CN110929355B

CN110929355B - 一种连铸坯裂纹风险预测的方法及其应用

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Publication number: CN110929355B
Application number: CN201911315780.8A
Authority: CN
Inventors: 祭程; 张晋源; 李国梁; 朱苗勇
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2019-12-19
Filing date: 2019-12-19
Publication date: 2021-07-27
Anticipated expiration: 2039-12-19
Also published as: CN110929355A

Abstract

一种连铸坯裂纹风险预测的方法及其应用，属于连铸技术领域，该方法因为连铸过程中间裂纹萌生、表面裂纹扩展主要是由拉应变或拉应力引起，故取拉应变作为中间裂纹萌生、表面裂纹扩展判定依据，以高温拉伸测定的临界裂纹准则和连铸从结晶器弯月面到空冷区结束的全流程热/力耦合模型为基础建立了裂纹风险预测模型。采用裂纹风险预测模型分析铸坯在连铸全流程裂纹风险性并绘制裂纹风险云图，进而对现场生产提出工艺对策以控制裂纹缺陷、改善铸坯质量。

Description

一种连铸坯裂纹风险预测的方法及其应用

技术领域

本发明涉及一种连铸技术领域，具体涉及一种连铸坯裂纹风险预测的方法及其应用。

背景技术

裂纹是连铸坯主要质量问题之一，在各类缺陷中裂纹约占50％。连铸过程铸坯发生相转变、碳氮化物在晶界的析出行为、不同组织间的性能差异是裂纹形成的根本原因。在高温区存在零塑性温度(ZDT)，ZDT温度附近材料介于固相和液相之间，流动性差、塑性低，在该温度区间裂纹极易产生；在奥氏体相的低温区，由于动态回复和动态再结晶较难发生，亦容易在塑性变形时形成裂纹。

钢铁材料常用断面收缩率来确定脆性温度区间，通常当断面收缩率小于60％认为材料处于脆性温度区。大多数钢种在降温过程存在三个脆性区间，分别为第一脆性区间、第二脆性区间和第三脆性区间。在脆性区间内钢的塑性差，裂纹常在脆性区间形成并扩展，连铸过程中应避免在脆性温度区间内进行矫直和压下。连铸过程中铸坯形成裂纹的主要原因是在外力、热应力等的作用下，铸坯变形超过了材料破坏极限，导致裂纹缺陷的形成和扩展。

专利申请201910522577.1“一种微合金钢近终型异形连铸坯裂纹控制方法”，研究了一种微合金钢近终型异形连铸坯裂纹控制方法，所述控制方法包括：在连铸工序，结晶器两侧铜板矩形冷却水槽保持不变，结晶器采用非等间距圆形冷却水孔冷却；保护渣使用缓冷型包晶钢专用保护渣；二次冷却采用包晶钢二次冷却专用模型：二次冷却强度为0.48～0.50L/kg。本发明通过改善结晶器局部传热提高了结晶器铜板温度均匀性，减少了近终型异型坯R角处应力，控制了钢水在结晶器内的裂纹源。并开发缓冷型包晶钢专用保护渣，建立了微合金钢专用二次冷却模型，改善了保护渣润滑、传热条件，提升了异形坯质量。

专利申请201210464148.1“一种含Cr低合金钢TDC76连铸坯裂纹控制方法”，涉及一种含Cr低合金钢TDC76连铸坯裂纹控制方法，其特征是：转炉终点钢水的质量百分数碳含量0.04～0.19％、磷含量0.010～0.020％，出钢温度1557～1637℃；LF炉精炼就位温度为1480～1564℃，精炼离位温度1598～1665℃；VD炉冶炼的深真空时间大于13min，深真空度≤0.10Kpa，软吹时间10～17min；软吹流量20～99NL/min；连铸生产中过热度控制在20～33℃之间，拉速在0.50～0.70m/min之间；在连铸机结晶器使用中碳钢保护渣及二冷区采用弱冷冷却，连铸铸坯下线采取下铺上盖型堆垛缓冷，缓冷时间大于48小时，避免了连铸坯的裂纹产生。

