较大而且变化频繁。为保证浇注的顺利进行，生产 过程常采用的方法是增加或降低冷却强度，由于缺少合理的冷却指导，工艺操作很容易 产生冷却不均。浇注温度较高，拉速或水量未及时调节容易出结晶器产生漏钢和二冷区 产生较大的温升，回温过高会在铸坯凝固前沿产生超过该钢种所能承受的临界应力和应 变，进而在凝固前沿诱发裂纹产生。同时较高的浇注温度在强表面喷水冷却的前提下很 容易促使柱状晶生长，根据凝固桥理论发生内部疏松，缩孔等质量缺陷的几率大大提高， 东北大学博士学位论文第1 章绪论 在此内部等轴晶减少柱状晶发达的情况下，后道工序轧制过程中容易产生开裂等缺陷。 因此浇注温度的连续跟踪检测和相应的水量动态调节优化显得十分重要。目前，变拉速、 变过热度下水量动态调节，一直是许多冶金企业比较棘手的问题。因此，随着连铸生产 的多样化和产品质量要求的不断提高，目前的内部质量和水量控制模式已经不能满足生 产高品质钢要求。因此需要根据连铸过程中的凝固原理，冶金准则以及内部裂纹产生的 机理进行研究，开发基于在线传热模型的二冷动态控制系统，对提高铸坯质量具有重要 的现实意义。 在连铸实际生产过程中，裂纹是铸坯的主要缺陷，特别是以中间裂纹和中心裂纹为 代表的铸坯裂纹缺陷占总质量缺陷的5 0 以上。其一般是由于连铸工艺，主要是由于二 次冷却不当造成铸坯凝固前沿应力超过该钢种所能承受的临界应力和应变，从而在凝固 前沿诱发裂纹产生。为了提高铸坯质量，消除铸坯内部裂纹等缺陷。很有必要对裂纹源 和裂纹扩展的机理进行分析，从而为提出预防裂纹产生的措施，并为优化二冷水量改善 铸坯质量提供理论依据。但是现有的二冷水优化方法一般是根据经验进行的，且优化后 对铸坯内部应力分布情况不了解。这就要求建立铸坯热应力场模型，通过热应力场模型 可以获得铸坯在二冷区的应力分布规律，并可以分析影响连铸坯内部质量的因素，从而 提出预防裂纹产生的措施，并为优化二冷水量改善铸坯质量提供了理论基础。 1 2 连铸坯质量缺陷分析与研究的现状 1 2 1 连铸方坯主要质量缺陷 对连铸坯质量要求而言，主要有四项指标，即连铸坯几何形状、表面质量、内部组 织致密性和钢的清洁性【1 ，2 】；而这些质量要求与连铸机本身设计、采取的工艺以及凝固 特点密切相关。连铸坯在凝固过程中受到冷却、弯曲、拉引，故薄弱的坯壳要经受热的、 机械的应力作用，很容易产生各种裂纹缺陷【3 ，4 1 。从内部质量看，其凝固特点决定了易 造成中心偏析和缩孔等缺陷。连铸坯这些质量缺陷不仅会造成巨大的经济损失，而且会 使连铸过程不顺利，连铸的生产率受到影响。连铸坯缺陷主要分为三类，即表面缺陷、 内部缺陷和形状缺陷。连铸坯的表面质量主要是受结晶器内钢水凝固过程所影响。这是 因为铸坯表面是在结晶器中形成的。连铸坯的内部质量，主要取决于中心致密度。而影 响连铸坯中心致密度的缺陷是各种内部裂纹、中心偏析和疏松，以及铸坯内部的宏观非 金属夹杂物。这些内部缺陷的产生，在很大程度上是和铸坯的二次冷却以及自二冷区至 拉矫机的设备状态有关【卜4 】。连铸坯的几何形状和尺寸在正常情况下都是比较精确的， 但当连铸设备或工艺情况不正常时，铸坯形状将发生变化，如菱变、鼓肚等。下面仅就 对高效连铸铸坯影响最大的裂纹、中心缩孔、鼓肚，脱方等质量缺陷进行讨论。