津西H型钢凝固过程温度场和应力场模拟研究.docx

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津西H型钢凝固过程温度场和应力场模拟研究

津西H型钢凝固过程温度场和应力场模拟研究

杨景军1韦士来2

1北京科技大学冶金与生态工程学院，北京1000832河北津西钢铁股份有限公司，唐山063006

摘要采用数值模拟的方法对津西钢铁公司炼钢厂H型钢连铸过程中的温度场、应力场进行模拟研究，分析H型钢腹板裂纹产生的主要原因，并对二次冷却区的冷却方案进行改进。

在腹板表面中心区，矫直点温度正好处在Q235b的塑性最低点，同时该位置的热应变也很大，因此在矫直力作用下该位置容易出现裂纹；为避免腹板表面裂纹产生，可将二冷三段分成两个部分，前半部分维持原有水流密度，自三段后半部分至五段切断腹板表面喷水，让腹板自然冷却。

关键词数值模拟；裂纹；二次冷却

1引言

随着连铸技术的快速发展，铸坯质量始终是不可忽视的重要方面。

众所周知连铸凝固过程的传热行为对连铸坯质量保证有着极其重要的作用。

根据不同的铸机特点，铸坯坯型均要采取特定的冷却制度保证连铸坯的无缺陷化和连铸生产高效顺行[1]。

津西钢铁公司是我国大规格H型钢的主要生产厂家。

自从2006年5月投产以来，有时出现铸坯腹板裂纹，影响了铸坯的合格率，考虑到有关这方面的研究较少，为此本文采用数值模拟的方法对河北津西钢铁股份有限公司炼钢厂异型坯凝固过程进行模拟，深入分析了连铸过程中腹板裂纹形成的原因，优化津西H型钢的连铸生产中的相关工艺参数。

这方面的研究工作对津西钢厂H型钢质量改进具有较大的现实意义。

2数学模型的建立

2.1裂纹的特征

H型钢产生的腹板裂纹如下图所示：

2.2温度场数学模型

热过程和凝固过程模拟的主要任务是对给定过程参数和设备参数下连铸温度场进行模拟，预测铸坯温度场和凝固坯壳厚度，同时发现连铸过程在

传热中存在的问题。

该过程二维非稳态热传输方程为：

…..

