连铸坯表面裂纹的形成与预防

连铸坯表面裂纹的形成与预防

在连铸过程中，由于热应力和机械力，连铸件表面可能出现裂缝。这些裂纹如果不能在热轧过程中得到愈合,可能遗传给其后的最终轧制产品,严重影响轧制产品的质量。研究轧制过程中连铸坯表面裂纹的演变行为,对认识轧制产品中裂纹具有重要的意义。轧制过程中,轧件上裂纹等缺陷在轧制变形区内的演变过程难以通过物理实验进行观测。相对而言,有限元方法广泛用来分析轧制过程中轧件上缺陷的演变行为。文献采用热加工图和二维有限元方法对棒材轧制过程中轧制温度等影响因素对轧件表面裂纹变形行为进行了模拟。文献应用有限元方法分析了板带热轧过程中轧件表面横向和纵向裂纹的变形行为,采用裂纹形状变化分析裂纹的扩展与闭合行为。文献开发了二维刚塑性有限元分析软件,分析了不同条件下轧制过程中轧件表面裂纹等的形状变化规律。文献采用有限元方法对多道次立-平轧制过程中轧件角部裂纹的演变行为进行了分析,提出结合裂纹形状变化和裂纹表面接触压力变化规律分析裂纹的演变规律。上述研究表明采用有限元方法能够很好地模拟轧制过程中轧件上裂纹的扩展与闭合规律,分析各种影响因素对裂纹愈合与扩展的影响。但是,上述工作均没有考虑轧制过程中轧件温度变化对裂纹演变行为、轧件表面温度分布对裂纹的愈合和扩展的影响。热力耦合有限元方法已经广泛地用来求解轧制问题,然而对于带有表面裂纹的热轧过程研究报道较少。本文以LS-DYNA为平台,采用热力耦合有限元方法对轧制过程中轧件表面裂纹演变行为进行了研究,分析了轧制变形区不同阶段裂纹的形状、裂纹附近区域应力场和温度场分布情况。研究结果有助于人们认识轧制过程中轧件表面裂纹的演变机理。1u3000轧件材料模型图1为带有预置表面裂纹的轧件轧制过程示意图。有限元模型中,轧辊直径(DW)为1150mm,轧制前轧件厚度(2H0)为250mm,轧件出口厚度(2H1)为230mm。在轧件表面预置V形裂纹,其中裂纹深度HC为10mm,裂纹宽度为1.65mm。轧制前,轧件温度为1200℃,轧辊与轧件之间的摩擦系数为0.35。轧制过程中,轧辊采用刚性材料模型,轧件采用各向同性材料模型。轧辊和轧件的导热系数为46W/(m·K),比热容为460J/(kg·K),密度为7830kg/m3。轧辊的弹性模量为210GPa,泊松比为0.3;轧件弹性模量为117GPa,泊松比为0.36,轧制过程中变形抗力由式(1)求得。σ=AεBε˙(CT+D)eFT(1)σ=AεBε˙(CΤ+D)eFΤ(1)由于板带轧制过程为对称分布,采用1/4区域进行计算模拟。根据上文中的模拟参数,建立轧制模型。采用8节点6面体实体单元对轧制模型进行离散,轧件高度对称面上所有节点进行约束,高度方向位移为0。轧制过程中,轧件与轧辊之间采用库仑摩擦对轧制力进行计算,轧件以一定的初始速度送入轧辊,在摩擦力的作用下被轧出。轧制过程中带有预置轧件表面裂纹的有限元网格划分如图2所示,其中图2(b)为图2(a)中裂纹区域的放大图。2裂纹表面温度随状态变化特征为了更好地对变形区域内裂纹的演变行为进行研究,取变形区上6个不同的位置(图1中P1～P6)对裂纹进行研究。图3所示为轧件表面裂纹在轧制变形区内的形状变化情况。当裂纹处在P1～P2位置之间,裂纹从其尖端开始逐渐闭合。当裂纹处在P2～P4位置之间时,裂纹维持其原有形状,几乎没有发生变化。裂纹处在P4～P6位置之间时,裂纹又重新张开。很容易理解,如果裂纹尖端处应力足够大,裂纹将会沿着裂纹尖端发生扩展行为。图4所示为裂纹处在轧制变形区内不同位置的沿轧制方向的应力分布情况。当裂纹处在P1和P2位置时,裂纹附近区域承受着压应力,从而裂纹逐渐闭合。裂纹处在P3位置时,裂纹附近区域所承受的应力较小,从而裂纹处于相对稳定状态,既不闭合,也不扩展。裂纹处在P4位置时,沿轧制出口侧的裂纹侧面承受着较大的拉应力,而沿轧制入口侧的裂纹侧面几乎不承受任何作用力,很容易理解,当出口侧的拉应力增加到一定数值时,裂纹将会发生扩展现象。当裂纹处在P5和P6位置时,裂纹尖端出现明显的拉应力,很容易理解,此时,裂纹处于扩展状态。从上述结果可以知道,轧制过程中轧件出口区域(前滑区)上存在的沿轧制方向的拉应力是轧件上裂纹扩展的主要原因之一。图5所示为轧制变形区内裂纹附近区域温度场变化情况。从图中可以看出,轧制结束后,在裂纹表面上温度明显低于相同位置的非裂纹区域。很容易理解,裂纹附近区域温度越高,压应力作用下裂纹越容易愈合。而轧制过程中,裂纹表面温度降低,这将使裂纹的愈合速度迅速降低。综上所述,裂纹表面温度降低是轧制产品中裂纹遗传的主要原因之一。对轧制过程中轧件裂纹表面上不同位置(图1中点a～g)的温度变化情况进行详细分析,如图6、7所示。图6(a)为轧制过程中裂纹表面点a与相邻区域轧件表面上点A处的温度变化情况。在轧制变形区内,轧件表面温度迅速降低,同时,裂纹表面处温度降低速度大于无缺陷区域裂纹表面温度,本模型中两者温差达到70℃。图6(b)为轧制过程裂纹尖端(点g)和相同厚度位置的无裂纹缺陷区域点G的温度变化情况。轧制过程中由于轧件发生塑性变形,使轧件内部温度升高,同时由于轧件与轧辊之间的热交换,使轧件表面温度降低。由于两者的结合,使裂纹尖端温度成双峰分布。发生这个现象的主要原因是裂纹在后滑区域发生闭合,产生塑性变形功,促使裂纹尖端温度升高,在粘着区域裂纹几乎不变形,由于裂纹与轧件表面温度总体呈下降趋势,所以出现小的温度下降,到前滑区后裂纹发生扩展行为,裂纹尖端温度再一次升高,离开变形区后,裂纹温度再一次下降。相对于裂纹尖端呈双峰分布,无裂纹缺陷区域则呈现出一个较小的温度上升平台,轧后温度降低较慢。图7所示为裂纹表面不同位置的温度变化情况。轧制过程中,由点a到点g位置,温度逐渐降低,其中点a～d在出轧制变形区后有较大的温度回升,而点e～g位置出轧制变形区后温度呈下降趋势。3裂纹扩展及其闭合(1)采用热力耦合有限元方法对热轧过程轧件表面裂纹演变行为进行了研究,分析了轧制变形区内不同阶段的裂纹形状、裂纹附近应力场分布、裂纹附近温度场分布。这为人们研究热变形条件下裂纹的扩展和闭合问题提供了方法。(2)轧制变形区前滑区域内,轧件表层沿轧制方向承受着拉应力。裂纹进入该区域后,裂纹两侧受应力状态出现不连续状况,使裂纹