【摘要】：石油套管是石油開采過程中的重要器材,其質(zhì)量直接關(guān)系到石油的安全開采及運(yùn)輸。隨著石油開發(fā)戰(zhàn)略的轉(zhuǎn)變,開采地轉(zhuǎn)移到西部及沿海等自然條件較差的地方,油層較深,因此,對石油套管的性能和質(zhì)量提出了更高、更新的要求。由于石油套管鋼合金元素較多,連鑄過程作為生產(chǎn)石油套管鋼鑄坯的基礎(chǔ)環(huán)節(jié),在生產(chǎn)過程中經(jīng)常出現(xiàn)裂紋、合金成分不穩(wěn)定、成分偏析和等軸晶率不高等問題,連鑄工藝是影響石油套管鋼的質(zhì)量的主要工藝因素。針對某鋼廠生產(chǎn)中的實(shí)際問題,本文展開了一系列的實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究。應(yīng)用高溫試驗(yàn)、組織低倍檢測等方法分析了其凝固特性及組織結(jié)構(gòu)等物理性能,分析鋼種產(chǎn)生缺陷的內(nèi)因。為了降低鑄坯缺陷等級,采用數(shù)值模擬方法研究了連鑄過程中的二冷配水、結(jié)晶器和末端電磁攪拌等重要工藝流程,優(yōu)化了二冷配水,確定了結(jié)晶器和末端的最佳攪拌參數(shù),對提高鑄坯質(zhì)量、節(jié)約生產(chǎn)成本具有重要的意義。為了分析石油套管鋼在連鑄過程中存在的問題,降低鑄坯缺陷,建立了連鑄圓坯宏觀凝固傳熱模型,采用變間距有限差分法進(jìn)行離散。經(jīng)驗(yàn)證,鑄坯表面模擬溫度與現(xiàn)場實(shí)測溫度的誤差小于2%,模型精度較高�？紤]了枝晶形核、長大及曲率過冷等因素,建立了微觀組織模擬的元胞自動機(jī)和宏觀傳熱的耦合模型。由模擬得到的石油套管鋼組織結(jié)構(gòu)與連鑄圓坯低倍組織對比可知,等軸晶率誤差較小。分析了連鑄工藝參數(shù)對鑄坯組織的影響,結(jié)果表明拉速對等軸晶率的影響較小;降低過熱度,能夠增加晶粒數(shù)量,減小晶粒的平均半徑,提高鑄坯的等軸晶率;降低二冷水量,能提高鑄坯的等軸晶率。優(yōu)化了連鑄過程的結(jié)晶器和二冷配水制度。提出了改進(jìn)的自適應(yīng)遺傳算法,該算法的優(yōu)化效率較高。應(yīng)用該算法優(yōu)化了石油套管鋼連鑄圓坯的二冷配水。其適應(yīng)度函數(shù)考慮了溫度限制,鼓肚限制,升溫速率,降溫速率,目標(biāo)溫度及冷卻水量等冶金準(zhǔn)則。對石油套管鋼圓坯的二冷區(qū)進(jìn)行優(yōu)化,結(jié)果表明優(yōu)化后的水量節(jié)省10%左右,且表面溫度更加合理,回溫速率和降溫速率都很平緩,滿足冶金準(zhǔn)則,提高了鑄坯質(zhì)量,達(dá)到了節(jié)能降耗的要求。結(jié)合圓坯連鑄生產(chǎn)過程,建立了圓坯結(jié)晶器和末端電磁攪拌過程的磁場、流場和溫度場耦合模擬的數(shù)學(xué)模型。結(jié)晶器和末端電磁攪拌產(chǎn)生的磁場都是旋轉(zhuǎn)磁場。結(jié)晶器電磁攪拌的電流強(qiáng)度由250A增至400A,攪拌器中心的磁感應(yīng)強(qiáng)度由40mT增至70mT;隨電流頻率的增加,磁感應(yīng)強(qiáng)度減小,電磁頻率為3Hz的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為55mT,減至電磁頻率為6Hz的36mT。邊部最大切向速度由電流250A時(shí)的0.12m/s增至電流400A時(shí)的0.18m/s。凝固末端電磁攪拌在徑向方向上的電磁力呈現(xiàn)“中間大,兩頭小”的規(guī)律。末端電磁攪拌電流頻率為9Hz時(shí),電流強(qiáng)度每增加50A,磁感應(yīng)強(qiáng)度增大11mT;當(dāng)電流從450A變化到600A時(shí),電磁力從3010N/m3增加到3916N/m3,最大攪拌速度從 0.12m/s 增加至 0.18m/s。在數(shù)值模擬分析的基礎(chǔ)上,提出了最優(yōu)的結(jié)晶器和末端電磁攪拌的電磁參數(shù)分別為300A\3Hz,300A\4Hz和550A\8Hz,550A\9Hz。鑄坯質(zhì)量得到明顯改善,連鑄坯的等軸晶率提高到50%以上,鑄坯中大部分質(zhì)量缺陷均已消失,鑄坯組織的整體均勻性和緊密性均得到顯著提高。優(yōu)化后的C、Mo元素偏析分布范圍更窄,波動更小,成分分布變得更加均勻。
【學(xué)位授予單位】：東北大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TF777;TE931.2
【圖文】：

