（钢铁冶金专业论文）ftsr薄板坯连铸结晶器内铸坯热应力数值模拟研究.pdf

东北犬学硕士学住论文 摘要 f t s r 薄板坯连铸结晶器内铸坯热应力数值模拟研究 摘要 连铸坯在结晶器里的热和力学行为对连铸工艺操作和产品质量有重要的影 响。结晶器区域的热和力学状态的本质特征是凝固传热过程和凝固变形过程的高 度耦合。多年来，人们开发了许多数学模型来研究连铸坯在结晶器内的凝固行为， 然而由于缺乏对结晶器内部复杂情况的了解，使得在研究高温坯壳的热和力学行 为上出现了很多困难。因此，从实际物理过程出发来开发连铸结晶器内热和应力 状态耦合分析模型是非常有必要的。 薄板坯连铸的历史很短，对结晶器内热和应力的数值模拟工作还不成熟，而 且，大多数都采用二维简化模型，而关于三维热应力分布和变化规律还缺乏全面 的认识，而这对于连铸工艺参数的设计和控制，确保产品质量无疑是极其重要的。 对于在国内不占主流的达涅利f t s r 技术薄板坯连铸结晶器在这方面的研究尚未 涉足，本文利用有限元分析软件m a r c 建立了该结晶器热力耦合的数学模型，对 连铸过程中结晶器内的热和应力进行计算机模拟分析。 本模型主要的特点是：建立三维几何模型：采用现场工艺参数，最大限度的 符合连铸工艺的动态过程：把结晶器铜板作为刚体处理；利用热力耦合有限元方 法进行计算，使得结果更加精确；三维的热力耦合模拟可以更直观的表现结晶器 内的热和应力的变化情况。 本研究得到了以下的结论： ( 1 )本模型在以实际工况作为计算条件下的模拟结果是接近于真实生产 情况的，模型是可行的； ( 2 )铸坯坯壳的曲面相贯线附近的应力较大，而且在拉速一定的情况下， 应力值波动较大； ( 3 )以拉速分别为3 6 m r a i n 和4 2 m r a i n 来进行对比分析表明，在相贯线 东北大学硕士学位论文 摘要 附近，低拉速时要比高拉速时的应力小，而且波动要更甲缓。 以上的结论对探究f t s r 薄板坯连铸结晶器产生粘接现象的原因、铸坯质量的 改善和生产效率的提高等方面有着重要的指导作用。 关键词：f t s r ，薄板坯连铸，连铸结晶器，热力耦合模型，有限元法，数值模拟 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 nr e s e a r c ho ft h et h e r m a ls t r e s so f s o l i d i f y i n gs h e l li nf t s r t h i ns l a bc o n t i n u o u sc a s t i n gm o l d a b s t r a c t t h et h e r m a la n dm e c h a n i c a lb e h a v i o r so fs o l i d i l y i n gs h e l li nc o n t i n u o u sc a s t i n g m o l dh a v e i m p o r t a n t i n f l u e n c eo nt h e o p e r a t i o nc a s t i n g a n df i n a l q u a l i t y o f c o n t i n u o u s l yc a s ts t e e lb i l l e t s t h em o s ti m p o r t a n ta s p e c to ft h et h e r m o m e c h a n i c a l s t a t ei nc o n t i n u o u sc a s t i n gm o l di st h ec o u p l i n gb e t w e e nh e a tt r a n s f e ra n dt h e r m a l d e t b h n a t i o no fb i l l e t f o rs e v e r a ld e c a d e s v a r i o u sm a t h e m a t i c a lm o d e l sh a v e b e e n d e v e l o p e dt oi n v e s t i g a t et h es o l i d i f y i n gb e h a v i o r so fb i l l e ti nc o n t i n u o u sc a s t i n gm o l d h o w e v e r , d u et ot h el a c ko fc l e a ru n d e r s t a n do fs o m ec o m p l e xp h e n o m e n ai n c o n t i n u o u sc a s tm o l d ，i tt a k e st h e ms om a n yd i f f i c u l tt os t a n d i n gt h et h e r m o - m e c h a n i c a l b e h a v i o r so fs h e