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1、連鑄小方坯熱應力模型的研究程常桂 鄧 康 茅洪祥 摘 要 建立了連鑄小方坯二維傳熱數(shù)學模型及熱彈塑應力模型,并用工廠實際數(shù)據(jù)進行了驗證,同時應用該模型分析了影響連鑄小方坯熱裂紋的因素,提出預防熱裂紋產(chǎn)生的措施。 關(guān)鍵詞 連鑄 傳熱模型 熱應力模型StudyonThermalStressModelofContinuousCastBilletChengChanggui DengKang MaoHongxiang(ShanghaiUniversity) (WuhanUniversityof
2、Science&Technology)Abstract Two-dimensionheattransfermodelandthermalelastic-plasticstressmodelofconcastbillethavebeenestablishedinthispaper,whichhavebeentestedwithpracticaldata.Thefactorscausingthermalfracturesinbilletshavebeenanalyzedviathemodels,andtheprec
3、autionsagainsttheoccurrenceoffractureshavebeenputforwardherein.Keywords continuouscasting heat-transfermodel thermalstressmodel1 前言 自鋼鐵工業(yè)使用連鑄技術(shù)以來,遇到了影響鑄坯質(zhì)量的各種缺陷,有菱變、鼓肚、外部裂紋、內(nèi)部裂紋等,這些缺陷嚴重地影響了鑄坯質(zhì)量,降低了生產(chǎn)效率,提高了生產(chǎn)成本。據(jù)統(tǒng)計,在各種缺陷中約50%為鑄坯裂紋［1］,為了分析連鑄坯的裂紋成因,必須探討其凝固過程及導
4、致裂紋產(chǎn)生的應力性質(zhì)和大小,然后才能依據(jù)裂紋的成因機理提出預防裂紋產(chǎn)生的一系列措施。連鑄過程中鑄坯受到的應力主要在機械應力、鋼水靜壓力和熱應力,其中熱應力較為復雜,它不僅與結(jié)晶器冷卻水量、二冷區(qū)冷卻模式有關(guān),而且還受到鋼水過熱度、拉速等工藝因素的影響,這種熱應力常常是導致小方坯產(chǎn)生中間裂紋的主要因素。因此研究小方坯的熱應力模型具有非常重要的意義。2 模型的建立 連鑄小方坯內(nèi)熱應力主要因連鑄坯內(nèi)溫度場不均勻引起的,因此,首先建立溫度場模型,再在溫度場模型的基礎上建立熱彈塑應力模型,分析連鑄坯內(nèi)部的應力分布。2.
5、1 傳熱模型的建立 由于研究的鑄坯為小方坯,其斷面溫度場近似中心對稱,因此只對八分之一斷面進行溫度場計算,如圖1所示。在一系列假定的基礎上,根據(jù)能量守恒原理推出方坯的傳熱方程如下［2、3］: (1) 其初始條件為:T(x、y,t)｜t=0=Tc;圖1 鑄坯1/8斷面差分網(wǎng)格示意圖 鑄坯中心對稱,其中心線邊界條件為: 鑄坯外部邊界條件為:(i取m、s、a);式中 qm,qs,qa——結(jié)晶器、二冷區(qū)、空冷區(qū)的熱流/J.cm-2.s-1 ρ——鑄坯密度/g.cm-3 C——比熱/s.g-1.℃-1
6、 Tc——澆注溫度/℃; Tw——冷卻水溫度/℃ N——節(jié)點數(shù) x,y——坐標/cm ε——鋼的輻射系數(shù) t——時間/s k——熱傳導系數(shù)/w.cm-1.℃-1 T——溫度/℃ Tsur——鑄坯表面溫度/℃ Ta——環(huán)境溫度/℃ A、B——常數(shù) Δx,Δy——空間步長/cm σ——波爾茲曼常數(shù) 傳熱模型中各參數(shù)取為: (1)鑄坯導熱系數(shù)取為溫度的函數(shù),據(jù)文獻［2～4］,鋼的導熱系數(shù)選定為:k(T)= (2)鑄坯密度依據(jù)鑄坯固相、粘稠、液相區(qū)分別取為:7.6
7、、7.4、7.0g/cm3?！ ?3)液相線溫度和固相線溫度分別取為:Tl=1490℃,TS=1398℃。 (4)考慮凝固潛熱的影響,凝固潛熱Lf為:259.0J/g,比熱在不同溫度區(qū)間取為不同值: T＜Ts:Cs=0.711J/(g.℃) T＞Tl:Cl=0.878J/(g.℃) Ts≤T≤Tl: (5)鑄坯向外界輻射傳熱的黑度系數(shù)ε取為0.8?！ ±糜邢薏罘址椒▽ι鲜鰝鳠岱匠糖蠼饧纯傻玫叫》脚鞯臏囟葓龇植?。2.2 應力模型的建立 在建立應力模型過程中作出如下假定: (1)忽略蠕變的影響,
8、考慮到鋼在高溫下極易發(fā)生塑性變形,采用熱、彈、塑應力模型對鑄坯凝固殼熱應力進行分析； (2)鑄坯因熱應力作用變形較小,假定材料滿足小變形理論［5］； (3)假定鑄坯斷面處于平面應力狀態(tài)； (4)假定鑄坯的高溫力學性能是溫度的函數(shù)［6,7］； (5)用米賽斯(Mises)屈服準則描述鋼的屈服極限； (6)用普朗特-路斯(Prandtl-Reuss)塑性流動增量理論來描述鋼在塑性