連續(xù)鑄鋼過程一般如下：液態(tài)鋼被注入到鋼包間包水口的位置，使得鋼水流入結(jié)晶器內(nèi)，在結(jié)晶器內(nèi)由于液芯的凝固坯殼。開啟振動裝置，將鑄坯拉出后進(jìn)入下一個(gè)霧化水冷的二冷區(qū)，鑄坯完全凝固且被矯直后，將鑄坯分割到倉儲地［１３］。逡逑質(zhì)上就是鋼液散熱凝固的過程，在這一過程中，存在鋼液的程的固相收縮及凝固坯殼彎曲、矯直、鼓肚等內(nèi)外力共同作長大，鋼液中各溶質(zhì)元素再分配等熱量、動量過程［１４］。連鑄逐漸降低的過程，只是在不同的冷卻段內(nèi)，冷卻條件不同。溫度時(shí)，液態(tài)鋼中會產(chǎn)生形核，且逐漸長大；在此過程中，不同相區(qū)之間重新分配，不同溶質(zhì)的溶解度根據(jù)溫度的變化質(zhì)在固相中的溶解度低于液相中的溶解度。溶質(zhì)中的形核不的表面向內(nèi)部不斷生長，而且在枝晶臂間各種金屬元素仍臂間的各種金屬元素在凝固過程中擴(kuò)散程度較小，會形成枝［１５］。逡逑

是其對角線與坐標(biāo)軸正向成０夾角的方向，體現(xiàn)了晶粒生長的物理機(jī)制。采用ＫＧＴ模型逡逑計(jì)算枝晶尖端生長動力學(xué)。能夠體現(xiàn)晶粒隨凝固時(shí)間的延長而逐漸長大的演變過程，如逡逑圖１．４所示。逡逑參逡逑圖１．４元胞的捕獲方法（１）【１０６］逡逑Ｆｉｇ．邋１．４邋Ｃａｐｔｕｒｅ邋ａｌｇｏｒｉｔｈｍ邋ｏｆ邋ｃｅｌｌｕａｒ邋（１）邋［１０６］逡逑假設(shè)核心元胞在／。時(shí)刻形成，那么在任意時(shí)刻〖晶粒外形的正方形的半對角線為：逡逑－１８－逡逑

