CN109543361A - 一种连铸坯压下过程缩孔闭合度预测计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于钢铁冶金工业中的连铸生产领域,具体涉及一种连铸坯(包括板坯及矩形坯)压下过程缩孔闭合度预测方法。本发明通过建立连铸坯压下过程三维有限元仿真模型,可计算确定压下过程铸坯各位置等效应变,并结合本发明提出的基于等效应变的缩孔闭合度预测方法,可实现铸坯压下过程缩孔闭合度高效、准确预测,从而为压下工艺及相关装备开发提供定量化的关键数据支撑。板坯及矩形坯压下过程预置缩孔闭合度及采用本发明缩孔闭合度预测公式计算结果间吻合较好,证明了本发明提出的缩孔闭合度预测方法的准确性与适用性。
Description
技术领域
本发明属于钢铁冶金工业中的连铸生产领域,具体涉及一种连铸坯(包括板坯、矩形坯)压下过程缩孔闭合度预测方法。
背景技术
连铸坯中心缩孔及疏松是连铸过程常发内部质量缺陷,该缺陷是影响最终轧材机械性能的主要因素之一。目前,凝固末端压下技术是有效改善连铸坯缩孔、疏松及其它内部质量缺陷的最为有效的技术手段之一。该技术利用铸流凝固末端存在的天然温度梯度优势,通过在连铸坯表面施加较大的机械压下变形,可有效改善连铸坯芯部的缩孔、疏松等内部质量缺陷。
鉴于凝固末端压下技术在改善连铸坯内部质量缺陷存在的明显技术优势,该技术已得到许多研究者的重视,并开展了相关压下工艺及装备设计工作。
在压下工艺方面,中国专利CN201611127505.X公开了一种连铸坯凝固末端单点与连续压下工艺。其通过适当增加压下扇形段入口位置处的压下量,实现了压下变形由铸坯表面向其心部的高效传递,提升了压下对铸坯内部质量缺陷的额改善效率。中国专利ZL201610551771.9公开了一种连铸坯两阶段连续动态压下的方法。其在铸坯中心固相率较小的第一阶段,对铸坯施加相对较小的压下量,主要改善连铸坯中心偏析缺陷。在铸坯中心固相率较高的第二阶段,对铸坯施加较大的压下变形,主要改善铸坯的中心缩孔及疏松缺陷。通过该压下工艺,最终实现连铸坯中心偏析及缩孔、疏松缺陷的同步、高效改善。中国专利ZL201510304514.0公开了一种提高连铸坯凝固末端压下效果的拉矫机扭矩控制方法。其通过给各架拉矫机设置不同的扭矩输出系数,使铸坯在压下过程中沿拉坯方向呈挤压状态,可有效一直铸坯在压下过程中的宽展及延展变形,实现压下变形有铸坯表面向心部的高效话传递,从而提高压下变形对铸坯心部缩孔、疏松及其它内部质量缺陷的改善效率。
在压下装备设计方面,中国专利201611063063.7公开了一种连铸凝固末端压下用增强型紧凑扇形段。该扇形段内外弧共包含5对以上的分节辊辊列,其中驱动辊一端接有驱动电机,扇形段入口出口装备4个液压缸。该扇形段可显著提升连铸凝固末端压下量,防止铸坯反弹变形,保障压下变形实施及铸坯心部缩孔的改善。中国专利CN104057049B共开了一种连铸坯凝固末端大压下的连铸机扇形段及其大压下方法。其所设计的扇形段内外弧共包含5对铸辊,中间辊对的辊径显著大于其它4对从动辊,且中间内外弧大辊径的铸辊均为驱动辊。该扇形段可增加大变形的在铸坯中的渗透性,高效改善铸坯内部缩孔、疏松及其它内部质量缺陷的改善。中国专利CN104399924B公开了一种用于矩形坯连铸的拉矫机渐变曲率凸型辊及使用方法。其所设计的渐变曲率凸型辊由边缘区、渐变曲率区及平辊区组成。该铸辊可有效避开压下过程矩形坯两侧低温高变形抗力区,从而有效降低实施压下变形所需系统压力,大幅提升拉矫机压下能力。此外,其渐变曲率区可保证压下过程,铸坯表面相应区域因应力、应变集中而诱发的裂纹缺陷。
压下过程中,高效、准确的计算出不同压下工艺条件下的缩孔闭合度,可为定量评估压下工艺效果,设计合理、有效的压下工艺及装备提供关键数据支撑。目前,已有众多关于压下工艺及装备设计的相关技术专利,但压下过程铸坯缩孔闭合度的定量计算方法还鲜有报道。
发明内容
针对压下过程缩孔闭合度定量计算方法上的研究不足,本发明提供一种用于连铸坯压下过程缩孔闭合度预测方法。目的是快速、准确的计算出不同压下工艺条件下连铸坯中心缩孔闭合度,实现压下工艺对连铸坯中心缩孔改善效果的定量化评价,从而为设计高效、合理的压下工艺及装备提供定量化的数据支撑。
