连铸板坯的粘弹性板模型及鼓肚变形分析

从坯壳材料的粘弹性 (Maxwell模型 )畸变关系和弹性体变关系出发 ,建立了连铸板坯鼓肚变形的粘弹性薄板计算模型。根据弹性—粘弹性的相应原理 ,得到了板坯鼓肚变形的解析解。与宝钢板坯连铸机鼓肚变形的设计公式及现有的其他公式相比 ,该解包含有弹性变形、粘性变形和弹性、粘性的耦合变形 ,能求出在任一时刻板坯内任一点的弯曲变形及鼓肚变形 ,并讨论了材料的松弛时间对板坯鼓肚变形的影响     

基于辛几何法分析连铸板坯的黏弹性鼓肚变形

对板坯连铸机中板坯(坯壳)的鼓肚变形问题,考虑了坯壳在高温下呈现黏弹性性态以及弹性变形与黏性变形的耦合特性,提出了连铸板坯鼓肚变形的四边固支黏弹性矩形板模型。根据Laplace变换和弹性-黏弹性相应原理,导出了黏弹性板柸在拉氏域内的四阶偏微分方程,再将其导入拉氏域内的哈密顿正则方程。对全状态矢量利用分离变量法、本征函数展开法、共轭辛正交归一化关系和Laplace逆变换,得到了四边固支黏弹性矩形坯壳在时域内的挠度解析解。以某板坯连铸机为例,分析了弹性变形、蠕变变形和松弛时间对鼓肚变形的影响,以及坯壳中点的单位长度弯矩随时间的变化情况。     

新型薄板坯连铸结晶器内腔形状设计

由于结晶器内坯壳应变至断裂主要是受应变速率的影响,应变速率的增大或突变均会使临界应变值降低,因此必须控制坯壳变形过程中的应变速率。基于此,根据薄板坯连铸结晶器内凝固坯壳收缩的特性,设计开发一种新型薄板坯连铸漏斗形结晶器。其特点是漏斗区曲线曲率连续变化,曲率变化率小且恒定,铸坯应变速率不突变,改变已知漏斗形结晶器内腔组合曲线的G1连续为G2连续。创建结晶器漏斗区横、纵向曲线的表达式,并根据坯壳凝固收缩特性和变形机理编程计算构造漏斗区曲面。建立新型漏斗形结晶器内铸坯的热力耦合有限元模型,分析计算宽面坯壳表面应力分布,并与进口技术进行对比。结果表明,结晶器坯壳表面应力水平下降20％,特别是在现有技术生产的铸坯易发生裂纹处,坯壳应力下降更加显著,应力下降达35％。因此该技术能够有效地减小铸坯裂纹形成机会,提高铸坯质量。     

基于结晶收缩特性的连铸矩形坯成形曲线研究

针对传统连铸结晶器效率低、拉坯速度慢、铸坯表面及形状缺陷等问题,设计并加工了一种高效、高速、高质（Efficient,speedy and quality,ESQ）连铸结晶器内腔形线。基于矩形坯结晶器内传热和结晶收缩行为特性,推导并建立了结晶器铜管内腔形线几何模型,运算得到形线曲线表达式和锥度表达式。根据连铸坯热交换收缩组成模型,针对高碳钢材料大矩形坯规格修正原模型及表达式,将优化结果与钢厂传统形线对比分析。依托Matlab/GUI二次开发了结晶器形线尺寸输出系统,为现有钢厂设计并加工了230 mm×170 mm断面U71Mn钢种结晶器芯棒和铜管,保持其他连铸条件基本不变,使现有连铸机拉坯速度从1.1 m/min提高至1.6～1.7 m/min。结果表明,得到的连铸坯产品表面质量与原产品相近,且并无形状缺陷,验证了模型计算的合理性和正确性。相比于传统连铸结晶器内腔形线,新形线曲线提高了结晶器的换热效率,且保证了铸坯质量,这为增加连铸坯产量提供了基础。     

基于高温铸坯蠕变规律的连铸坯幂函数连续矫直法

根据国内外近年来高温铸坯蠕变规律研究成果,建立了矫直区内铸坯变形的数学模型,由此推导出矫直区内铸坯连续矫直曲线方程。辊列按照该矫直曲线布置,完全满足高温铸坯蠕变变形规律。矫直区内的铸坯在中间段实现了等应变速率变化规律,起始段和末尾段实现幂函数形式的应变速率变化规律。利用实验辊列装置对该矫直曲线进行了实验研究,采用一种常温完全蠕变锡铋合金代替高温铸坯,对实验铸坯所受矫直力与铸坯应变进行测量,所测结果与理论计算结果相吻合。     

