發(fā)布時間：2020-09-03 14:30

　　 高碳鋼連鑄大方坯由于碳含量高、兩相區(qū)寬以及凝固時間長,鑄坯宏觀偏析尤為嚴重,而碳偏析一直是影響后續(xù)大斷面軋材內(nèi)部質(zhì)量和性能不均勻的重要因素。鑄坯的宏觀偏析形成于凝固過程,與鋼的凝固特性、微觀偏析及組織密切相關(guān)。目前在高碳鋼大方坯連鑄生產(chǎn)過程中,采用復(fù)合電磁攪拌(結(jié)晶器和凝固末端電磁攪拌)及輕壓下協(xié)同技術(shù)可對偏析控制起到很好的效果,但控制過程存在技術(shù)難點。本文圍繞高碳鋼大方坯凝固過程兩相區(qū)溶質(zhì)元素的微觀偏析行為、凝固組織的演變規(guī)律以及宏觀偏析的控制技術(shù)等方面展開研究,為采用不同技術(shù)路線最大程度改善高碳鋼大方坯宏觀偏析提供重要的理論和實踐依據(jù)。針對高碳鋼大方坯的實際工況條件,建立考慮到δ/γ相變的微觀偏析模型,獲得了高碳鋼精確的固液相線溫度,以及溫度與固相率的關(guān)系;研究發(fā)現(xiàn):高碳鋼凝固過程僅析出γ相,凝固末期S、P和C元素偏析嚴重,其次為Mn、Si、Cr等元素;C元素含量對鋼的零強度溫度(ZST)、粘滯性溫度(LIT)和零塑性溫度(ZDT)影響明顯,S、P和Mn等元素含量以及冷卻速率對零塑性溫度(ZDT)影響較大。為研究連鑄工藝參數(shù)對高碳鋼大方坯凝固組織的影響,利用元胞自動機—有限元法(CA-FE)建立了連鑄方坯凝固過程宏觀傳熱—微觀組織耦合模擬模型,研究了不同拉速、過熱度和比水量對高碳鋼大方坯中心等軸晶率、晶粒密度和晶粒尺寸的影響規(guī)律,深入地對高碳鋼大方坯凝固過程特征及凝固組織的演變規(guī)律進行研究。以增加鑄坯中心等軸晶率來改善宏觀偏析為目的,提出了可優(yōu)先“降低過熱度+優(yōu)化電磁攪拌”的措施�；诓钍緬呙璺ê透邷�?zé)崮M法對不同碳含量高碳鋼大方坯的高溫?zé)崃W(xué)性能進行研究,并將結(jié)果應(yīng)用于建立的凝固傳熱模型,對高碳鋼大方坯的凝固規(guī)律進行研究,結(jié)果表明:不同碳含量的高碳鋼大方坯凝固規(guī)律相同;從結(jié)晶器彎月面至二冷區(qū)出口,對應(yīng)的鑄坯柱狀晶區(qū)凝固坯殼厚度與凝固時間滿足線性關(guān)系,符合平方根定律;二冷區(qū)出口至凝固終點,對應(yīng)的鑄坯等軸晶區(qū)凝固坯殼厚度與凝固時間為非線性關(guān)系;相比于二冷比水量和過熱度,拉速對凝固終點和中心固相率的影響更大。為有效地控制高碳鋼大方坯宏觀偏析,首先基于電磁力矩理論設(shè)計了結(jié)晶器電磁力矩儀,結(jié)合高斯計和工業(yè)試驗對結(jié)晶電磁攪拌參數(shù)進行優(yōu)化。結(jié)果表明:最大電磁感應(yīng)強度與最大電磁力矩對應(yīng)的攪拌頻率不同;斷面越大,對應(yīng)最大電磁力矩的攪拌頻率越小。對于310mm×360mm斷面高碳耐磨球鋼BU,理論確定最優(yōu)攪拌頻率為1.8Hz;采用優(yōu)化后的攪拌頻率,鑄坯中心等軸晶率增加了 30%,中心碳偏析指數(shù)從1.1降低到1.05且分布更均勻。其次結(jié)合高碳耐磨球鋼各鋼種的高溫物理性能與凝固過程數(shù)值模擬的結(jié)果,理論優(yōu)化主要的連鑄工藝參數(shù),通過工業(yè)試驗對比分析了凝固末端電磁攪拌和輕壓下復(fù)合技術(shù)對鑄坯宏觀偏析的影響,結(jié)果表明:對于310mmX 360mm斷面高碳耐磨球鋼BU、B6和B3,采用凝固末端電磁攪拌與輕壓下復(fù)合技術(shù),最優(yōu)凝固末端電磁攪拌位置處中心固相率小于0.1,BU和B3鋼最優(yōu)壓下區(qū)間中心固相率為0.3～0.75;拉速要控制高以滿足輕壓下壓下區(qū)間的要求,對應(yīng)的拉速分別為0.52m/min和0.5m/min;總壓下量為17mm,在開始壓下較小固相率(0.3～0.4)時,單輥的壓下量小于2mm,在較大固相率(0.5～0.7)采用大的壓下量;采用以上優(yōu)化的工藝參數(shù),BU和B3鋼鑄坯縱截面中心線碳偏析指數(shù)可達到0.97～1.04和0.97～1.08,V型偏析和中心縮孔完全消除,可有效避免中間裂紋�；跀�(shù)值模擬和工業(yè)試驗,對于220mm×260mm斷面軸承鋼GCr15,僅采用復(fù)合電磁攪拌技術(shù),末端電磁攪拌最佳攪拌位置處鑄坯的中心固相率為0.1～0.2,拉速要控制低以滿足凝固末端電磁攪拌的要求,合適拉速為0.75m/min,鑄坯縱截面中心線碳偏析指數(shù)為0.93～1.12,但對宏觀偏析的改善有限;對于相同斷面的BU鋼,采用復(fù)合電磁攪拌和輕壓下協(xié)同技術(shù),末端電磁攪拌最佳攪拌位置處鑄坯的中心固相率小于0.1,合適的拉速為0.9m/min,鑄坯縱截面中心線碳偏析指數(shù)為0.95～1.02,可明顯改善鑄坯的宏觀偏析。
【學(xué)位單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TF777
【部分圖文】：