（1）

在结晶器上表面，假设钢水温度与中间包浇注温度（

）相等，也即

时，

。

结晶器内边界条件属于第二类边界条件，表达式为q=a－b

式中a为经验常数，b是结晶器冷却水量、冷却水温差、铸坯结构尺寸等参数的函数。

在二冷区，边界结点热流通量与边界温度成线性关系，即

式中

为铸坯表面温度；

为冷却水温度；

为铸坯与水之间的给热系数，这里取

，其中w为水速，该值可由冷却水量、冷却水温等参数计算得到。

在空冷区，以辐射传热为主，辐射传热热流密度采用四次方定律。

上述连铸过程数学模型基于下列假设：

铸坯两相区和液芯对流传热靠增大钢液导热系数4倍进行考虑；

仅随温度变化；忽略结晶器振动、结晶器锥度和凝固偏析的影响；忽略弯月面的影响；视弯月面处熔融金属的温度为浇注温度。

2.3应力场数学模型

连铸应力过程数学模型可以预测铸坯坯壳内的应力和应变分布，为所生产的连铸坯质量，尤其是铸坯裂纹的产生提供非常重要的数据。

本文采用二维瞬态热弹塑性方程进行模拟计算。

计算过程中考虑了钢水静压力对凝固坯壳的影响；采用vonMises屈服准则来计算钢的应变强化。

总应变方程为：

（2）

其中

分别代表弹性应变量、塑性应变量、热应变量[2]。

3模拟结果

根据生产现场连铸过程数据（表1）对H型钢连铸温度场和应力场进行了模拟。

表1输入参数

单位

数据值

铸坯类型

BB1

金属

Q235b

结晶器有效长度

mm

700

结晶器宽面水量消耗

l/s

30

结晶器窄面水量消耗

l/s

16.7

二冷一段长度

mm

660

二冷一段冷却水量

l/s

4.22

二冷二段长度

mm

1500

二冷二段冷却水量

l/s

3.13

二冷三段长度

mm

2400

二冷三段冷却水量

l/s

1.90

二冷四段长度

mm

2400

二冷四段冷却水量

l/s

0.78

二冷五段长度

mm

2400

二冷五段冷却水量

l/s

0.35

矫直点距结晶器液面距离

m

19.14

拉速

m/min

0.98

浇注温度

℃

1549

液相线温度

℃

1519

固相线温度

℃

1464

3.1温度场模拟结果及验证

为了验证铸坯传热计算过程的合理性，在模拟过程中先取H型钢的几个特殊点（图1）对计算结果进行验证。

图2列出了计算得到特殊点的温度历程图，表2对计算温度和实测温度进行了比较。

由表2可以看出热模拟计算温度与实测温度比较吻合。

图3-6分别列出了几个位置的温度等值线图。

图1H型钢铸坯横断面计算网格划分及特殊位置点

图2铸坯上特殊点位置的温度历程

2计算温度与实测温度比较

测温位置

铸坯测温点

计算温度（℃

实测温度（℃

绝对误差

相对误差（%

二冷出口处

（距离结晶器液面10.06米,对应图1中616秒

腹板表面

851

829

21

2.53

翼缘表面中心

810

780

30

3.85

窄面表面中心

994

975

19

1.95

1号矫直机前

（距离结晶器液面16.19米对应图1中991秒

腹板表面中心

808

780

28

3.59

R角

963

935

28

2.99

翼缘表面中心

732

735

-3

-0.04

窄面表面中心

954

885

69

7.8

2号拉矫后

（距离结晶器液面19.64米对应图1中1202秒

R角

903

904

-1

-0.11

翼缘表面中心

703

690

13

1.88

窄面表面中心

896

895

1

0.11

4号拉矫后

（距离结晶器液面24.39米,对应图1中1493秒

R角

836

850

-14

-1.65

翼缘表面中心

669

650

19

2

窄面表面中心

830

830

0

0

图3结晶器出口处温度场

图4二冷三段出口温度场

图5二冷五段出口温度场

图6矫直点温度场

3.2应力场模拟结果及验证

图7-10列出了铸坯在几个特殊位置的等效应力场和等效应变场。

由应力、应变的计算结果可知，铸坯在翼缘和腹板中心产生裂纹的趋势最大。

图7结晶器出口等效应力、应变场

图8二冷三段出口等效应力、应变场

图9二冷五段出口等效应力、应变场

图10矫直点等效应力、应变场

4裂纹产生的原因和冷却方案改进

综合分析H型钢连铸温度场和应力场模拟情况，腹板中心产生表面裂纹的主要原因是腹板位置冷却强度较大，导致在矫直点温度附近铸坯表面温度较低。

腹板表面中心区矫直点的温度仅为780℃，该温度正处于Q235b塑性最低点，再加上铸坯在腹板位置本身热应变很大，因此在矫直力作用下该位置最容易出现裂纹。

铸坯翼缘部分虽然热应变最大，但其温度值（最高716℃）低于Q235b的低延展区温度，因此该处产生裂纹的几率比腹板位置小[3]。

根据以上计算和分析，为避免腹板中心出现裂纹，需要对二冷区的冷却方案进行调整。

通过更换或减少腹板位置喷嘴的方式来达到降低腹板表面热流，提高腹板温度的目的，但其成本高且操作过程的控制难度大。

可以采用从二冷的某一部分切断腹板的喷水，让腹板自然冷却。

[4]

5结论

（1）采用数值模拟的方法对连铸温度场合应力场模拟，结果显示异型坯腹板处冷却强度过大，容易导致裂纹产生，应对异型坯连铸的冷却制度进行优化；

（2）在腹板表面中心区，矫直点温度正好处在Q235B的塑性最低点，同时该位置的热应变也很大，因此在矫直力作用下该位置容易出现裂纹；

（3）为避免腹板表面裂纹产生，可将二冷三段分成两个部分，前半部分维持原有水流密度，自三段后半部分至五段切断腹板表面喷水，让腹板自然冷却。

参考文献

1王宝林，麻永林.大方坯连铸过程中铸坯传热及凝固行为的研究.包头钢铁学院学报，2002，21

（2）：

121-126

2张先棹.冶金传输原理.北京：

冶金工业出版社，2000

3蔡开科.连铸二冷区凝固传热及冷却控制.河南冶金，2003，11

（1），1-10

4蔡开科.连续铸钢原理与工艺.北京：

冶金工业出版社，1994

SimulationofTemperatureFieldandStressFieldduringSolidificationofHTypeSteelinJinxiSteel

YANGJingjun1,WEIShilai1

1MetallurgicalandEcologicalEngineeringSchool,UniversityandScienceTechnologyBeijing,Beijing100083,China

2HebeiJinxiIronandSteelCo.,LtdTangshan063006,China

ABSTRACTNumericalsimulationisappliedtosimulatethermoprocessandstressprocessduringcontinuouscastingofHtypesteelinthesteelmakingplantofJinxiSteel,toanalyzeprimarycoursesoftheformationofcracksinHtypesteelandtomodifythecoolingprocessofsecondarycoolingzone.Inthecenterofsurface,thetemperatureofrectificationpointisatthelowestductilitypointofQ235b.Meanwhile,thermostrainoftheabove-mentionedpositionisveryhigh,socracksarelikelytoforminthispositionunderrectificationpower.Toavoidtheformationofsurfacecracks,thethirdsectionofsecondarycoolingcanbedividedintotwoparts.Watersprinklingdensityoftheprecedingpartremains.Surfacewatersprinklingofthesucceedingpartofthethirdsectiontothefifthsectionofsecondarycoolingisshutofffornaturalcooling.

KEYWORDSnumericalsimulation;crack;secondarycooling