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1、连铸小方坯热应力模型的研究程常桂 邓 康 茅洪祥 摘 要 建立了连铸小方坯二维传热数学模型及热弹塑应力模型,并用工厂实际数据进行了验证,同时应用该模型分析了影响连铸小方坯热裂纹的因素,提出预防热裂纹产生的措施。 关键词 连铸 传热模型 热应力模型StudyonThermalStressModelofContinuousCastBilletChengChanggui DengKang MaoHongxiang(ShanghaiUniversity) (WuhanUniversityof
2、Science&Technology)Abstract Two-dimensionheattransfermodelandthermalelastic-plasticstressmodelofconcastbillethavebeenestablishedinthispaper,whichhavebeentestedwithpracticaldata.Thefactorscausingthermalfracturesinbilletshavebeenanalyzedviathemodels,andtheprec
3、autionsagainsttheoccurrenceoffractureshavebeenputforwardherein.Keywords continuouscasting heat-transfermodel thermalstressmodel1 前言 自钢铁工业使用连铸技术以来,遇到了影响铸坯质量的各种缺陷,有菱变、鼓肚、外部裂纹、内部裂纹等,这些缺陷严重地影响了铸坯质量,降低了生产效率,提高了生产成本。据统计,在各种缺陷中约50%为铸坯裂纹［1］,为了分析连铸坯的裂纹成因,必须探讨其凝固过程及导
4、致裂纹产生的应力性质和大小,然后才能依据裂纹的成因机理提出预防裂纹产生的一系列措施。连铸过程中铸坯受到的应力主要在机械应力、钢水静压力和热应力,其中热应力较为复杂,它不仅与结晶器冷却水量、二冷区冷却模式有关,而且还受到钢水过热度、拉速等工艺因素的影响,这种热应力常常是导致小方坯产生中间裂纹的主要因素。因此研究小方坯的热应力模型具有非常重要的意义。2 模型的建立 连铸小方坯内热应力主要因连铸坯内温度场不均匀引起的,因此,首先建立温度场模型,再在温度场模型的基础上建立热弹塑应力模型,分析连铸坯内部的应力分布。2.
5、1 传热模型的建立 由于研究的铸坯为小方坯,其断面温度场近似中心对称,因此只对八分之一断面进行温度场计算,如图1所示。在一系列假定的基础上,根据能量守恒原理推出方坯的传热方程如下［2、3］: (1) 其初始条件为:T(x、y,t)｜t=0=Tc;图1 铸坯1/8断面差分网格示意图 铸坯中心对称,其中心线边界条件为: 铸坯外部边界条件为:(i取m、s、a);式中 qm,qs,qa——结晶器、二冷区、空冷区的热流/J.cm-2.s-1 ρ——铸坯密度/g.cm-3 C——比热/s.g-1.℃-1
6、 Tc——浇注温度/℃; Tw——冷却水温度/℃ N——节点数 x,y——坐标/cm ε——钢的辐射系数 t——时间/s k——热传导系数/w.cm-1.℃-1 T——温度/℃ Tsur——铸坯表面温度/℃ Ta——环境温度/℃ A、B——常数 Δx,Δy——空间步长/cm σ——波尔兹曼常数 传热模型中各参数取为: (1)铸坯导热系数取为温度的函数,据文献［2～4］,钢的导热系数选定为:k(T)= (2)铸坯密度依据铸坯固相、粘稠、液相区分别取为:7.6
7、、7.4、7.0g/cm3。 (3)液相线温度和固相线温度分别取为:Tl=1490℃,TS=1398℃。 (4)考虑凝固潜热的影响,凝固潜热Lf为:259.0J/g,比热在不同温度区间取为不同值: T＜Ts:Cs=0.711J/(g.℃) T＞Tl:Cl=0.878J/(g.℃) Ts≤T≤Tl: (5)铸坯向外界辐射传热的黑度系数ε取为0.8。 利用有限差分方法对上述传热方程求解即可得到小方坯的温度场分布。2.2 应力模型的建立 在建立应力模型过程中作出如下假定: (1)忽略蠕变的影响,
8、考虑到钢在高温下极易发生塑性变形,采用热、弹、塑应力模型对铸坯凝固壳热应力进行分析； (2)铸坯因热应力作用变形较小,假定材料满足小变形理论［5］； (3)假定铸坯断面处于平面应力状态； (4)假定铸坯的高温力学性能是温度的函数［6,7］； (5)用米赛斯(Mises)屈服准则描述钢的屈服极限； (6)用普朗特-路斯(Prandtl-Reuss)塑性流动增量理论来描述钢在塑性