圖２－２邋（ａ）邋“小鋼徒，，示意圖（ｂ）邋“枝晶搭橋，，引起的鑄坯中心偏析宏觀組織逡逑２N２改善措施逡逑根據(jù)大方坯宏觀偏析形成的理論，凝固過程中枝晶間富集溶質(zhì)元素的流逡逑動、鑄坯的凝固組織、鋼的化學(xué)成分以及冷卻條件等均對其有影響，另外實逡逑際生產(chǎn)過程中，鑄坯宏觀偏析的形成涉及到連鑄的設(shè)備、工藝、技術(shù)、鋼種逡逑以及操作等因素影響。對于改善或消除大方坯宏觀偏析的技術(shù)手段主要包括逡逑－４－逡逑

鋼液的流動相關(guān)，中心線附近的兩相區(qū)內(nèi)凝固收縮引起的撕裂條件及方式是逡逑Ｖ型偏析形成的關(guān)鍵Ｗ。逡逑圖２－１連鑄還凝固過程示意圖逡逑Ｌ－Ｊ１邋ＢＨＩ逡逑圖２－２邋（ａ）邋“小鋼徒，，示意圖（ｂ）邋“枝晶搭橋，，引起的鑄坯中心偏析宏觀組織逡逑２N２改善措施逡逑根據(jù)大方坯宏觀偏析形成的理論，凝固過程中枝晶間富集溶質(zhì)元素的流逡逑動、鑄坯的凝固組織、鋼的化學(xué)成分以及冷卻條件等均對其有影響，另外實逡逑際生產(chǎn)過程中，鑄坯宏觀偏析的形成涉及到連鑄的設(shè)備、工藝、技術(shù)、鋼種逡逑以及操作等因素影響。對于改善或消除大方坯宏觀偏析的技術(shù)手段主要包括逡逑－４－逡逑

計算精度高，且能夠獲得在任意時刻固相濃度的連續(xù)分布情況，還可考逡逑慮物性參數(shù)隨溫度的變化關(guān)系。逡逑典型的為日本學(xué)者Ｙ．Ｕｓｈｉｍａ［１８］提出的正六面體樹枝晶凝固模型，如圖２－逡逑３所示，建立了碳鋼連鑄過程中微觀偏析的有限差分數(shù)值模型。該模型將二次逡逑枝晶臂的橫斷面視為正六邊形，并在考慮結(jié)構(gòu)對稱性的基礎(chǔ)上，取該橫斷面逡逑的六分之一部分作為數(shù)值模擬的計算域。其假設(shè)條件為：１）液相內(nèi)溶質(zhì)元素逡逑完全混合；２）忽略枝晶軸向固相和液相中的溶質(zhì)擴散；３）不同相界面上存在逡逑熱力學(xué)局部平衡。逡逑基于以上假設(shè)，將三維質(zhì)量傳輸微分方程簡化為：逡逑＝邐（２－１４）逡逑ｄｔ邐ｄｘ邋＾邋ｄｔ逡逑式中，—溶質(zhì)ｉ元素在固相中的濃度，％；邋Ａ，溶質(zhì)ｉ元素在固相中的擴散逡逑系數(shù)，ｍ２／ｓ；逡逑通過該模型研究了Ｙ相在液相和初生Ｓ相之間的形成過程，以及完全凝固逡逑后通過發(fā)生固相包晶轉(zhuǎn)變生成過程中碳鋼內(nèi)溶質(zhì)元素的擴散和分布情況。逡逑Ｌ１０ＵＩ０．逡逑＿逡逑Ｉ邋｜邋｜－逡逑？邐｜邐ｆ邐１１１逡逑！邋！邐！邋％邋？逡逑ａ）邋ｂ＞邋ｍ逡逑Ｊ邐ｍｒｍｘ逡逑［ＴＨＥ邋ＬＡＳＴ逡逑＼＿／Ｓ（ＸＩ）ｔＦｌＣＡＴＩ0Ｎ逡逑圖２－３邋（ａ）枝晶臂形態(tài)（ｂ）微觀偏析模型計算域示意圖逡逑Ｙ．Ｋ．Ｗｏｎ等［１９］、Ｔ．Ｎａｋａｇａｗａ等［氣邋Ｋ．Ｈ．Ｋｉｍ等［２１］以及錢宏智等［２２］應(yīng)逡逑用上述凝固微觀偏析數(shù)學(xué)模型研究了碳鋼連鑄過程中微觀偏析現(xiàn)象與鑄坯內(nèi)逡逑部和表面質(zhì)量的相關(guān)性，并提出了相應(yīng)的連鑄工藝參數(shù)優(yōu)化措施。逡逑國內(nèi)馮科［２３］等在假設(shè)二次枝晶臂間距的１／２區(qū)域內(nèi)

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本文編號：2811573