无氧铜连铸坯微裂纹形成机理与控制因素研究

oxygen-free copper casting billet solidification is a flow, the kinetics of heat and mass transfer process, is also a complex system which have the characteristic of high temperature, multiphase and influence each other, how to control the solidification process of continuous casting billet, reduce casting micro cracks is important to the casting quality. This project from casting billet solidification behavior, high temperature mechanical properties, effects on the continuous casting billet of all kinds of stress and strain, chemical composition and micro segregation behavior perspective, to discuss the mechanism of slab cracks and control factors, put forward to reveal dendrite growth on the solidification process of molten copper microstructure parameters and their change rule of the mathematical model of the microscopic parameters such as stability constant and drawing speed and other casting parameters on the influence law of casting solidification process; Through the establishment of real-time entirely solidification heat transfer model of thermal - mechanical coupling, predict billet temperature distribution in the crystallizer and coagulation state, analysis the influencing factors on the quality of the casting billet casting; Heat transfer and flow of continuous casting billet in the crystallizer, fully coupling of stress and strain, a slab of micro crack prediction criterion. The objective of the research results will provide the oxygen-free copper continuous casting technology in China provides a beneficial supplement of the theory system, has the extremely obvious scientific significance and engineering application value.

无氧铜连铸坯凝固是包含流动、传热、传质的动力学过程，也是具有高温、多相及相互影响特征的复杂体系，如何控制连铸坯凝固过程，减少铸坯微裂纹的产生对铸坯质量至关重要。本项目从连铸坯凝固行为、高温力学性能、作用在连铸坯上的各种应力应变、化学成分以及微观偏析行为等角度出发，探索铸坯微裂纹产生的机理和控制因素，对铜液凝固过程提出揭示枝晶生长的微观结构参数及其变化规律的数学模型，研究稳定性常数等微观参数和拉速等浇注参数对连铸凝固过程的影响规律；通过建立实时完全热-力耦合的凝固传热模型，预测铸坯在结晶器内温度分布和凝固状态，分析影响连铸坯铸造质量的因素；对连铸坯在结晶器内传热、流动、应力应变进行完全耦合计算，提出一种铸坯微裂纹产生的预测判据。本项目的研究成果将为我国无氧铜连铸工艺理论体系的完善提供有益补充，具有十分明显的科学意义和工程应用价值。

项目背景：.无氧铜连铸坯凝固是包含流动、传热、传质的动力学过程，也是具有高温、多相及相互影响特征的复杂体系，如何控制连铸坯凝固过程，减少铸坯微裂纹的产生对铸坯质量至关重要。.主要研究内容：本项目为了对无氧铜薄板坯连铸工艺参数进行优化和控制，通过前期大量实验数据分析，深入分析了铸坯在不同工艺条件下其内部的温度场、液穴、应力场分布情况以及彼此之间的规律，对优化工艺参数、提高铸坯质量有决定性的作用。以某铜加工厂连铸机为研究对象，通过PROCAST软件分别对不同工艺条件下温度场、液穴、应力场进行分析，探究不同工艺条件对温度场、液穴及应力场的影响；通过MATLAB拟合函数，找出不同工艺条件与铸坯在结晶器出口处温度之间的函数关系，分析其规律；研究了铸坯的收缩补偿措施，对收缩系数以及倒锥度与尺寸偏差、气隙的关系进行了分析。.重要结果及关键数据：.1）冷却水量、拉坯速度、浇注温度以及铸坯宽厚比对铸坯的温度场、液穴与应力场均有显著影响；.2）对无氧铜连铸薄板坯凝固过程中铸坯不同宽厚比、不同拉速、不同过热度、不同冷却水套换热系数下连铸坯凝固传热、凝固收缩以及热应力等的影响规律进行了分析，并给出了建议取值：连铸薄板坯宽厚比建议小于40，当宽厚比在20-40之间时，建议拉坯速度取值12-18mm/s，冷却水套对流换热系数取2000-3000 W/m2·℃，则可尽量降低铸坯裂纹等缺陷发生概率。.3）在工艺条件允许下，降低冷却水量、浇注温度、铸坯宽厚比和提高拉坯速度有利于降低铸坯温度场的温度梯度和减小铸坯内应力，对提高铸坯质量有明显帮助；.4）增大二冷区的冷却水量可以有效降低铸坯的温度；.5）不同工艺条件与铸坯在结晶器出口处温度呈明显的函数关系，对于企业生产有重要的指导意义；.6）收缩补偿措施的研究表明：倒锥度较小时，尺寸偏差与气隙都较小；收缩系数较大时，尺寸偏差较小，而气隙反而变大。.科学意义：.本项目的研究成果为我国无氧铜连铸工艺理论体系的完善提供了有益补充，具有十分明显的科学意义和工程应用价值。