发表在微合金钢连铸裂纹控制技术研讨会上的期刊文献“微合金钢宽厚板连铸坯角部横裂纹控制技术研究”认为连铸坯角部横裂纹是常见的生产缺陷，其结合天钢4#宽厚板连铸机生产含硼钢A36-1B的实际，分析了角部横裂纹形成与扩展机理，研究了铸坯高温塑性、二冷喷嘴冷却特性与布置、二冷工艺、Al和B元素含量等重要因素对角部裂纹率的影响作用，并提出了相应的改进措施。生产实践表明，含硼钢A36-1B连铸坯角部裂纹缺陷得到了有效控制。

发表在Ironmaking and steelmaking上的外文文献“Critical strain forinternal crack formation in continuous casting[J]”公开了连铸内部裂纹的临界应变，对具有液芯的铸锭进行了一系列拉伸试验和凝固分析。结果表明，当零强度温度(ZST)和零塑性温度(ZDT)之间的应变总量超过临界应变时，内部裂纹发生并扩展，而与变形模式无关，无论是连续的还是间断的。根据这一结果，可以得出铸坯连铸过程中内部裂纹形成的条件应以每辊ZST与ZDT之间的应变总量来评价，而不是以应变增量来评价；在此基础上，阐明了连铸件内部开裂的预防措施。

上述连铸裂纹控制方法，是在工艺上降低裂纹萌生的风险以及理论上阐述裂纹萌生的原理，未能提出怎样预测裂纹萌生的方法，以及对现场裂纹风险进行评估。

发明内容

针对现有技术中对连铸坯裂纹控制的方法中存在的问题，本发明提供了一种连铸坯裂纹风险预测的方法及其应用，分析铸坯在连铸全流程裂纹风险性并对现场生产提出工艺对策以控制裂纹缺陷、改善铸坯质量。

本发明的技术方案如下：

本发明的一种连铸坯裂纹风险预测的方法，包括以下步骤：

步骤1：将连铸坯裂纹萌生的临界应变或裂纹扩展的临界应变，作为临界裂纹判定准则；

步骤2：根据待制备的连铸坯以及铸辊的几何尺寸，在有限元软件中建立从结晶器弯月面开始到空冷区结束的连铸全流程热/力耦合模型(连铸全流程FEM模型)；

步骤3：结合步骤1确定的临界裂纹判定准则和步骤2建立的连铸全流程热/力耦合模型(连铸全流程FEM模型)，建立裂纹风险预测模型，并绘制裂纹风险云图。

所述的步骤1中，连铸过程中，裂纹萌生、裂纹扩展主要是由拉应变或拉应力引起，因此本发明选取拉应变作为裂纹萌生、裂纹扩展判定依据，以确定临界裂纹判定准则。

所述的步骤2中，根据待制备的连铸坯以及铸辊的几何尺寸是根据实际铸机参数确定的，铸辊的辊列坐标和直径从现场实际的CAD图纸中提取。

所述的步骤2中，有限元软件采用MSC.Marc。

所述的步骤2中，有限元软件的中复杂连铸坯的有限元网格划分可以选用MSC.Marc自带的网格划分器。

所述的步骤2中，连铸全流程热/力耦合模型建立过程为：首先根据CAD图纸，利用MSC.Marc二次开发功能，将提取辊列的各个参数导入MSC.Marc建立辊列；然后利用网格划分器划分铸坯实体；把建立好的铸坯网格模型移动到结晶器上口处，施加边界条件以及工况条件，最后建立结晶器弯月面到空冷区结束的连铸全流程热/力耦合模型。

所述的步骤2中，在连铸全流程热/力耦合模型中，监测的主要位置为：以拉坯方向铸坯中间面为监测面，该监测面能够较模型中其它位置更为准确反映铸坯变形情况，研究该检测面上各处应变及温度随铸流位置的变化情况。

所述的步骤3中，建立裂纹风险预测模型的方法为：通过以MSC.Marc为平台建立的连铸全流程热/力耦合模型，模拟分析铸坯在连铸过程的传热、变形行为；再通过MSC.Marc二次开发接口提取所需数据，并对各节点拉应变与临界裂纹判定准则进行对比分析；最后得到各节点裂纹风险系数并绘制裂纹风险云图。