一种连铸坯压下过程缩孔闭合度预测计算方法,包括以下步骤:
步骤1:基于连铸坯的宏观缩孔形貌,将其进行简化,视为球型缩孔。根据压下过程中缩孔沿铸坯厚度方向、宽度方向及拉坯方向三个轴向尺寸变化,定义缩孔闭合度ηs。
式中,Lx、Ly、Lz分别为缩孔沿铸坯厚度方向、拉坯方向及宽度方向的原始尺寸;L′x、L′y、L′z分别为压下后缩孔沿铸坯厚度方向、拉坯方向及宽度方向的尺寸。ηs变化范围为0至1,且该值越大,表明压下工艺对缩孔的改善效果愈加明显。
步骤2:针对连铸坯压下过程,建立三维仿真计算模型,计算确定相应压下工艺条件连铸坯不同位置等效应变εeq。根据连铸坯断面尺寸、拉速、压下辊参数(包括辊型、辊径、辊间距)、及压下量,选取铸坯宽向一半建立压下过程三维有限元仿真计算模型。有限元模型中,铸坯沿拉坯方向长度为500mm,将其视为可变形体,采用4面体网格对其进行划分,4面体单元边长约为10mm。有限元模型中的铸辊视为刚体,铸辊的辊径、辊间距及内外弧辊缝值由具体的相应压下工艺参数决定。铸辊绕其轴心旋转,旋转速度为实际的拉速,铸辊与铸坯间的摩擦系数为0.3。有限元模型计算过程,采用自动时间步长方案,其中最小时间步长为0.1s,最大时间步长为1s。该模型可计算得到压下后,铸坯横断面内任意位置处的等效应变εeq。
步骤3:基于步骤2计算得到的等效应变及连铸坯断面尺寸,可计算确定对应位置缩孔在压下变形后的缩孔闭合度ηs:
对于板坯而言(厚度:100mm~400mm宽度:0.8m~4.0m),缩孔闭合度计算公式为:
对于矩形坯而言(矩形坯边长:150mm~550mm),缩孔闭合度计算公式为:
本发明有益效果:压下过程中,连铸坯各位置等效应变可通过建立相应压下变形三维模型计算确定。本发明针对板坯及矩形坯,基于等效应变提出了适用于矩形坯及板坯压下过程的缩孔闭合度计算方法,有助于高效、准确的定量评估不同压下工艺对缩孔改善效果,从而为压下工艺及相关设备开发提供定量化的数据支撑。此外,本发明也填补了压下过程缩孔闭合度计算方法上的研究空白,丰富了连铸坯压下过程理论体系。
附图说明
图1板坯压下过程三维有限元模型;
图2板坯缩孔形貌;
图3板坯不同压下工艺条件下预置缩孔缩闭合度ηs与等效应变(εeq)关系;
图4板坯不同压下工艺条件下预置缩孔闭合度与采用公式(2)计算得到的缩孔闭合度间的对比;
图5矩形坯压下过程三维有限元模型;
图6矩形坯缩孔形貌;
图7矩形坯不同压下工艺条件下预置缩孔缩闭合度ηs与等效应变(εeq)关系;
图8矩形坯不同压下工艺条件下预置缩孔闭合度与采用公式(2)计算得到的缩孔闭合度间的对比。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例进行进一步详细具体的说明。
实施例1板坯压下过程缩孔闭合度预测:
图1为针对本例建立的板坯压下过程三维有限元模型。本例中,板坯的厚度为280mm,宽度为2000mm。板坯压下过程依靠扇形段完成,每个扇形段包含5对铸辊(对应图1中的1#-5#),每个压下辊直径(D)390mm,拉坯方向的辊间距(L)为410mm,根据实际拉坯速度,本例中的每个铸辊转速设置为0.8m/min。由于选取板坯压下过程宽向一半建立三维有限元模型,因此,附图1中的铸坯横断面尺寸为280mm(厚度)×1000mm(宽度一半)。有限元模型中的铸坯采用4面体网格划分,网格尺寸约为10mm。有限元模型中铸辊为刚体,铸辊与铸坯间的摩擦系数为0.3。基于该模型,可计算得到本例不同压下压下工艺条件下的板坯不同位置等效应变(εeq)。
此外,根据图2所示的板坯中心缩孔形貌,在图1有限元模型铸坯厚度中心位置预置了直径3mm的人工球型空洞,用以模拟相应位置处的缩孔。基于不同压下工艺条件下,预置人工球型缩孔沿铸坯厚度方向、宽度方向及拉坯方向的尺寸变化,采用公式(1)可计算人工球型缩孔的闭合度(ηs)。附图3给出了位于铸坯厚度中心位置的预置人工球型缩孔在不同压下工艺条件下的闭合度(ηs)及其对应位置等效应变(εeq)间的关系。
