津西h型钢凝固过程温度场和应力场模拟研究

1、津西h型钢凝固过程温度场和应力场模拟研究杨景军韦士来2）1）北京科技大学冶金与生态工程学院，北京1o（x）83 2）河北津两钢铁股份有限公司，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型钢连铸过程屮的温度场、应力场进行 模拟研宄，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，娇直点温度正好处在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；为避免腹板表而裂纹产生，可将二冷三段分成两个部分， 前半部分维持原冇水流密度，tl三段后半部分至五段切断腹板表面喷水，让腹板tl然冷却。 关键词数值模拟；

2、裂纹；二次冷却dh(t)dtoxox dyc/y1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77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u1。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，有吋山 现铸坯腹板裂纹，影响y铸坯的合格率，考虑到 有关这方而的研宄较少，为此本文采用数伉模拟 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

3、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不阁所示: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同坯壳厚度，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（匕）相等，也即z = 0时，t = t” 结晶器内边界条件属于第二类边界条件，表达式为 6乂，式中6/为经验常数，a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e与

4、边界温度成 线性关系，即- 7j，式中riv为铸坯表面 温度；7；力冷却水温度；力铸坯与水之间的给 热系数，这里取 =581（1-0.00757；.），其中 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人钢液导热系数4倍 进行考虑；价乃，"co,per）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； 忽略弯月囬的影响；视弯月妞处熔融金属的温度 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

5、连铸坯质量， 尤其是铸坯裂纹的产生提供非常重要的数裾。本 文采用二维瞬态热弹塑性方程进行模拟汁算。汁 算过程中考虑了钢水静压力对凝固坯壳的影响； 采用von mises屈服准则来计算钢的应变强化。 总应变方程为：£=eelep,+efb（2）其中epl 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mm700结晶器宽而水量消耗1/s30结品器窄而水贵消耗1/s16.7二冷一段长度mm660二冷一段冷却水呈1/s4.22二冷二段长度mm150

6、0二冷二段冷却水量1/s3.13二冷三段长度mm2400二冷三段冷却水呈1/s1.90二冷四段长度mm2400二冷四段冷却水贵1/s0.78二冷五段长度mm2400二冷五段冷却水量1/s0.35矫直点距结品器液而距离m19.14拉速m/min0.98浇注温度°c1549液相线温度°c1519固相线温度°c14643.1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 拟过程屮先取h型钢的儿个特殊点（阁1）对计 算结果进行验证。图2列山了计©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。巾表2可以看出热模拟计算温度与实测温 度比

7、较吻合。图3-6分别列出了儿个位置的温度 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图3结晶器出口处温度场测温位置1493 秒)2计算温度与实测温度比较铸坯计算实测绝对误差相对测温温度温度误差点(°c)cc)(%)腹板表面851829212.53翼缘表面810780303.85中心窄面表面994975191.95中心腹板表面808780283.59中心r角963935282.99翼缘表面732735-3-0.04中心窄面表面954885697.8中心r角903904-1-0.11翼缘表山703690131.88中心窄而表面89689510.1

8、1中心r角836850-14-1.65翼缘表而669650192中心窄而二冷出门处 （距离结晶器 液面10.06米， 对应图1中616 秒）1号矫直机前 （距离结晶器 液面16.19米 对应图1屮991 秒）2号拉矫后 （距离结晶恶 液面19.64米 对应图1中1202 秒）4号拉矫后 （距离结晶器 液面24.39米， 对应图1中scliniowansyso3c 21 2c06 16:01:14tih£s322tsk?(a7c>p5ys-0skj3 -7.771 2hx =151：/ 一图4二冷三段出口温度场表面 83083000屮心ansyshcoal 80lu7i0ut3m

9、plavc>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列出了铸坯在儿个特殊位賈的等效应力场和等效应变场。由应力、应变的汁算结果 可知，铸坯在翼緣和腹板中心产生裂纹的趋势最 大。uodal scl7ti0u7ih2s616ansys7eh?psys-0 skm «20(avop3c 21 20c6 16:02:52dxal sclutiom?zh3*61673h?psys-c(avci3«：< *1303lxwj800ansys21 2006 16:02:52srm «20 si1x -1303.lxn)j14641550

10、1519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kcdal sclutichtih3-616 ：2h； uvc) csys«c srw .20 sk< -13031ansysd3c16km803狐 一1000146415191550»scal s0luti0h516usvs-c s«» »20tih3-616 thst <170ansysp3c 21200616:02:52skx -1303.kn120c146415x91s50图9二冷五段出口等效应力、应变场hcdxl solvtichtm?«6l6

11、 tbh? cavc> psys-0 shm «20solutiowdsc 21 2co6 16:02:s2t 1x5=616 tqmp uvg> rsy3-0 skx »20d3c 21 2006 16:02:s2图10矫直点等效应力、应变场ansys 織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 表而温度较低。腹板表而中心区矫直点的温度仅 为780°c,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

12、作用k该位置最容易出现裂纹。铸坯翼缘部 分虽然热应变最人，但其温度值(最高716°c ) 低于q235b的低延展区温度，因此该处产生裂纹 的儿率比腹板位置小根据以上计算和分析，为避免腹板中心岀现 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；/式来达到降低腹 板表而热流，提高腹板温度的r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。l4j5结论ansys(1) 采用数值模拟的方法对连铸温度场合 应力场模拟，结果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

13、而中心区，矫直点温度正好 处在q235b的塑性s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 裂紋;(3) 为避免腹板表而裂纹产生，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.人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)： 121-1262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) , 1-104蔡开科.连续铸钢原理与工艺.北京：冶金工、ik出版社,19

14、94simulation of temperature field and stress field during solidification of h type steel in jinxi steelyangwei shilaih1) metallurgical and ecological engineering school, university and science technology beijing, beijing 100083, china2) hebei jinxi iron and steel co.,ltd tangshan 063006, chinaabstra

15、ct numerical simulation is applied to simulate thermo process and stress process during continuous casting of h type steel in the steelmaking plant of jinxi steel, to analyze primary courses of the formation of cracks in h type steel and to modify the cooling process of secondary cooling zone. in th

16、e center of surface, the temperature of rectification point is at the lowest ductility point of q235b. meanwhile, thermo strain of the above-mentioned position is very high，so cracks are likely to form in this position under rectification power. to avoid the formation of surface cracks, the third section of secondary cooling can be divided into two parts. w