角部形状对连铸过程中铸坯凝固、传热和变形应力的影响

Transverse corner crack on micro-alloyed steel slab was universal existence in domestic and abroad iron and steel enterprise. Currently, the application of chamfered mold technology was one of the main developed directions to solve the above problem. It has been made some progress with the application of chamfered mold to avoid the slab transverse corner crack, but it also caused serious corner longitudinal crack due to the understanding of the formation mechanism of longitudinal crack and the prevention mechanism of transverse crack were incompletely. The project is based on the actual production of typical micro-alloyed steels.The solidification and heat transfer characteristics of slabs which have different corner shapes such as right angle, chamfered angle and arc angle were studied from three aspects including the laboratory experiments, numerical simulation and trial tests. In the peoject, the forming mechanism of transverse corner crack and its main affecting factors were explored. The role and effect of chamfered slab in increasing corner temperature and improving corner stress and strain was revealed. In parallel, the controlling mechanism of the transformation from transverse corner crack to longitudinal crack and optimizing corner parameters and continuous casting process parameter were discussed. All of these results will provide a scientific basis to avoid the occurrence of the corner crack defect.

微合金化钢板坯连铸过程中角部横裂纹的发生在国内外钢铁企业生产中普遍存在，采用带倒角的结晶器技术解决上述问题是目前冶金界研究开发的重点方向之一。但由于对纵裂纹的形成机理以及对横裂纹的防止机理认识还不到位，尽管带倒角结晶器技术的应用在避免铸坯角部横裂纹发生方面取得了一定的进展，但同时也造成了严重的角部纵裂缺陷发生。本项目以实际生产的典型微合金化钢为研究对象，从实验室基础实验、计算机仿真模拟、热态试验工艺技术开发三个方面出发，重点对不同角部形状（包括：直角、倒角、圆弧角或弧线角等）铸坯的凝固与传热特性进行研究，探索铸坯角部横裂纹产生的机理及其主要影响因素，揭示带倒角连铸坯在提高角部温度和改善应力状态等方面的作用规律和效果，以及铸坯从产生角部横裂纹到产生角部纵裂纹转换的控制机制，优化铸坯角部结构参数和连铸工艺，为有效避免铸坯角部裂纹缺陷的发生提供科学依据。

在微合金化钢的连铸生产中，铸坯角部横裂纹一直是困扰国内各大钢厂的关键技术问题。带倒角连铸坯的生产技术是国内外防止铸坯角部横裂纹发生的热点。早期的研究工作对纵裂纹及横裂纹的防止机理认识还不到位，无法满足实际生产的需求。本项目从裂纹形成机理的角度出发，重点对不同角部形状铸坯的凝固与传热机制及应力应变进行研究，为优化铸坯角部形状、有效控制铸坯角部裂纹缺陷提供科学依据。主要研究内容包括结晶器角部形状对结晶器内钢水流动、初生坯壳凝固生长影响；不同角部形状铸坯在铸机扇形段内的传热特征及铸坯在弯曲和矫直过程中应力状态模拟研究；典型微合金化钢板坯角部缺陷产生的机理及控制研究。.研究结果表明：微合金元素碳氮化物的析出是产生铸坯角横裂的主要原因之一；结晶器内及垂直段铸坯无裂纹；在距弯月面3270mm处开始出现多处外弧横裂纹。流体流动、传热和凝固数值模拟研究表明：铸坯倒角形状变化并不明显影响浸入式水口附近的总体流动模式。倒角形状明显影响了弯月面处角部流动分布，随着倒角角度的增加；铸坯角部附近的流动明显增强；在结晶器出口位置，随倒角角度的增加，铸坯角部的表面温度近似呈线性增加，但铸坯角部附近的流动增强；较小的倒角长度如L=10mm就能将角部温度提高约102℃，随着倒角长度的增加，铸坯角部温度的提高幅值降低，当倒角长度从L=60mm增加到L=80mm时，铸坯角部温度提高幅度仅为26℃，而流动对铸坯倒角部位的冲击则明显增加，坯壳厚度变薄。矫直过程应力应变数值模拟研究表明：最大的等效应力位置发生在倒角斜面内，距角部约15mm～33mm；当矫直温度在900℃以上时，斜面内最大等效应力范围大幅下降；在等倒角长度条件下，30o和45o倒角铸坯棱角部位切向应力应变相对最小，只有同截面直角铸坯的40%~46%；在等倒角角度（ 30o ）条件下，倒角长度控制在65mm～85mm之间时，铸坯棱角部位切向应力应变相对最小，当倒角长度为75mm时，铸坯棱角部位切向等效应变只有同截面常规铸坯的40%。因此，在优化结晶器倒角设计时，需要考虑铸坯倒角角度和倒角长度对角部流动、温度分布、凝固坯壳增长及应力应变的综合影响。.优化的倒角结晶器窄面铜板可用于连铸板坯规模化生产，倒角铸坯角部温度相比直角铸坯提高了100℃左左右，提高了矫直段铸坯的高温延展性，有利于控制微合金钢板坯角横裂的发生，铸坯角横裂发生率得到了大幅降低。