采用本发明所提出的板坯缩孔闭合度预测计算公式(2),计算了不同等效应变条件下的缩孔闭合度(ηs),并将计算结果与预置人工球型缩孔的合度(ηs)进行了比较,对比结果如附图4所示。可以看到,预置人工缩孔闭合度(ηs)及其所在位置等效应变(εeq)间的关系与公式(2)所表征的缩孔闭合度(ηs)及等效应变(εeq)间的关系吻合较好。说明,所提出的缩孔闭合度计算预测计算方法(即公式(2))适用于板坯压下过程。
实施例2矩形坯压下过程缩孔闭合度预测:
附图5为针对本例建立的矩形坯压下过程三维有限元模型。本例中,矩形坯的厚度为320mm,宽度为410mm。矩形坯压下过程依靠拉矫机完成,每架拉矫机包含2对铸辊,每个压下辊直径500mm,根据实际拉坯速度,本例中的每个铸辊转速设置为0.42m/min。由于选取矩形坯压下过程宽向一半建立三维有限元模型,因此,附图5中的铸坯横断面尺寸为320mm(厚度)×212.5mm(宽度一半)。有限元模型中的铸坯采用4面体网格划分,网格尺寸约为10mm。有限元模型中铸辊为刚体,铸辊与铸坯间的摩擦系数为0.3。基于该模型,可计算得到本例不同压下压下工艺条件下的矩形坯不同位置等效应变(εeq)。
此外,根据如图6所示的矩形坯中心缩孔形貌,在图5有限元模型铸坯厚度中心位置预置了直径6mm的人工球型空洞,用以模拟相应位置处的缩孔。基于不同压下工艺条件下,预置人工球型缩孔沿铸坯厚度方向、宽度方向及拉坯方向的尺寸变化,采用公式(1)可计算人工球型缩孔的闭合度(ηs)。附图7给出了位于铸坯厚度中心位置的预置人工球型缩孔在不同压下工艺条件下的闭合度(ηs)及其对应位置等效应变(εeq)间的关系。
采用本发明所提出的矩形坯缩孔闭合度预测计算公式(3),计算了不同等效应变条件下的缩孔闭合度(ηs),并将计算结果与预置人工球型缩孔的合度(ηs)进行了比较,对比结果如附图8所示。可以看到,预置人工缩孔闭合度(ηs)及其所在位置等效应变(εeq)间的关系与公式(3)所表征的缩孔闭合度(ηs)及等效应变(εeq)间的关系吻合较好。说明,所提出的缩孔闭合度计算预测计算方法(即公式(3))适用于矩形坯压下过程。
Claims (1)
1.一种连铸坯压下过程缩孔闭合度预测计算方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1:基于连铸坯的宏观缩孔形貌,将其进行简化,视为球型缩孔;根据压下过程中缩孔沿铸坯厚度方向、宽度方向及拉坯方向三个轴向尺寸变化,定义缩孔闭合度ηs:
式中,Lx、Ly、Lz分别为缩孔沿铸坯厚度方向、拉坯方向及宽度方向的原始尺寸;L′x、L′y、L′z分别为压下后缩孔沿铸坯厚度方向、拉坯方向及宽度方向的尺寸;ηs变化范围为0至1,且该值越大,表明压下工艺对缩孔的改善效果愈加明显;
步骤2:针对连铸坯压下过程,建立三维仿真计算模型,计算确定相应压下工艺条件连铸坯不同位置等效应变εeq;根据连铸坯断面尺寸、拉速、压下辊参数辊型、辊径、辊间距、及压下量,选取铸坯宽向一半建立压下过程三维有限元仿真计算模型;有限元模型中,铸坯沿拉坯方向长度为500mm,将其视为可变形体,采用4面体网格对其进行划分,4面体单元边长约为10mm;有限元模型中的铸辊视为刚体,铸辊的辊径、辊间距及内外弧辊缝值由具体的相应压下工艺参数决定;铸辊绕其轴心旋转,旋转速度为实际的拉速,铸辊与铸坯间的摩擦系数为0.3;有限元模型计算过程,采用自动时间步长方案,其中最小时间步长为0.1s,最大时间步长为1s;该模型可计算得到压下后,铸坯横断面内任意位置处的等效应变εeq;
步骤3:铸坯压下过程缩孔闭合度预测计算方法,其特征为:
对于厚度在100mm~400mm、宽度在0.8m~4.0m的板坯,其压下过程的缩孔闭合度计算公式为:
对于矩形坯边长为150mm~550mm的矩形坯,其压下过程缩孔闭合度计算公式为:
式中,ηs及εeq分别为不同压下工艺条件下板坯或矩形坯任意位置的缩孔闭合度及缩孔对应位置处的等效应变。其中,ηs变化范围为0至1,该值越大,表明压下工艺对连铸坯缩孔的改善效果愈加明显。
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