一种连铸坯裂纹风险预测的方法的应用，通过建立的裂纹风险预测模型对连铸工艺进行优化，通过裂纹风险云图可以看到裂纹产生的位置，以及对铸机弯曲矫直段设计是否合理和连铸压下过程压下量控制进行调控，避免裂纹产生的风险，对指导现场实际生产意义重大。

一种连铸坯裂纹风险性预测的方法，连铸过程中间裂纹萌生、表面裂纹扩展主要是由拉应变或拉应力引起，因此本发明选取拉应变作为中间裂纹萌生、表面裂纹扩展判定依据，本发明根据实际铸机CAD图纸，提取相应的辊列坐标以及直径等相关参数导入有限元软件，建立从结晶器弯月面开始到空冷区结束的连铸全流程FEM模型；结合测定的临界裂纹判定准则和建立的连铸全流程热/力耦合模型建立了裂纹风险预测模型。

本发明的一种连铸坯裂纹风险预测的方法及其应用，其有益效果为：

1.本发明通过裂纹风险预测模型对轴承钢大方坯和微合金钢宽厚板坯中间裂纹萌生风险以及TiMo微合金钢角部裂纹扩展风险进行了分析，结果表明生产轴承钢大方坯时，1、2#拉矫机压下量应控制在1～2mm的较小范围，3、4、5#拉矫机可逐步增加压下量，6、7#拉矫机较5#拉矫机压下量不宜增加过大，8、9#拉矫机可实施较大压下量以改善疏松、缩孔进而提高铸坯中心质量；生产微合金钢宽厚板坯时，在固相率较低时应控制压下量在较低水平，在固相率较高时适当增加压下量，在凝固终点后施压较大压下量改善铸坯疏松、缩孔；生产TiMo微合金钢种时，应避免过大压下量，以控制角部裂纹缺陷。

2.本发明的连铸坯裂纹风险预测的方法适用多钢种、多断面连铸坯，其能够预测分析多种连铸坯的裂纹风险，其结果更直观，更准确；该连铸坯裂纹风险预测模型可分析整个连铸过程的裂纹风险，也可对铸流某位置处裂纹风险结果进行提取，更为灵活，从而能够更方便对生产实践进行指导。

3.本发明建立了连铸全流程热/力耦合模型，相比于只有压下区域的传统热/力耦合模型，增加了弯曲矫直段以及结晶器区域，这导致了辊列数量庞大，需要利用Marc二次开发功能，利用Marc识别的机器语言，编写命令流文件，最终直接导入Marc中，实现铸辊自动建模，这大大节约了建模时间，可以在短时间建立多个模型，分析多个工况；本发明的连铸全流程热/力耦合模型不仅能灵活地控制各个铸辊压下量；还可以对连铸整个流程精准模拟，尤其实现了对矫直段压下位置的裂纹高发区域实现精准监测，这是传统模型所不具备的。能够充分考虑连铸过程传热行为、变形行为的相互作用及变形的累计影响，分析全流程热/力学行为对于研究中间裂纹萌生、表面裂纹扩展、轻压下及重压下工艺制定具有指导作用。

附图说明

图1为钢厂提供的CAD图纸(以大方坯为例)。

图2为连铸全流程热/力耦合模型。

图3为裂纹风险云图的计算流程图。

图4为铸坯监测面(以大方坯为例)。

图5为本发明实施例1中，GCr15轴承钢大方坯中间裂纹风险云图。

图6为本发明实施例2中，微合金宽厚板坯中间裂纹风险云图。

图7为本发明实施例3中，TiMo微合金钢板坯角部裂纹风险云图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

一种连铸坯裂纹风险性预测的方法，在测定的临界裂纹判定准则和建立的连铸全流程热/力耦合模型的基础上建立了裂纹风险预测模型。具体的，通过有限元软件为平台建立的连铸全流程热/力耦合模型，模拟分析铸坯在连铸过程的传热、变形行为并通过二次开发接口从计算结果中提取所需的拉应变、温度等数据；通过裂纹风险预测模型对各节点拉应变与裂纹临界应变进行对比分析得到各节点裂纹风险系数并绘制裂纹风险云图；

