铸坯在辊列中的粘塑性变形及高温蠕变遗传机理研究

Cast Slab can be divided into three typical zones of liquid metal, mushy zone and solid state when the cast slab is pulled out the mold.Continuous casting process involves phase transition，visco-plastic deformation and creep genetic behavior of high-temperature slab.This is a typical multi-phase, multi-scale and multi-physics processes coupled problem. In this project, the rheological theory, the phase transitiontheory of the liquid metal, the visco-plastic deformation theory, the creep theory and the rolling theory will be adopted.Constitutive model of solid state under different temperature range and strain rate range for the slab and constitutive model of mushy zone under different solid volume fraction will be suggested. And high-temperature creep model under different temperature range and strain rate range for the slab will also be obtained.In order to understand the visco- plastic deformation rules and the high temperature creep genetic mechanism, the coupling model between the solidified shell and cast roller will be establisted by using a combination method of field detection of the slab surface temperature and slab deformation.Therefor, evolution laws of stress, strain and deformation will be developed in roll layout design. These achievements will provide theoretical support for roll layout designs and improvement of the slab quality.

铸坯离开结晶器后，铸坯中心到凝固坯壳表面可分为液相区、固液两相区和固相区三个典型区域。铸坯凝固过程不但伴随着相变，而且还存在高温铸坯的粘塑性变形及蠕变遗传行为，这是一个典型的多相、多尺度和多物理过程的耦合问题。本项目以铸坯和辊列为主要研究对象，从金属液体的流变理论、相变理论、粘塑性变形理论、蠕变理论和轧制理论出发，通过理论分析和实验研究，建立铸坯在不同温度范围和应变速率下的高温固相区的本构模型、固液两相区在不同固相体积分数下的本构模型以及高温铸坯在不同温度范围和应变速率下高温蠕变模型；同时，结合铸坯表面温度和铸坯变形的现场检测，建立铸坯与辊列相互作用的耦合分析模型，揭示高温铸坯在辊列中的粘塑性变形及蠕变遗传机理，系统研究高温铸坯在辊列中的应力、应变和变形的演变规律，为连铸机的辊列设计以及铸坯质量的提高提供理论支持。

连铸的鼓肚变形是一个典型的多相、多尺度和多物理过程的耦合问题。本项目通过Gleeble 3500热模拟试验机模拟连铸过程，对两种铸坯材料AH36 和 100CrMo7 进行高温拉伸试验，探讨了温度、应变速率等因素对铸坯在高温条件下的流变应力的影响；针对铸坯具有温度范围广（1173–1573 K）和应变速率变化较大的特点，采用时间硬化本构模型和修正的应变硬化本构模型在不同应变量范围内分段建立了连铸坯AH36和100CrMo7的高温本构模型，根据分段本构模型计算得到的流变应力理论计算值和实验值之间的相关系数达到0.998；利用Gleeble 热模拟试验机对AH36进行了短时高温蠕变拉伸试验，重点研究了时间、温度、应力以及应变等因素对材料蠕变行为的影响，结合铸坯实际变形等特点，构造了铸坯在不同高温条件下的蠕变本构模型，为高温铸坯在辊列中的粘塑性变形及蠕变遗传机理的研究奠定了基础。. 结合铸坯表面温度现场检测结果，建立铸坯的三维凝固传热有限元模型，将铸坯表面温度的现场测量结果和仿真结果进行对比分析后，获得铸坯的温度场以及坯壳厚度在铸流方向的分布规律；在充分考虑铸坯窄边坯壳的影响以及坯壳横向厚度、温度的变化的基础上，并在充分考虑铸坯高温蠕变的基础上，建立铸坯与辊列相互作用的动态三维热力耦合有限元模型，揭示高温铸坯在辊列中应力、应变的变化规律以及宽面和窄面的粘塑性鼓肚变形规律。研究表明铸坯材料在高温状态下产生蠕变变形是铸坯产生鼓肚变形的主要原因，这也导致了铸坯鼓肚遗传现象的产生；同时引入铸坯的正向蠕变和反向蠕变以解释铸坯的高温蠕变遗传机理。. 为了尽量符合连铸的实际生产过程，对铸坯与辊列相互作用的分析模型进行改进，即模型中的坯壳的温度和厚度根据实际情况变化，并在坯壳内部直接通过添加钢水来更好地模拟连铸的实际生产过程。然后对系统地研究不同布辊方式、不同支撑条件对铸坯变形的影响，并提出了鼓肚变形与铸机相关结构参数的回归公式，为连铸机的辊列设计以及铸坯质量的提高提供理论支持。