l la n dm e c h a n i s m so fb i l l e td e f e c t s t h e r e f o r e ，i ti s n e c e s s a r yt o d e v e l o pac o m p r e h e n s i v em a t h e m a t i c a lm o d e lo fh i g h l yc o u p l e dh e a tt r a n s f e ra n ds t r e s s a n a l y s e s ，w h i c hc a l ln a t u r a l l ym o d e lm o s to ft h ec o m p l e xp h e n o m e n ai nc o n t i n u o u s c a s t i n gm o l d t h eb r e v i t yh i s t o r yo ft h i n s l a bc o n t i n u o u sc a s t i n g ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n r e s e a r c ho ft h et h e r m a la n ds t r e s si sn o td e e p l ye n o u g h m o s to ft h e mu s e2 ds i m p l i f i e d m o d e l ，b u tt h e yd on o ta l lt h i n g su n d e r s t a n df o rt h el a wo f 3 dt h e r m a ls t r e s sd i s t r i b u t i o n a n dc h a n g i n g ，w h i c hi sm o s ti m p o r t a n to nt h eo p e r a t i o nc a s t i n ga n df i n a lq u a l i t yo f c o n t i n u o u s l yc a s ts t e e lb i l l e t s m o r e o v e r , f o rt h ef t s rt e c h n i q u ei sn o tt h em a i n s t r e a m ， a n dt h e r ei sn os t u d yo nt h ea s p e c t ，s oi n t h i sp a p e r , af i n i t e e l e m e n tm o d e lf o r a n a l y z i n gt h et h e r m a l m e c h a n i c a ls t a t ei nc o n t i n u o u sc a s t i n gm o l di se s t a b l i s h e db yt h e f i n i t e - e l e m e n ta n a l y s i ss o f tp a c k a g 卜m a r c t h i sw o r kh a sf o l l o w i n gc h a r a c t e r i s t i c s ：3 dg e o m e t r i cm o d e li se s t a b l i s h e d ；f o ru s i n g v l 东北大学硕士学位论文 r e a l p r o c e s sp a r a m e t e r s i tc a l la c c o r dm a x i m u mw i t l lc a s t i n gp r o c e s s ；c o n t i n u o u s c a s t i n gm o l di sc o n s i d e r e da sr i g i db o d y ；u s i n gt h eh e a ta n ds t r e s sc o u p l i n gm e t h o dc a n m a k et h e r e s u l tm o r ee x a c t i t u d e ；a n dt h e3 dm o d e lc a nn a t u r a l l ym o d e lm o s to ft h e c o m p l e xp h e n o m e n a i nc o n t i n u o u sc a s t i n gm o l d i tg e t sf o l l o wc o n c l u s i o n ： ( 1 ) t h ep r e d i c t e d r e s u l t so ft h em o d e ls h o wg o o da g r e e m e n tw i t ht h ed a t a m e a s u r e df r o mb i l l e tc a s t e r , w h i c