实施例1

本实施例以连铸生产横断面尺寸为410mm×530mm的GCr15轴承钢为例，其采用在连铸坯凝固末端的固液两相区，实施连铸轻压下技术，其铸机拉速为0.58m/min，并保持拉速稳定不变，选取铸坯拉坯方向中间面上的节点为对象，研究该中间面上各置处拉应变随铸流位置的变化情况，其监测面见图4，1～9#拉矫机压下量分别为0/1/1/1/2/3/4/4/2mm时，中间面上各位置示意图及拉应变随时间的变化情况，分析其裂纹风险云图。

本实施例的一种连铸坯裂纹风险预测的方法，包括以下步骤：

步骤1：选取GCr15钢中间裂纹萌生的临界应变作为裂纹萌生判定准则，具体的本实施例中GCr15钢中间裂纹萌生的临界应变以高温拉伸实验测定，其值为0.05。

步骤2，根据实际铸机CAD图纸(见图1)提取轴承钢大方坯连铸机相应的辊列坐标以及各辊直径，导入到MSC.Marc有限元软件，在有限元软件中建立从结晶器弯月面开始到空冷区结束的连铸全流程热/力耦合模型(图2)，模拟分析轴承钢大方坯的温度和变形模拟结果；

其建立过程为：提取铸机CAD图纸中的辊列几何信息，并编写命令流文件；利用Marc二次开发功能接口，读取命令流文件自动建立辊列模型，采用命令流文件建立辊列模型，极大节省了建模所需要的时间，且编写该命令流过程已实现程序化，可针对不同铸机快速建模；然后利用网格划分器划分铸坯实体；最后建立结晶器弯月面到空冷区结束的连铸全流程热/力耦合模型。

步骤3：结合步骤1确定的临界裂纹判定准则和步骤2建立的连铸全流程热/力耦合模型(连铸全流程FEM模型)建立裂纹风险预测模型，对各节点拉应变与临界裂纹判定准则进行对比分析，其计算流程图见图3，首先提取监测平面上的各节点在全流程的温度变化历程以及各节点的拉应变变化历程，然后判断各节点在各增量步中是否满足裂纹萌生的条件即温度是否处于裂纹风险温度区间和拉应变是否超过裂纹临界应变，如果满足裂纹萌生的条件则相应位置裂纹风险系数增加1，最后统计得到各节点裂纹风险系数；最后提取监测平面各节点的坐标，并绘制裂纹风险云图(见图5)。

采用得到的裂纹风险云图对轴承钢大方坯中间裂纹萌生风险进行分析。根据中间裂纹形成理论可知，中间裂纹萌生的条件为：铸坯温度处于ZDT～LIT温度区间，且铸坯所受拉应变超过中间裂纹萌生的临界应变。因此，对各工况进行热/力耦合模拟后，首先逐个增量步判断各节点是否满足中间裂纹萌生的条件，再统计各节点满足中间裂纹萌生条件的总增量步数，并以此来表征中间裂纹萌生的风险性。

实施例2

本实施例连铸生产横断面尺寸为300mm×2200mm的Q345E微合金钢宽厚板坯，铸机拉速为0.80m/min，并保持拉速稳定不变；

一种对于本实施例的连铸坯裂纹风险预测的方法，包括以下步骤：

步骤1：选取Q345E钢中间裂纹萌生的临界应变作为裂纹萌生判定准则，具体的本实施例中Q345E钢中间裂纹萌生的临界应变为0.04。

步骤2：根据对微合金宽厚板坯的连铸工艺参数，将连铸过程中的各个设备的几何尺寸导入MSC.Marc有限元软件，在有限元软件中建立从结晶器弯月面开始到空冷区结束的连铸全流程热/力耦合模型，模拟分析微合金宽厚板坯的温度和变形模拟结果。

步骤3：基于微合金钢宽厚板坯中间裂纹萌生的临界裂纹判定准则、温度和变形模拟结果，建立裂纹预测模型并得到中间裂纹风险云图，根据中间裂纹风险云图(见图6)对中间裂纹萌生风险进行分析。

