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H型钢具有优良的承载性能,作为重要的结构材料在工业领域中已经广泛应用。异形坯连铸及其轧制工艺可降低H型钢的生产成本,具有明显的经济效益。但是,异形坯断面形状不规则,连铸的均匀冷却较难控制,而且凝固收缩复杂,生产中的表面和内部裂纹问题比较突出。异形坯连铸凝固行为与铸坯质量有密切联系,详细考虑异形坯的连铸工艺特点,研究异形坯的凝固冷却模式,并进行微观枝晶生长的模拟分析,对铸坯质量的提高有重要意义。 本文以某钢厂异形坯连铸过程为研究对象,对异形坯的凝固行为进行了多尺度模拟。在详细考虑二冷复杂传热边界条件的基础上,从宏观尺度仿真分析了异形坯连铸凝固过程的传热和收缩行为,采用宏微观耦合的方法模拟了异形坯凝固组织的形成过程,并从微观角度研究了连铸界面局域平衡凝固条件下的三维枝晶的生长形貌、溶质微观偏析、温度分布和择优取向生长等特点。本文的研究特色和主要成果如下: ①建立了基于异形坯连铸二次冷却特征的二维有限元传热模型,详细考虑了异形坯连铸二冷区拉坯方向和断面周向上的传热边界条件,理论研究并确定了铸坯表面水流密度分布的计算方法。根据异形坯实际连铸工艺,在拉坯方向上,将二冷区划分为夹辊接触传热区、辐射传热区、喷淋水传热区和水聚集蒸发传热区;在断面周向上,研究并计算了铸坯表面特征位置的水流密度分布,并根据喷嘴靶距和喷射角确定了同一传热区内横向上可能存在的不同传热方式;在有限元传热模型基础上,用Visual Basic语言开发了异形坯连铸二冷仿真通用软件。 根据异形坯特殊的形状和散热条件,研究并确定了异型坯连铸二冷拉坯方向、内外弧和断面周向上的冷却策略;建立了异形坯连铸的均匀二次冷却准则;利用异形坯连铸传热仿真通用软件模拟了Q235钢异形坯1.0m/min拉速下不同凝固时期断面温度场和表面温度在纵/横向上的变化规律,并基于均匀冷却模式对二冷结构和冷却水量进行了优化,铸坯横向上温度均匀性得到明显改善;最终,在异形坯均匀冷却策略、均匀二冷准则和仿真软件计算的基础上,得到了Q235钢异形坯的二冷配水模型。 ②以MSC.Marc有限元软件为仿真平台,建立了异形坯连铸凝固过程的热应力应变模型,仿真分析了铸坯在冷却过程中的高温应变状态,制定了亚包晶钢Q235和过包晶钢25MnK异形坯特征位置的二冷辊缝收缩曲线。模型中,异形坯温度场传热边界上的热流密度由异形坯连铸传热通用仿真软件读入,保证了传热边界条件的准确性;测试了两类钢种的高温应力应变曲线,并得到了相关高温力学性能参数;根据钢种凝固路径和合金收缩影响系数,计算得到了两类钢种高温相变区的热膨胀系数。利用模型仿真分析了Q235钢和25MnK钢异形坯不同凝固时期的等效应变分布;用瞬时应变率定量表征了冷却强度和高温相变对铸坯收缩和裂纹发生率的影响;制定的异形坯二冷辊缝收缩曲线在实际生产中得到了应用。 ③建立了异形坯凝固组织的二维有限元(FE)与元胞自动机(CA)宏微观耦合模型,研究了异形坯实际连铸条件下柱状晶和等轴晶的生长规律。模型采用双精度线性插值法实现了宏观FE网格与微观CA元胞温度场的耦合计算;用连续形核模型和KGT模型分别确定了熔体的形核率和枝晶尖端生长速率,并用概率模型描述了枝晶的择优取向生长。利用二维FE-CA耦合模型仿真分析了过热度和拉速对铸坯柱状晶和等轴晶分布的影响规律。 ④基于界面局域平衡凝固条件,建立了三维微观枝晶生长的FE-CA耦合模型,以凝固前沿固液相Gibbs自由能差作为界面移动的热力学驱动力;建立了一种新的三维枝晶沿任意<100>晶向生长的邻居捕捉机制,并引入界面加权平均曲率修正了CA模型中界面曲率的各向异性,解决了CA模型网格对晶体生长方向的限制问题。利用三维FE-CA耦合模型模拟了二元合金Fe-1.5wt.％C在等温和非等温条件下的枝晶生长形貌、溶质偏析和温度分布等微观参数;将模型得到的枝晶尖端生长速率和二次枝晶臂间距与LGK解析模型和定向凝固实验数据进行了对比,验证了模型的正确性;模拟了不同过冷度下枝晶沿不同<100>晶向生长的形貌和溶质微观偏析特点,模型结果得到了Gandin解析模型的验证。 综上所述,本文围绕异形坯连铸的凝固冷却模式,从传热、高温应力应变和凝固组织三个方面对异形坯连铸过程进行了模拟研究,为异形坯连铸工艺的制定和优化提供了理论依据,论文的相关成果已经在实际生产中得到应用;同时,从热力学角度研究了三维微观枝晶的生长机理,实现了CA模型对连铸等常规工艺下凝固微观参数的定量分析,为凝固微观枝晶生长的模拟研究提供了新的思路。