hp r o v e st h er e l i a b i l i t yo f t h em o d e l ； ( 2 ) i nt h ef i e l do fs u r f a c ea n a s t o m o s i so nt h eb i l l e ts u r f a c e ，t h es t r e s si sb i g g e rt h a n o t h e rf i e l d s ，f u r t h e r m o r e ，w h e nt h ec a s ts p e e di sr e t a i n ，i nw h i c hf i e l dt h es t r e s s v a l u ef l u c t u a t eg r e a t l y ； ( 3 ) c o n t r a s ta n a l y s i sb e t w e e nt o ws o r tc a s ts p e e d3 6 m m i na n d4 2 m m i ns h o w s ，i n t h ef i e l do fs u r f a c ea n a s t o m o s i so nt h eb i l l e t s u r f a c e ，t h ec a s ts p e e di s l o w e r ，t h es t r e s si sf i g h t e r ，a n dt h es t r e s sv a l u ef l u c t u a t ei ss o f t e r h e r e i n b e f o r e ，t h ec o n c l u d eh a sm o r ei m p o r t a n td i r e c t e de f f e c ta tt h i n s l a bc a s t i n g r e s e a r c hi na s p e c t s ，s u c ha sr e a s o no fs t i c k i n g ，i m p r o v et h eb i l l e t sq u a l i t y , a n di n c r e a s e t h ep r o d u c t i v i t y k e y w o r d s ：f t s r ，t h i n s l a bc o n t i n u o u s c a s t i n g ，c o n t i n u o u sc a s t i n g m o l d t h e r m o m e c h a n i c a l l yc o u p l e dm o d e l ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n v i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导一p 元成的。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：- 7 - 聃鸟 日 期：- 卯- o g 口6 2 7 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：导师签名： 签字日期签字日期 末北大学硕士学位论文第一章文献综述 第一章文献综述 引言 薄板坯连铸技术自从1 9 8 7 年获得专利以来，在世界范围内得到了广泛应用。 该项技术改变了传统的由钢水到轧制带材的工艺流程，具有成本低、投资少、产 品收得率高等优点，被认为是板材生产发展的新方向，因此，生产的稳定性、生 产效率和产品的质量，尤其是产品质量受到了人们的高度重视。在薄板坯连铸生 产中，结晶器是液态钢水最初凝固成固态坯壳的地方，它直接影响连铸机的生产 效率，因为拉速过高会使出结晶器时候的固态坯壳不具备必要厚度，不足以抵抗 钢水的静压力而导致拉漏事故。非但如此，结晶器与铸坯质量直接相关，因为结 晶器内高温薄坯壳内存在很大的温度梯度，其应力分布极不均匀，容易使铸坯产 生各种裂纹缺陷。因此，要提高连铸机生产效率，降低生产事故率，减少和预防 连铸坯缺陷，应当尽量降低坯壳中的局部应力，而坯壳中的应力大小及分布受到 坯壳与结晶器问的传热、水口形状、拉坯速度、振动参数、冷却条件等众多复杂 因素的影响。 多年来，人们为探索结晶器内部热和力的状态而作了大量的工作，然而结晶 器内部的复杂状况，决定了很难在结晶器内部进行实验研究来了解铸坯的凝固行 为，特别是固态坯壳的应力状态及其与铸坯裂纹之间的关系。正因为如此，数学 模型就成为人们认识和了解结晶器内热和力学状态的重要工具。这方面的数学模 型已经建立了很多，它们对人们认识结晶器和指导连铸生产操作起了重要作用。 由于薄板坯连铸的历史很短，对结晶器内应力分布的工作还不成熟，而且，大多 数工作都采用二维简化模型，而对三维应力分布、变形等情况还缺乏全面的认识， 而这对于连铸工艺参数的设计和控制，确保产品质量无疑是极其重要的。