结晶器电磁搅拌对高强齿轮钢大圆坯凝固行为的影响

结晶器冶金对于特殊钢连铸过程凝固与后续产品质量至关重要.以高强齿轮钢42CrMo以铸代锻φ650 mm特大断面圆坯连铸生产工艺为背景,基于三维电磁-流动-传热-凝固耦合模型,研究了结晶器电磁搅拌(Mold electromagnetic stirring,M-EMS)器安装位置对大圆坯连铸结晶器冶金行为的影响.结果表明,结晶器铜管磁屏蔽效应导致搅拌器安装位置越低,搅拌效率越高;电磁搅拌可显著减轻因水口侧孔射流冲刷所造成的坯壳生长不均匀性、强化钢液过热耗散,也会不同程度地增强液面波动.搅拌器位置由330 mm下移至730 mm三个代表性工况下,钢液面最大波高差降低2.5 mm,坯壳凝固前沿最大冲刷速度增加0.069 m/s,铸流中心钢液过热耗散位置后移0.159 m,结晶器出口坯壳厚度极差降低1.1 mm.综合认为,搅拌器安装位置在弯月面下约530 mm 时,既有利于控制合适的液面波动与坯壳生长均匀性以改善铸坯表面质量,也有利于因钢液过热耗散促进等轴晶形成而提高大圆坯的中心质量.     

新型结晶器基本参数研究及其内钢液行为仿真

为降低立式连铸机的高度,减小设备尺寸,依据经验公式计算特大方坯连铸机拉坯速度及液相穴深度。根据计算结果及可行性分析,认为拉坯速度为0.2m/min较为适合。基于结晶器传热学理论分析,提出了一种新型结晶器,即回字形结晶器。模拟分析了在结晶器内部设置内冷却器及偏转水口的作用,分析结果表明回字形结晶器可以提高传热效率,减少中心偏析,形成水平旋流以利于均匀钢水成分及坯壳生长,降低钢水冲击深度,达到电磁搅拌的冶金效果。经计算证明,采用回字形结晶器可以降低铸坯液相穴深度,从而降低铸机基础建设费用。     

板坯连铸凝壳的热变形分析

对板坯连铸凝固坯壳受到内外表面温差作用引起的热变形问题,从热弹性问题的功的互等定理或 Betti-Maxwell互换定理和线弹性力学的叠加原理出发,分别推导出两对边简支两对边固支的矩形凝壳在钢液静压力和温度场联合作用下的挠度解,并解释了挠度解中各项的意义。实例计算了在三种拉坯速度下凝壳热变形和鼓肚变形。该研究对于求解连铸板坯在钢液静压力及内外表面温差作用下的鼓肚变形及热变形具有实际意义。     

方、圆坯高速连铸结晶器内壁的理想纵断面曲线和锥度曲线

针对结晶器锥度设计必须考虑结晶器的热膨胀和凝固壳的收缩,理想的结晶器应能够完全适应凝固壳的收缩,使凝固壳与结晶器既紧密接触、又不发生干涉的问题,根据方、圆坯结晶器内凝固壳收缩的特性,推导出高速连铸方、圆坯结晶器内壁的纵断面曲线和锥度曲线的设计计算公式。这些公式明确地反映了浇注钢种、冷却条件和拉坯速度的影响。结晶器的纵断面曲线由从结晶器上口至钢液液面附近的直线段和其下部的曲线段相切组成,锥度连续变化,消除钢液液面脉动的影响。在钢液液面附近,结晶器的纵断面曲线非常接近于抛物线。用这些公式为某厂设计的154.5 mm×152.5 mm结晶器,拉坯速度达到了3.1 m/min,超过了设计要求的2.7 m/min。     

组合搅拌模式对连铸特殊钢大方坯凝固行为的影响

组合搅拌模式是控制特殊钢铸态组织与均质性的重要手段。为深入揭示连铸结晶器电磁搅拌(Moldelectromagnetic stirring,M-EMS)和凝固末端电磁搅拌(Final electromagnetic stirring,F-EMS)的复合作用行为,基于麦克斯韦方程和低雷诺数湍流模型建立断面250mm×280mm的20Cr Mo A齿轮钢大方坯连铸过程电磁-流动-传热与凝固三维耦合数值模型。基于实测M-EMS中心线磁感应强度及F-EMS作用下的铸态组织白亮带宽度验证模型的可靠性。研究结果表明,M-EMS促使结晶器区域钢液产生水平旋流并冲刷凝固前沿,加强钢液和凝固坯壳的换热,可使钢液过热完全耗散及其凝固终点位置不同程度地前移,促进柱状晶向等轴晶的转变(Columnar to equiaxed transition,CET),从而可实现F-EMS作用区域为中心等轴晶区。组合搅拌作用下铸坯末搅区域液相穴宽度减小,糊状区内钢液对凝固前沿的冲刷速度降低,从而不易产生常见的负偏析白亮带缺陷。碳偏析检测结果表明,M-EMS可能造成大方坯出现一定程度的皮下负偏析和CET转变区的正偏析,但其中心偏析和铸态碳极差可获得明显改善。综合表明,合理的组合搅拌模式可有效改善特殊钢大方坯铸态组织的均质性,进而提高其轧材产品的热处理与服役性能。     

