特厚板坯连铸重压下热--力耦合行为研究

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特厚板坯在连铸生产时由于其断面尺寸大和凝固时间长的特点,铸坯的中心偏析、中心疏松和缩孔等缺陷比常规板坯更加严重。这些缺陷往往难以通过后续加工进行有效消除,将严重影响产品的质量。目前,重压下工艺能够有效减少大断面铸坯的中心疏松和缩孔缺陷,显著提高铸坯中心致密度,是提升特厚板坯中心质量的重要技术手段。在进行重压下时,为取得良好的压下效果,需要确定合理的压下量、压下位置等关键参数。因此,本文对重压下过程进行了数值模拟,研究了压下参数对压下力、拉坯阻力以及铸坯应力、应变和温度场的影响,对重压下工艺的设计和优化具有指导意义。
  本文以特厚板坯为研究对象,通过数值模拟的方法,建立了特厚板坯连铸凝固传热模型,获得了铸坯在不同位置处内部的温度分布;通过热压缩实验,得到了Q345钢在压缩过程中的应力-应变关系曲线;根据上述模拟和实验的数据,建立了特厚板单辊重压下过程的三维热-力耦合模型,对比分析了不同压下参数下铸坯的应力应变情况及压下力和拉坯阻力的变化,为重压下工艺的设计和铸坯质量的控制提供了重要的依据。详细研究内容如下:
  ①建立了特厚板坯连铸凝固传热模型,计算得到了铸坯内部的温度场信息,为重压下热力耦合模型提供了较为精确的铸坯初始温度场。
  ②利用热压缩实验测得了Q345钢在973~1673K范围内应变速率为0.01s-1时的压缩应力-应变曲线。结果表明:Q345钢压缩时的最大塑性变形阻力随压缩温度的升高而明显降低。在973~1173K时,压缩应力在开始阶段迅速增加,在应变量达到0.3左右,应力达到峰值,随后应力不再随应变的增大而增加;当温度高于1273K后,应力曲线在0.1左右的应变量时就达到了峰值。
  ③基于计算得到的铸坯温度场和热压缩实验测得的Q345钢的高温力学性能参数,建立了单辊重压下过程中铸坯和辊子的热力耦合数学模型,计算了不同压下量、压下位置和压下辊半径下铸坯的温度、应力、应变以及辊子压下力和拉坯阻力。结果表明:重压下时,与辊子相互作用造成的铸坯温度降低区域主要集中在距铸坯上、下表面0~20mm部位,且随着向铸坯内部深入,温度的变化急剧减小。铸坯的应力应变随压下量的增大而增大,当压下量从5mm增加到30mm,铸坯的最大应力从84Mpa增加到170Mpa;压下量每增大5mm,铸坯中心区域等效塑性应变平均增大0.013。压下力和拉坯阻力随压下量的增大而快速增加,当压下量为30mm时分别为13.5MN和5.6MN。压下位置铸坯固相率从0.8增加到1.0,铸坯中心部位应力以及辊子压下力和拉坯阻力均小幅增大。增大压下辊半径,可有效降低铸坯的最大应力应变,对铸坯中心区域的应力应变则基本没有影响;同时,压下辊半径的增大也会导致压下力和拉坯阻力有一定的增加。
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