目前国 内流行的c s p 和i s p 型薄板坯结晶器已经在这方面有了一定的研究，但对于在国 内不占主流的意大利达涅利技术的f t s r 型薄板坯结晶器在这方面的研究尚未涉 l 东北大学硕士学位论文第一章文献综述 足，本文将对f t s r 型薄板坯结晶器进行这方面的分析。 i 1 中国钢铁企业连铸技术和板带产品发展概况 中国钢铁工业近些年来发展迅速，自1 9 9 6 年以来，钢产量持续攀高，成为世 界上产钢最多的国家( 图1 1 ) 。在经济全球化的大环境中，我国政府采取了正确的 宏观经济政策，扩大内需，加强基础建设，保持经济以较快的速度增长，人民生 活水平不断提高，国内市场需求快速增长，这些因素都是我国钢铁生产发展的推 动力量。图1 2 是1 9 7 8 年以来中国钢材表观消费量的发展情况【1 1 。 中国钢铁工业近年来进行了结构调整，企业生产技术的进步有了明显的进展。 2 0 0 1 年1 2 月中国钢铁行业淘汰了最后一座平炉，当时平炉钢仅占钢产量的o 5 ， 转炉钢占钢产量的8 6 以上，电炉钢约占1 3 。中国钢铁工业在节能降耗、降低 成本、提高质量、改善环境等方面取得了显著的成绩，进一步提高了市场竞争力。 中国钢铁工业近年来进行了结构调整，企业的技术进步有明显的进展。 图1 1 中国历年钢产量的变化图1 2 中国钢材表观消费量的发展 f i g 1 1s t e e lo u t p u t i n c h i n af i g 1 2s t e e lo u t p u ta n da p p a r e m c o n s u m p t i o n i n c h i n a 我国的连铸工艺在近十多年来发展很快“1 1 ，连铸比由1 9 9 0 年的2 2 7 提高至 2 0 0 1 年的8 8 3 ( 图1 3 ) ，超过了世界的平均水平。武钢、鞍钢、首钢等一批大型 钢铁企业实现了全连铸生产。一些企业板坯铸机漏钢率平均 8 0 ，最高 9 0 。2 0 0 2 5 0 m m 厚 宽板铸机拉速可达1 4 1 6 m r a i n ，最高达到1 s i n r a i n 。这些可以说是中国钢铁 工业技术进步重要的标志之一。 2 。 东北大学硕士学位论文 第一章文献综述 图1 3 历年连铸比变化情况 f i g 13 c cr a t i o i n c h i n a 图1 4 中国钢铁产品中的板带比 f i g 1 4s h a r e so f f l a tp r o d u c t s1 9 9 5 2 0 0 0 目前，我国钢铁产品的生产中，板带的产量较低，2 0 0 1 年热轧薄板的产量为 1 9 2 0 t ，板带比为3 4 5 ( 图1 4 ) ，主要由大型钢铁企业中的8 套热轧宽带连轧机组 生产的，其中也包含了已投产的薄板坯连铸连轧机组生产的钢板，国产热轧薄板 在国内的市场占有率为7 5 一8 0 ，现正在对现有轧机进行改造并建设5 套新的宽 带钢连轧机组2 0 0 1 年冷轧薄板的产量为8 5 0 万t 左右，由目前的1 8 套冷轧宽带钢 轧机生产，其中连轧机组8 套，单机可逆机组1 0 套，冷轧薄板在国内市场占有率 仅为5 5 左右，目前正在改造老的机组和大力建设新的冷轧机组，以提高冷轧薄 板的产最图1 5 中列出了历年钢材进口的情况，一般每年都要进口1 0 0 0 多万t 的 钢材，在进口的钢材中9 0 以上为板带材( 图1 6 ) ，包括冷轧板游镀层板不锈钢板 硅俐片等附加值较高的产品，图1 6 中的l 一5 这5 个区域分别代表板材型村条棒 材衙条和钢筋所占的比例2 0 0 1 年的数据表明，板带的表观消费量为2 9 6 7 万t ，国 内产量为1 7 9 8 万t ，扣去出口的1 2 4 万t ，国内市场的占有率为5 6 1 2 0 0 0 - - - 2 0 0 5 年，中国钢铁工业产品和工艺结构调整的重点是增加板带生产设备的投资，提高 板带等高附加值产品的生产量。 东北是学硕士学住论文第一章文献综述 图1 5 历年钢材进口情况( 1 9 9 1 - - 2 0 0 1 年) 图1 62 0 0 0 年进口钢材分类百分比 f i g i5i m p o r t e ds t e e l1 9 9 1 - 2 0 0 1 f i g 1 6i m p o r t e ds t e e lp r o d u c td i s t r i b u t i o ni n2 0 0 0 表1 1 国内薄板坯违铸生产线概况 t a b l e1 1p r o d u c t i o no f d o m e s t i cc s p 序号盘业蝽悄炉 i 蜷寸，鬻轧机黼蜘黼期 1 c 灌s p 立i 毒互t 矗；器= ：) 1 2 3 c i + 卵s 翌嚣 1 f2 。量小 辊雇1 9 式1 均8 热m 簪1 9 9 9 - 1 2 衡掰”“”。6 ”2 ”高蕊”“罨曩鬈“ - 广薯鏊器寄帙埔o t 电炉 2 鬟黼磷帮 3 量盍翳“2 ”漕炉 黜篱2 “5 ”黼黼襄m 9 0 。7 0 ) , s e 5 。，。壅籍”一l 等措 ”“ 5 勰燃j 警囊静铝韶驾；黔c ；黼”鬻嚣”2 6 茎吞熊j 蘸辨博譬嚣 c 一7 0 5 - 5 x 一 ”。