并以此進(jìn)行捕獲。王同敏［１（）９］模擬了在非均勻溫度場中四個(gè)擇優(yōu)生長方向上不等逡逑長生長的晶粒，通過計(jì)算四個(gè)方向的生長臂長進(jìn)行捕獲，由于這樣捕獲的晶粒往往出現(xiàn)逡逑尖角，因此也采用這個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式，其捕獲方法如圖１．５所示。逡逑＾邋＝邋０．６６８（－）０８３９邐（１．２４）逡逑Ｒ邐Ｒ邐Ｊ逡逑１逡逑Ｚ逡逑ｖ逡逑圖１．５元胞的捕獲方法逡逑Ｆｉｇ．ｌ邋．５邋Ｃａｐｔｕｒｅ邋ａｌｇｏｒｉｔｈｍ邋ｏｆ邋ｃｅｌｌｕａｒ邋（２）邋１１０９１逡逑０１匕１？１１１＆１１等［１１（）］提出二次臂的生長速度為主干的４０％，設(shè)主干長度為Ｌ，晶粒在一個(gè)逡逑方向上的輪廓采用如下的經(jīng)驗(yàn)公式，其捕獲方法如圖１．６所示。逡逑Ｘ１逡逑ｙ＝－＾Ｌ＋Ｌ邐（１２５）逡逑在晶粒組織的模擬中，上面幾種元胞捕獲方法是根據(jù)對晶粒外形的一些特定假設(shè)建逡逑立的，為了確保元胞在捕獲中是按照元胞自動機(jī)法的規(guī)則逐層進(jìn)行狀態(tài)傳遞，且擇優(yōu)生逡逑－１９－逡逑

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 何志明;張斌;;枝晶腐蝕低倍檢驗(yàn)在連鑄坯質(zhì)量控制中的應(yīng)用[J];梅山科技;2014年04期

2 耿明山;周守航;韓慶禮;黃衍林;;連鑄圓坯凝固微觀組織數(shù)值模擬[J];連鑄;2012年04期

3 魏雷;林鑫;王猛;黃衛(wèi)東;;基于MeshTV界面重構(gòu)算法的二元合金自由枝晶生長元胞自動機(jī)模型[J];物理學(xué)報(bào);2012年09期

4 楊俊;王新華;王萬軍;龔志翔;汪國才;唐宇;;超低氧車輪鋼精煉過程非金屬夾雜物的轉(zhuǎn)變[J];北京科技大學(xué)學(xué)報(bào);2010年07期

5 陳榮;沈厚發(fā);;板坯結(jié)晶器電磁攪拌電磁場與流場的數(shù)值模擬[J];連鑄;2010年03期

6 龍文元;呂冬蘭;夏春;潘美滿;蔡啟舟;陳立亮;;強(qiáng)迫對流影響二元合金非等溫凝固枝晶生長的相場法模擬[J];物理學(xué)報(bào);2009年11期

7 張忠鏵;張春霞;殷光虹;譚諄禮;;寶鋼抗腐蝕系列油井管的開發(fā)[J];寶鋼技術(shù);2009年S1期

8 鄭忠;占賢輝;羅小剛;;基于遺傳算法的板坯連鑄二冷配水優(yōu)化方法[J];重慶大學(xué)學(xué)報(bào);2008年12期

9 于海岐;朱苗勇;;圓坯結(jié)晶器電磁攪拌過程三維流場與溫度場數(shù)值模擬[J];金屬學(xué)報(bào);2008年12期

10 吳耀光;龔志翔;張建平;范鼎東;劉建坤;吳宗雙;;圓坯連鑄工藝優(yōu)化試驗(yàn)研究[J];鋼鐵;2008年08期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前3條

1 仲紅剛;連鑄坯凝固過程熱模擬研究[D];上海大學(xué);2013年

2 馮科;方坯連鑄宏觀傳輸現(xiàn)象復(fù)合數(shù)值模擬的研究[D];重慶大學(xué);2004年

3 王同敏;金屬凝固過程微觀模擬研究[D];大連理工大學(xué);2000年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前4條

1 李文研;石油套管用熱軋寬鋼帶J55開發(fā)[D];東北大學(xué);2014年

2 王水根;圓坯連鑄凝固傳熱模型及二冷動態(tài)控制研究[D];重慶大學(xué);2010年

3 李杰;連鑄坯凝固組織的模擬[D];東北大學(xué);2010年

4 王啟明;板坯連鑄的高溫性能研究及組織模擬[D];重慶大學(xué);2008年

本文編號：2756404