Thermal deflection analysis of the solidified shell in continuous casting of slab

The thermal deformation problem in the continuous casting of a slab subjected to thermal loading because of the temperature gradient along the solidified shell thickness is investigated. On the basis of the reciprocal theorem of work or Betti-Maxwell’s reciprocal theorem and the superposition principle, the deflection expressions for a rectangular plate with the two opposite edges simply supported, and the other two opposite edges clamped under the action of the uniformly distributed load and nonuniform temperature field are derived respectively. The meaning of each term in the deflection expression obtained by the reciprocal theorem of work is explained. Then the practical example is given to calculate the thermal deformation and the bulging deformation of the solidified shell under three tension speeds. This research is useful for analyzing the bulging deformation in the continuous casting of a slab under the static pressure of the molten steel and the thermal loading because of the temperature gradient along the solidified shell thickness. Translated from Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2006, 42(3): 64–67 [译自: 机械工程学报]     

板坯结晶器传热与变形的非均匀性

结晶器的传热和变形是导致连铸坯表面缺陷及裂纹的重要因素。基于宽厚板连铸结晶器在线监控系统实测数据,建立针对实测温度的结晶器传热反问题模型,反算迭代结晶器铜板的热流与温度分布,以此为基础,将反算热流和温度施加于热-弹塑性力学模型,模拟和分析实际浇注过程中铜板传热与变形的分布特征。结果表明,结晶器温度分布呈现出明显的非均匀性,传热沿浇注方向体现出继承倾向。铜板的最大变形在宽面中心附近,变形沿中心向两侧角部逐渐减小。浇注过程中,铜板宽度方向上的变形与温度分布趋势接近,并随着电偶实测温度的波动而变化。将实测与模拟相结合的数值分析方法,能够如实反映结晶器过程的非均匀特征,为预测裂纹、优化工艺等提供借鉴和参考。     

镁合金真空低压消失模铸造新技术

介绍了一种新的铸造技术--真空低压消失模铸造的工作原理.建立了其在充型过程中的物理模型与数学模型,分析了其铸造工艺的特点及影响因素,以及在铸造高精度、复杂镁合金铸件方面的优势.作为压力铸造、低压铸造的补充,真空低压消失模铸造新技术在铸造高质量和高精度的镁合金铸件中具有广泛的应用前景,另外还可用于铸造高精度、复杂的铝合金铸件.展示了用该新技术铸造成形的复杂的电机壳体、排气管等镁合金铸件.     

Computational modeling and control system of continuous casting process

A finite difference model was developed and applied to calculate the temperature distribution and solid shell thickness profile of continuous cast in a steel plant and to control the process of continuous casting. In the developed model, the optimization module of the water distribution of secondary cooling zone was established according to the metallurgical criterion for billet and target temperature controlling principle. The quantitative relation expressions of casting speed and water amount can be regressed by the result data. Meanwhile, the non-linear material properties of specific heat and thermal conductivity as well as phase changes during solidification were considered in the model. The calculated results of the model were in good accordance with measured data in the steel plant. Finally, a continuous casting and control system was developed based on the model. The relations between technology parameters including casting speed, cooling intensity, superheat of melt, and the casting process were analyzed with the system. The system could also be used to predict the optimum process parameters and the water distribution of secondary cooling zone on the new steel grade continuous casting.     

丝杠冷滚打成形参数控制研究

建立了丝杠冷滚打成形的有限元模型,使用ABAQUS软件模拟其成形过程。首先在仿真结果的基础上,设计正交试验,研究冷滚打过程中工艺参数对滚打深度和隆起高度的影响关系;然后分别建立滚打深度和隆起高度与工艺参数之间的多元回归模型,并进行显著性检验;最后利用自行设计的滚打装置进行丝杠冷滚打试验,验证了模型的有效性。研究结果为通过控制工艺参数形成精确的零部件轮廓提供理论基础,对丝杠冷滚打成形有重要的指导意义。