c 7 s p 酶$ 恤“”7 。耗甓瞥护2 m 4 0 4 ：! ! 登! 鎏鳖塑! 竺兰! 兰塑：塑鲨：= ：! ：! 1 2 薄板坯连铸连轧技术 薄板坯连铸连轧技术是2 0 世纪8 0 年代开发成功的生产热轧板卷的一种全新 的短流程工艺，是继氧气转炉炼钢连续铸钢之后钢铁工业最重大的革命性技术之 一，世界各国都给予了极大关注，在冶金界产生了巨大反响自1 9 8 9 年世界上第一 台上业化的薄板坯连铸连轧生产线投产以来，过去的十几年中已有3 6 条生产线相 继运作，2 0 0 0 年就形成了年产4 8 2 5 力t 的生产能力薄扳坯连铸连轧工艺技术装置 同趋完善，市场竞争更具实力，原因在于它的工艺优势：投资低能耗氐生产成本 低维护费用低成材率高两流薄板坯连铸机与一套热连轧机相配可产1 6 0 2 5 0 万t a 热轧带卷，可以分别与电炉或高炉转炉流程相联接薄板坯连铸连轧技术越来 4 _k封#幂 东北大学硕士学位论文 第一章文献综述 坯连铸连轧技术越来越显示出它的生命力。表1 1 为国内薄板坯连铸连轧生产线一 览。 1 2 1 薄板坯连铸连轧技术的优点 薄板坯连铸连轧技术之所以发展如此迅速，是因为薄板坯连铸与传统的板坯 连铸相比具有如下优点： ( 1 ) 工艺流程简化，设备减少，生产线短。薄板坯厚度较薄，可以省去传统 热轧带材粗轧环节，节省设备3 0 ，从而降低了单位基建造价，吨钢投资下降 1 9 - 一3 4 。 ( 2 ) 生产周期短。连铸连轧省去了大量的中间倒运及停滞时间，从钢水冶炼 到热轧卷板输出，仅1 5 小时，而传统热轧带钢生产需要5 小时，从而节约了流动 资金，减低了生产成本，企业可以在短期内取得较好豹经济效益。 ( 3 ) 节约能源，提高成材率。由于实现了连铸连轧，薄板坯连铸连轧可直接 节约标准煤6 6 k g t ，问接节约标准煤1 4 5 k g t ，能耗降低约2 0 ，成材率可提高1 1 1 3 。 ( 4 ) 产品的尺寸精度高，性能稳定。 ( 5 ) 适合生产薄及超薄规格的热轧板卷，产品的附加值高，从而实现高的经 济效益。 1 2 2 薄板坯连铸连轧的工艺特点 板坯厚度薄 ( 1 ) 在设备方面，要求浸入式水口尺寸能可靠控制注入较窄的结晶器的钢水。 ( 2 ) 在工艺方面，由于比表面能大，加热过程中的表面烧损也将数倍于普通 扳坯。所以，薄板坯只适合采用直接轧制或连铸连轧，还要求铸坯无缺陷。 ( 3 ) 在操作方面，薄板坯表面积数倍于普通板坯，而且铸坯温度高，坯壳在 二冷区、拉矫区表面氧化严重。 东北走擘硕士学位论文 第一章文献综述 拉坯速度快 薄板坯连铸坯由于厚度小，要想与传统板坯连铸机产量相当，必须加快拉坯 速度来提高单位时间内的产量。 凝固时间短 按凝固过程的经典方程。3 ，凝固壳厚度s 的增长和凝固时间，的平方根成正比， 郫卅m 粥该式微分后可得铸坯凝固速度：争= ( 扣由此可知，板 坯凝固过程是处在快速凝固区，凝固速度快，导致内部组织晶粒细化，等轴晶区 扩大，中心偏析少，提高板坯致密度，对下一步轧制有利，可减少压缩比。 出坯温度高 传统板坯连铸机对出坯温度几乎没什么要求。薄板坯连铸其出坯温度必须满 足轧制要求，还要尽可能提高坯温均匀性。提高出坯温度最有效措施是将铸坯全 凝固点控制在离铸机出口尽可能近的位置上，以便在铸坯内部保存更多的热量。 冶金长度短 薄板坯因为薄且凝固时间短，所以其连铸机冶金长度很短。薄板坯连铸机的 冶金长度大约在5 6 m 左右。冶金长度的缩短会带来如下优点：连铸机机长大大缩 短，设备少，重量轻，投资小。 1 2 3 典型的薄板坯连铸连轧技术 1 ) c s p 技术( c o m p a c ts t r i pp r o d u c t i o n ) c s p 技术是由德国s m s 公司在t h y s s e n 的铸钢车间于1 9 8 6 年试验成功的。 1 9 8 9 年在美国印第安那州的克劳福兹维尔建成了世界上第一个c s p 车间，即 n u c o r l ，它也是第一条连铸连轧生产线。1 9 9 2 年，第二座工厂在阿肯色州的希克 曼交付使用，即n u c o r 。在短时间内、产量迅速上升，钢带厚度公差、板凸度的稳 定性达到了通常在热轧带钢生产中所能达到的最佳值，而且运行可靠，生产率高， 成本大大降低。由于n u c o r 的成功，使c s p 生产线数量迅速增加。目前，c s p 生 东北太学硕士学位论文 第一章丈献综述 产线数量居各种薄板坯连铸连轧技术之首，可以说c s p 是目前最成熟的工艺( 图 1 7 ) 。 图1 7 c s p 生产线 f i g 1 , 7c o m p a c ts t r i pp r o d u c t i o n c s p 工艺采用的关键技术“” ( 1 ) 漏斗型结晶器。它有较厚的上口尺寸( 7 0 1 3 0 m m ) ，便于浸入式长水口的插 入，长水口和器壁间的间距大于2 5 m m ，有利于保护渣的熔化。 ( 2 ) 扇形段的改进和液芯压下技术的应用。