连铸动态轻压下过程铸坯凝固与变形机理的研究

本申请针对连铸动态轻压下过程的铸坯传热、凝固与变形机理进行系统研究。首先对钢的高温物理特性、高温力学性能进行实验研究，建立连铸动态轻压下工艺的三维热-黏弹塑性热力耦合分析有限元模型，对连铸坯在整个二冷区的凝固、矫直、动态轻压下过程进行计算机模拟，实现连铸动态轻压下过程的热-力学机理性分析。其次建立连铸坯宏观温度场与微观偏析耦合计算模型与基于铸坯凝固热收缩的液芯压下量计算模型，为确定合理的轻压下位置与压下量等参数进行理论分析。本课题组设计了带有轻压下与冷却功能的凝固装置，钢液在真空感应炉熔炼后，进行铸坯凝固过程的动态轻压下试验。分析压下位置、压下方式、压下率、总压下量、压下速率等对铸坯断面的结晶过程及树枝晶与等轴晶带的分布规律，研究铸坯内部中心偏析与疏松产生的部位与原因，为连铸动态轻压下工艺提供理论依据。本项目对改善连铸坯内部质量、推动连铸高效化进程、提高现代连铸技术整体水平都具有指导意义。

随着连铸轻压下技术在生产中的应用，铸坯热状态的精确跟踪和压下位置、压下量与压下量分配等关键轻压下工艺参数的合理性越来越受到重视。在高温状态下，特别是在连铸过程中的固-液两相区，形变与应力之间的关系，生产铸坯在轻压下过程的流变学本构关系研究还不是很清楚，研究较少，理论研究滞后于生产应用。.本研究根据钢的高温物理特性，建立表征铸坯在轻压下过程中流变学关系的本构方程，通过热模拟实验、热膨胀分析实验和现场射钉试验建立和优化本构方程参数；将建立的流变学关系本构方程应用于有限元模拟计算；通过自行发明的专利技术建立轻压下高温物理模拟装置，在实验室实现轻压下机理的高温模拟研究，通过实验研究，分析铸坯在轻压下过程中的凝固组织变化机理。.通过建立粘弹塑性五元件数学模型本构方程，测量相关参数，可以较为科学地表征铸坯轻压下应力应变流变学关系；将流变学本构关系，应用于有限元模拟计算，实现铸坯三维热-粘弹塑性模拟，并实现热力耦合计算，较为精确的表征了连铸轻压下过程的铸坯形变；研究钢种轴承钢凝固过程中碳元素的中心偏析较为严重，在碳与磷元素交互作用下，出现磷元素的中心偏析；通过压下实验，发现当中心固相率在0.3-0.7实施压下时，铸锭凝固组织中心部位出现一次枝晶破碎组织，对中心宏观偏析具有改善作用，从实验上验证了枝晶破碎理论的存在性；同时，实验发现压下后的铸锭中心区域出现枝晶粘合组织，可以在一定程度上减轻了中心偏析程度；当中心固相率小于0.3或大于0.7时实施压下，对铸坯质量改善不明显；当中心固相率大于0.8时实施压下，铸坯内部发现无法焊合的内裂纹。