大方坯連鑄過程流動、傳熱、傳質(zhì)行為及凝固組織的模擬研究.pdf

1、高速鋼軌是高速鐵路的基礎(chǔ)部件，而重軌鋼連鑄大方坯質(zhì)量直接決定高速鋼軌品質(zhì)。重軌鋼大方坯的凝固組織演變及流動、傳熱和傳質(zhì)行為直接影響著其表面及內(nèi)部質(zhì)量，是控制重軌鋼大方坯質(zhì)量的關(guān)鍵。本文對某廠生產(chǎn)的380mm×280mm U71Mn重軌鋼大方坯連鑄過程凝固組織的控制、湍流區(qū)冶金行為的優(yōu)化及鑄坯中心偏析的改善開展了一系列研究，為生產(chǎn)高品質(zhì)重軌鋼的連鑄工藝提供一定的理論依據(jù)。
　　采用CAF(E)模型研究了不同冷卻制度和過熱度條件下大方

2、坯連鑄凝固傳熱及組織演變規(guī)律。研究結(jié)果表明:凝固坯殼結(jié)果與射釘實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合，誤差在4％以內(nèi)，凝固組織分布與酸洗照片吻合。超弱冷條件下鑄坯凝固終點(diǎn)比弱冷條件延長約2.46m，中心兩相區(qū)長度擴(kuò)大1.46m左右，且表面與角部溫度較高，鑄坯空冷段后角部與表面回溫較小，可有效減少鑄坯表面缺陷的產(chǎn)生幾率，兩種冷卻條件下鑄坯斷面內(nèi)凝固組織的大小及分布相似。當(dāng)過熱度由15K增至40K時，鑄坯中心等軸晶率由44.6％降至20.5％，平均晶粒半徑由1.0

3、25mm增至1.128mm;過熱度每上升5K，凝固終點(diǎn)后移0.19m，表面溫度約增加3K;在保證流暢澆注的前提下，重軌鋼鋼水過熱度可控制在20K以內(nèi)。
　　建立了大方坯連鑄過程電磁流動-凝固傳熱-傳質(zhì)多物理場耦合模型，系統(tǒng)研究了不同浸入式水口和結(jié)晶器電磁攪拌參數(shù)下連鑄湍流區(qū)內(nèi)鋼液的流動、液面波動、傳熱凝固及傳質(zhì)行為和相互作用。研究結(jié)果表明:采用四孔水口對角安裝時，結(jié)晶器鋼/渣界面波動幅度僅4.5mm，可消除注流沖擊引起的寬邊與窄邊

4、坯殼的薄化現(xiàn)象，避免拉漏，結(jié)晶器內(nèi)夾雜物的上浮去除效果較好，鑄坯表面與角部溫差較小，且可減輕溶質(zhì)在鑄坯寬窄面的負(fù)偏析，初生坯殼內(nèi)溶質(zhì)分布相對均勻。加載結(jié)晶器電磁攪拌后，液面波動增至6.2mm，作用區(qū)內(nèi)鑄坯斷面溫度、坯殼厚度及溶質(zhì)分布更加均勻，鑄坯表面溫度較高。隨著電流強(qiáng)度的增大(450A～600A)，作用區(qū)內(nèi)鑄坯寬面及窄面中心附近凝固前沿的切向速度增加，液面波動由5.3mm增至6.2mm，作用區(qū)凝固坯殼負(fù)偏析加重，角部偏析減弱，計算域出

5、口坯殼厚度減小，而鑄坯表面溫度增高，電流強(qiáng)度應(yīng)為600A。隨著電磁攪拌安裝位置的上移，鋼/渣界面波動幅度增大，鑄坯表面溫度升高，計算域出口處坯殼變薄，鋼液沖擊深度減小，電磁攪拌中心應(yīng)安裝在距離彎月面約0.42m處。
　　為改善鑄坯中心偏析，提高鑄坯內(nèi)部質(zhì)量，以大方坯連鑄湍流區(qū)出口結(jié)果為基礎(chǔ)，結(jié)合CAF(E)模型計算的鑄坯凝固組織分布結(jié)果，利用多物理場耦合模型研究了冷卻制度、結(jié)晶器和末端電磁攪拌對鑄坯中心偏析的影響。研究結(jié)果表明:多

6、物理場耦合模型模擬的溶質(zhì)分布趨勢與檢測結(jié)果相符。結(jié)晶器電磁攪拌對鑄坯二冷段及空冷段傳熱傳質(zhì)行為無影響，弱冷與超弱冷條件下鑄坯的凝固終點(diǎn)分別為17.9m和20.5m，二者溶質(zhì)傳輸行為一致。當(dāng)末端電磁攪拌的電流強(qiáng)度由300A增至600A時，鑄坯中心糊狀區(qū)鋼液的切向速度由0.013m/s增至0.023m/s，作用區(qū)出口鑄坯中心液相率由0.7827降至0.7256，且電流強(qiáng)度每增加100A，鑄坯中心溫度多下降約2.4K;當(dāng)電流強(qiáng)度在300A～4