改变喷嘴平均布置为按坯宽放置， 解决了困坯宽不同造成的较窄断面铸坯边部冷却强度过大的问题，保证了铸坯冷 却均6 j ，改善了铸坯质量：扇形段加长，有利于拉速的进一步提高：其长度由最 初的57 m 增至7 8 m ，并力求拉速达到8 m m i n ；液芯压下技术是在铸坯出结晶器 rl j 后，对其坯壳进行挤压，液芯仍留于其中，经扇形段，液芯不断收缩直至薄 板坯全部凝固。采用该技术后，结晶器下口厚度由5 0 r a m 增至7 0 m m 上口随之增 大，有利于长水口的插入。结晶器变大后可容纳更多钢水，在通过量不变的情况 下，钢水流速减慢、变稳，有利于夹杂物上浮和拉速提高。 ( 3 ) 液压振动装置的应用。用于改善铸坯与结晶器壁的接触，可使负滑脱时间 缩短，即减少熔融保护渣进入铸坯和结晶器壁间隙的机会，有利于表面质量的提 高。 东北大学硕士擘位论文 第一章文献综述 ( 4 ) 电磁制动技术的应用。具有控制液面平稳度和提高铸坯表面质量的作用。 ( 5 ) 在连轧区域采用新的高压水除鳞装置、精轧机在前加立辊轧机和板坯平整 度控制技术等。 2 ) i s p 技术( 1 n l i n es t r i pp r o d u c t i o n ) i s p 技术是德国d e m a g 公司于1 9 8 7 年试验成功的，1 9 9 2 年1 月在意大利的 克咀莫那的阿尔维迪厂建成第一条i s p 生产线。它是目前最短的薄板坯连铸连轧 生产线，长仅1 7 9 m 。 i s p 技术是钢水由平行板结晶器铸成7 0 m m 左右的板坯，在液芯状态下利用扇 彤段导辊压缩至6 0 m m ，然后由大压下轧机( 2 3 架) 将芯部已完全凝固的板坯压至 2 0 3 0 m m 。剪断后由感应加热炉或辊底式炉加热至轧制温度、由箱式中间卷曲炉 卷成板坯卷，然后开卷经除鳞进入精轧机列轧制，冷却后卷曲成带卷。 i s p 技术的主要特点是连铸部分采用了液芯压下和大压下轧机。这有几点好 处：住高温下变形抗力小，用小的力即可实现大的变形，节约了动力消耗；偏析 度降低，改善钢材内部组织结构；进精轧机厚度薄，减少了精轧加工量i 板材中 删卷曲成为可能，大幅度地缩短了生产线长度。 图1 8 c o n r o l l 技术 f i g 1 8c o n r o l l 3 ) c o n r o l l 技术 c o n r o l l 技术是奥地利的v i a 开发的，如图1 8 所示。它立足于对常规板 8 第一章文献综述 坯连铸机进行改造。它用平行结晶器将钢液铸成7 5 1 2 5 m m 板坯，厚度较厚，该 技术最接近于传统的热轧带钢生产。瑞典的阿维斯塔公司和奥地利林茨厂都应用 c o n r o o l 技术对原有的普通板坯连铸机分别进行了改造。美国俄亥俄a r m c o ， m a n s f i e l d 厂在1 9 9 5 年4 月建成了c o n r o l l 生产线。 4 ) f t s r 技术( f l e x i b l et h i ns l a br o l l m g ) 1 4 - 1 5 1 f t s r 技术是意大利d a n i e l i 公司开发的、钢水由漏斗形结晶器铸成中间带 “鼓肚”的5 0 8 0 r a m 厚的板坯后经带孔型的垂直段导辊将其压平，并压薄( 软压下) 至4 0 6 0 m m ，剪断入加热炉加热后经六或七架精轧机列轧制成带钢，冷却后卷曲成 杏，图1 9 为f t s r 生产线示意图。 图1 9f t s r 生产线 f i g 1 。9f t s rp r o d u c tl i n e f t s r 的主要特点仍然是连铸机结晶器采用了更加优越的h 2 长漏斗型结晶器 ( h 2 - - h i g hs p e e dh i g hq u a l i t y ) ，上口比c s p 结晶器更宽大，并且铸坯在出结晶 器时仍保持曲线形状( 鼓肚) ，如图1 1 0 所示。这种结晶器可减少甚至可以避免铸坯 仵结晶器内凝困时产牛坯壳膨力，称为“无商力结晶器”，可浇铸难浇铸的包品钢， 扩宽了可浇铸钢种范围。 ，) 外，采用动态液芯压下技术，结晶器厚度增加到9 0 m m ，铸坯在扇形段中经 液芯j l if 到7 0 m m ，同时动态追踪凝固终点，实现动态压下提高铸坯内部质量。国 内的唐钢f t s c 薄板坯连铸机经过一年多的生产实践，在原有技术的基础上，对动 9 东北大学硕士学位论文 第一章文献综述 人，以利于浸入式水口的插入及保护渣的熔化。 ( 1 ) 漏斗型结晶器 潲q 型结晶器的上腔呈漏王卜状，下腔呈扁平矩形状，注入的钢水最终凝固成 矩形断面铸坯。 德马克公司制造的结晶器最初采用立弯式( 上部垂直，下部为弧形) ，后发展 为小漏斗型( 橄榄型) ，保持到下口仍有小鼓肚，近年来其鼓肚形状越来越大。 【7 q 码克公r 司所用的漏斗型结晶器( 图1 1 1 ) ，卜口宽边两侧为平行段与圆弧相 连上口断面较大。漏斗形状在结晶器内保持到7 0 0 m m ，出口处铸坯厚度为 5 0 7 0 m m 。在结晶器的两宽面板间形成一个垂直方向带锥度的空间，漏斗区外的 两侧壁平行，其距离相当于板坯厚度。该形状可满足浸入式水口伸入，保护渣熔 化和薄板坯厚度的要求。 