实施例3

本实施例为连铸生产横断面尺寸为200mm×1200mm的TiMo微合金钢，铸机拉速为1.1m/min，并保持拉速稳定不变，宽厚板坯表面角部位置裂纹发生率较高，对铸坯生产影响较大，微合金元素的添加也增加了裂纹敏感性。选取某微合金含量较高的TiMo微合金钢为研究对象，使用该TiMo微合金钢宽厚板坯角部裂纹扩展临界准则、温度和变形模拟结果以及裂纹风险预测模型对角部裂纹扩展的风险性进行分析。

其连铸坯裂纹风险预测的方法，包括以下步骤：

步骤1：选取TiMo微合金钢宽厚板坯角部裂纹扩展的临界应变作为裂纹扩展判定准则。

步骤2：根据TiMo微合金钢的连铸工艺，将连铸工艺中的设备的几何尺寸导入有限元软件，建立从结晶器弯月面开始到空冷区区结束的连铸全流程热/力耦合模型；

步骤3：根据步骤1确定的临界裂纹判定准则和步骤2建立的连铸全流程热/力耦合模型(连铸全流程FEM模型)，建立角部裂纹风险预测模型并得到角部裂纹扩展风险云图，见图7。

Claims

1.一种连铸坯裂纹风险预测的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将连铸坯裂纹萌生或裂纹扩展的临界应变，作为临界裂纹判定准则；

步骤2：根据实际铸机参数提取相应的辊列坐标以及各辊直径，通过有限元软件，建立从结晶器弯月面开始到空冷区结束的连铸全流程热/力耦合模型，模拟分析连铸坯的温度和变形模拟结果；

步骤3：结合步骤1的临界裂纹判定准则和步骤2建立的连铸全流程热/力耦合模型，建立裂纹风险预测模型，对各节点拉应变与临界裂纹判定准则进行对比分析，首先提取监测平面上的各节点在全流程的温度变化历程以及各节点的拉应变变化历程，然后判断各节点在各增量步中是否满足裂纹萌生的条件即温度是否处于裂纹风险温度区间和拉应变是否超过裂纹临界应变，如果满足裂纹萌生的条件则相应位置裂纹风险系数增加1，最后统计得到各节点裂纹风险系数；最后提取监测平面各节点的坐标，并绘制裂纹风险云图。

2.根据权利要求1所述的连铸坯裂纹风险预测的方法，其特征在于，所述的步骤2中，连铸全流程热/力耦合模型建立过程为：首先根据CAD图纸，利用有限元软件MSC.Marc二次开发功能，将提取辊列的各个参数导入有限元软件MSC.Marc建立辊列；然后利用网格划分器划分铸坯实体；最后建立结晶器弯月面到空冷区结束的连铸全流程热/力耦合模型。

3.根据权利要求1所述的连铸坯裂纹风险预测的方法，其特征在于，建立结晶器弯月面到空冷区结束的全流程热/力耦合模型，监测的主要位置为：以拉坯方向铸坯中间面为监测面，该监测面能够较模型中其它位置更为准确反映铸坯变形情况，研究该监测面上各处应变及温度随铸流位置的变化情况。

4.根据权利要求1所述的连铸坯裂纹风险预测的方法，其特征在于，所述的步骤3中，建立裂纹风险预测模型的方法为：通过以MSC.Marc为平台建立的连铸全流程热/力耦合模型，模拟分析铸坯在连铸过程的传热、变形行为；再通过MSC.Marc二次开发接口提取所需数据，并对各节点拉应变与临界裂纹准则进行对比分析；最后得到各节点裂纹风险系数并绘制裂纹风险云图。

5.权利要求1~4任意一项所述的连铸坯裂纹风险预测的方法的应用，其特征在于，通过建立的裂纹风险预测模型对连铸工艺进行优化，通过裂纹风险云图可以看到裂纹产生的位置，以及对铸机弯曲矫直段设计是否合理和连铸压下过程压下量控制进行调控，避免裂纹产生的风险。