达涅利公司丌发的全鼓肚型( 凸透镜型) 结晶器( 图1 1 2 )，其鼓肚形状贯穿 整个铜板，一直延续到扇形段中部。结晶器出口为一组带孔型的辊子，可将铸坯 鼓肚形状碾平。这种结晶器的内部容积比较大，有比较好的钢水自然减速的效应。 理论上坯壳在结晶器内变形小，所受的应力大大降低，不易产生裂纹和疤痕，同 时结晶器弯月面处钢液面积大，有利于保护渣的熔化，可以使坯壳传热的热流密 度相对减小，有利于浇注有裂纹敏感性的钢种。 矧l1 1 两码克结晶器 f i g i 1 1s m sm o l d ( 2 ) 平行板式结晶器 图1 1 2 达潭利结晶器 f i g 1 1 2d a n i e l e l m o l d b 萋1 越鋈毒瘩 东北犬学硕士学位论丈 第一章文献综述 平行板式结晶器有两种类型：立弯式和垂直式矩形横截面的结晶器。前者上 部为竖直段不，下部为圆弧段，其圆弧半径与铸机的弧形半径相等。各公司中， 奥钢联所采用的就是平板型直结晶器，浸人式水口为扁平状，钢水从两侧壁孔流 出。实际上这应属于中厚板坯，经研究得出，中板坯能耗低、成本低、质量高。 2 ) 结晶器比较 j 平行板式结晶器相比，漏斗型结晶器的主要优点有以下几个方面： ( 1 ) 由于漏斗型结晶器上部空问大，可以采用与常规板坯连铸机相近的较大尺 寸的水口，水口的使用寿命长，可以实现连浇9 0 0 m i n ；而平行板式结晶器只能使 用寿命较短的薄壁水口，连浇时间较短： ( 2 ) 漏斗型结晶器内水口出口处钢水流动速度小于平行板式结晶器内的流速， 冈而，漏斗型结晶器内的湍流也较小： ( 3 ) 漏斗型结晶器用于溶化保护渣的钢液表面较大，可为润滑提供足量保护 渣：而平行板式结晶器由于没有足够空间，水口周围保护渣相应较少； 【4 ) 在漏斗型结晶器内水u 与坯壳之涮距离大于平行板式结晶器内距离，因 而搭桥可能性小； ( 5 ) 漏斗型结晶器上部钢液容积大，钢液液面稳定； ( 6 ) 在漏斗型结晶器宽面范围内，热流与坯壳的收缩量较为均匀，而在平行板 式结晶器宽面范围内不均匀。 采用漏斗型结晶器也带来了不利的一面。 ( 1 ) 厚度不均匀造成了凝固不均匀，这限制了像包晶钢这样难浇品种的生产： ( 29 增加了结晶器内坯壳的变形，刚剐凝固的坯壳塑性很低，这时变形极易 产生裂纹； ( 3 ) 根据美国n u c o r 厂薄板坯连铸生产实践证明，漏斗型结晶器的寿命很不 理想，大都由于出现热疲劳裂纹而失效。 东北大学硕士学位论文第一章丈献综述 1 4 铸坯应力场模拟研究概述 对于连铸生产中影响铸坯质量的一些问题，如裂纹、鼓肚以及漏钢等棘手的 问题开展凝固应力变形分析，这是一条解狭问题的重要途径，国内外对此都十分 重视。虽然连铸凝固力学问题本身十分复杂，它与众多复杂过程以及难以确定的 物理因素密切相关，如铸坯传热过程、液芯状态、钢的凝固冶金行为和高温力学 性能、连铸生产操作工艺以及铸机设备运行状态等。但是。实践证明，通过适当 的简化和假设，利用连续介质力学的理论及分析技术，同样能取得一些对实际工 程有指导意义的结果。 铸坯应力场计算的理论基础是连续介质热应力理论。二十世纪六十年代，热 应力的创始人w i n e r 和b o l e y 把小方坯中面处凝固问题作了一系列的简化处理进行 研究，给出了几个经典的结论“：( 1 ) 固态坯壳表面处于受压状态，内部处于拉 伸状态；( 2 ) 对于莱一点，只要一经凝固就产生了拉应力，随着温度的降低，逐 渐变成了压应力：( 3 ) 对于某：点，从凝固变成固态开始，经历的力学状态是： 塑性( 压) 弹性( 拉、压) 塑性( 压) 。当然，这些结论是从简化模型里 得出的，并不完全准确，但是反映了实际过程的大致规律。 有限元数值模拟技术与连铸实际工相结合进行铸坯应力场模拟研究始于上世 纪七十年代末、八十年代初，以g r i l l 、b r i m a c o m b e 和e m i 等冶金学者，以及l e w i s 、 m o r g a n 等力学专家为代表。此后，t o m a s 、k o b a y a s h i 、o h n a k a 以及b a r b e r 等许多 学者在这方面作了大量的模拟研究工作。 随着有限元算法及求解技术的同臻完善，一些大型有限元通用分析软件的开 发成功加之计算机运算能力的大幅度提高，数值模拟的实现已经不是困难的事情， 关键是精度问题。目前，影响铸坯应力场模拟精度的主要制约因素是缺少与连铸 工况相近的材料高温力学性能参数数据库。现有的结构力学材料参数数据库，温 度范围小，所以据的实验条件与连铸凝固条件相差很大。 东北大学硕士学位论文第一章文献综述 1 5 结晶器内热力状态数值模拟研究概述 结晶器内热交换非常强烈，其内部热一应力状态非常复杂，铸坯与结晶器铜 壁之间不仅存在热的交换，而且也存在机械相互作用。就以气隙为例，连铸技术 刚开始应用时，结晶器导热系数被看作无穷大，因此计算时把铸坯表面的温度保 持恒定，但按此边界条件计算出来的坯壳厚度比实测值大，这说明结晶器散热能 力是有限的，其原因在于铸坯与铜壁之间不可能完全接触，它们之间存在的气隙， 造成很大的热组，这样就提出了结晶器热流的气隙理论。目前，人们普遍认为， 结晶器内连铸坯凝固过程不仅是一个热交换的过程，同时还伴有凝固坯壳和结晶 器铜板的机械变形，二者变形的综合结果就形成了气隙。当气隙形成以后，一方 面，其大小和分布改变了铸坯表面的传热条件，影响铸坯和结晶器铜板的温度场； 另一方面，铸坯和结晶器温度场的改变又影响了它们间的机械变形，进而影响了 气隙的大小和分布，换一句话说，气隙问题是温度场和应力场的耦台问题。不光 是气隙问题，接触界面各种问题都是这个耦合问题，因此，我们只有通过耦合研 究才能更深入的认识结晶器内铸坯的凝固行为和力学行为。 国际上，g r i l l 和b r i m a c o m b e 等。1 将铸坯有限差分凝固传热模型和弹塑性应力 有限元模型耦合起来，研究了拉速、铸坯断面尺寸、结晶器锥度、保护渣导热系 数和结晶器磨损对板坯结晶器内气隙形成的影响；k r i s t i a n s s o n 和z e t t e f l u n d 建立了 温度和应力有限元耦合模型，着重分析了结晶器磨损等对方坯角部裂纹形成的影 响。 国内的严波、文光华等“7 用已经获得的薄板坯连铸结晶器内凝固坯壳的几何 形状和温度场，建立凝固三维热弹塑性接触有限元，得到了两种拉速下的i s p 和 c s p 型结晶器内凝固壳的应力和变形分布；王恩刚等“8 1 通过建立结晶器内连铸坯热 弹塑性应力有限元分析模型，并根据材料力学性能、屈服函数随温度和应变速率 的变化，模拟计算出了小方坯连铸结晶器内铸坯应力分布，分析了连铸坯铸坯热 节区对裂纹缺陷乃至漏钢事故的影响：荆德君等“”针对碳钢在连铸结晶器内的凝 1 4 。 东北大学硕士学位论文 第一章文献综述 圃过程，考虑铸坯和铜板问接触状念，建立了完全热力耦合的二维热一弹塑性有 限元模型利用m a r c 商用软件包在微机上求解，模拟出了连铸结晶器区域热和力 学状态，特别是铸坯和缔晶器壁界面状态，包括铸坯表面温度、界面热流和气隙 分布规律等：刘立文等旧”对薄板坯漏斗型结晶器内腔曲面形状特性进行研究，利 用m a r c 商用软件模拟了铸坯经过结晶器的过程，确定不同结晶器内腔形状对坯壳 变形分布的影响，用来对比结晶器曲面形状优劣，对改善结晶器曲面的设计起到 了指导性作用。 对以上专家学者的研究工作归纳一下，有这么几个特点： 第一。早期的研究中，温度场和应力场两种分析之间的衔接不好，耦合的算 法有待提高，当然。这是l 于早期的技术先进程度不够所造成的，在近期的研究 中，两种场的衔接已经不成问题； 第二，绝大多数研究的对象仅限于铸坯本身，很少和铜板结合起来，在应力 分析中，考虑铜板，就是把铜板当成刚体进行处理，这不失是一种好的简化办法； 第三，由于模型建立方法和计算机处理能力的限制，大多数的热力耦合模型 都是二维切片的，三维模型还很不成熟； 第四，薄板坯连铸工艺是近些年才发展起来的，对不同型号的漏斗型结晶器 内的数值模拟研究还不够全面，只限于c s p 和i s p 等。 1 6 有限元分析软件m a r c 简介 在前面的介绍中，不少争家都在使用非线性有限元商业软件m a r c ( 图1 1 3 ) ， 本文也将利用这套软件来模拟连铸结晶器内铸坯的热和应力状态。 东北走学硕士学位论文 第一章文献综述 图1 1 3 m a r c 软件包 f i g 1 1 3 m a r cs o f t w a r ep a c k a g e m a r c 软件是由美国m a r ca n a l y s i sr e s e a r c hc o r p o r a t i o n ( 简称m a r c 公司) 开发，其创始人是美国布朗大学应用力学系教授、非线性有限元先驱p e d r om a r c a l 。 1 9 9 9 年6 月m a r c 公司被世界上最大的有限元商业软件公司美国m s c 公司 收购，软件也更名为m s c m a r c ”“。作为一种基于位移法的有限元程序，下面将 对m a r c 软件的各方面功能简单加以介绍。 ( i ) 分析问题类型 m a r c 能够分析的问题类型包括：线弹性结构分析、结构优化设计分析、字 结构分析( 为提高几何上有对称性和重复性的大型结构缄默和分析效率而采用的 超单元技术) 、非线性分析( 包括材料非线性、几何非线性和边界条件非线性) 、 断裂分析( 线弹性断裂、弹塑性断裂、广义j 积分和动态裂纹扩展) 、动力分析( 模 态分析、瞬态动力分、简谐分析、频谱分析) 、屈曲和失稳分析、钢塑性流动分析、 传热( 稳态和瞬态分析、m o n t ec a r l o 法热辐射分析、质量迁移引起的对流传热) 、 液压轴成分析、流涕流动分析、多物理场耦合分析( 流。固、热电、热机、静电 磁场) 、非结构分析( 岩土分析、声学分析) 、自动接触分析以及加工工艺分析等。 ( 2 ) 材料库 m a r c 提供了丰富的材料库，可模拟具有线弹性、非线弹性、非线性、具有 应变率敏感和温度敏感特性的材料行为，可考虑材料的损伤和开裂。材料可以是 各向同性、各向异性或复合材料。具体的材料库包括：线弹性材料、非线性超弹 1 6 东北失擘硕士学位论文第一章文献综述 性材料、弹性体( 橡胶类材料、粘弹性材料) 、聚合物材料( 生物材料