应用CSP技术生产不锈钢的基础研究

论文摘要

利用CSP工艺生产不锈钢可极大地提高产品的市场竞争力，而目前国内利用CSP工艺生产不锈钢尚属空白，国外相关研究也鲜见报导。本文根据不锈钢的生产技术需求和薄板坯连铸技术的发展实际，首次采用数值模拟和离线实验相结合的方法，探讨了应用CSP技术生产不锈钢的可能性。首先，在详细推导了流热耦合湍流有限差分方程的基础上，借助商业软件包ANSYS-CFX4，并通过二次代码开发，采用焓热法并结合了流体流动与热量传递的相互影响，建立了CSP连铸过程的三维流热耦合模型。在此基础上首次模拟研究了CSP连铸机生产1Cr18Ni9Ti不锈钢的结晶器内和二次冷却段的流场和温度场，探讨了应用CSP技术生产不锈钢过程中钢液的流动和凝固行为。目前计算整个连铸凝固过程一般采用有效导热模型，尽管在校正后，可给出铸坯的表面温度和坯壳的厚度，但是通过扩大有效导热系数来考虑流动对传热和凝固的影响，不能客观地反映铸坯内部的流体流动、传热和凝固之间的相互作用；而新近发展的耦合求解模型又很少考虑二冷中的凝固过程及流动行为对最终凝固过程影响。本文模型主要特点有：（a）用于建立模型的数据取自于工厂的实际参数，使模型更为准确和可靠；（b）在计算可能的情况下，最小程度的采用简化条件，如：拟合了CSP漏斗型结晶器的复杂壁面方程，采用了近似的侧开孔水口造型，以及函数变化的结晶器热流密度和二冷区换热系数；（c）计算域延伸至整个二冷喷水区域；（d）考虑了液相区和两相区的流体流动对凝固的影响。其次，在国内尚不具备直接研究CSP生产的不锈钢条件下，利用实验室离线实验研究了不锈钢在不同冷却速度下的凝固特点及组织和性能变化，并在此基础上讨论了CSP薄板坯连铸条件下不锈钢的凝固特性和组织特点。最后，在系统的对比研究CSP生产线在LCR工艺和非LCR工艺条件下SPA-H钢铸坯和成品板的室温组织及性能基础上，首次探讨了LCR技术对CSP不锈钢铸坯质量的影响。在上述工作的基础上，从技术角度对CSP工艺生产不锈钢形成以下认识：（1）数值模拟研究表明，凝固坯壳形成对钢液在CSP薄板坯连铸结晶器内流动的影响较大，钢液在结晶器内形成明显的上下涡旋，涡旋形态与中厚板类似，但下涡旋区受到水口注流压缩变小，上涡旋区也相应扩大。整个流场涡旋基本控制在结晶器内，出结晶器后流速趋于平均，呈现活塞流流态。对应钢水射流区域的发展，水口下方由于钢液过热存在一个高温区。随着钢液在结晶器内腔的冲击深入和强烈对流，过热也逐渐扩散而消失。在铸坯凝固末端呈现锯齿形温度分布，伴随二冷段的延伸，这种非均匀性在二冷区逐渐消失。另外，在靠近熔池液面和窄面交接处发现了存在二次涡现象，该结果在同类研究工作中还不多见，其冶金特征和影响有待进一步深入研究。（2）与碳钢的CSP连铸过程相比，由于不锈钢液的粘度较大，在同拉速下不锈钢的CSP连铸过程中水口流出的流股要弱于碳钢，向上的速度相对变小，钢液表面波动减缓；由于不锈钢液的导热性较差，在同过热度条件下不锈钢的液相穴的深度要大于碳钢，铸坯内部的温降过程相对缓慢，难以形核，熔体中温度梯度大，因此，不锈钢的CSP铸坯组织中柱状晶区较为发达。（3）凝固坯壳厚度随拉速或过热度的增加而减小，随二次冷却水量的增加而增加，低拉速的情况下过热度对坯壳厚度影响较大。水口浸入深度对坯壳厚度的影响不大，但对整个流场的形态影响较为显著。在对坯壳厚度影响因素中，拉速是主要影响因素，其次是二冷水量的大小，过热度的影响较小。薄板坯连铸的结晶器出口处坯壳很薄，应尽量采取低过热度浇注。二冷水量与拉速要相匹配，在保证一定的结晶器出口坯壳厚度和不产生裂纹的情况下可适当提高拉速，并相应增加二冷水量。冶金长度随二冷水量的增加变短，随拉速的增加或过热度的增加变长，但过热度对冶金长度的影响较小，拉速对冶金长度的影响则是很明显的。（4）离线实验研究表明，不锈钢凝固组织和性能与冷却条件有密切关系。1Cr18Ni9Ti钢凝固组织随冷却速度的增加而细化，强度也随之升高，在冷速为10℃／s左右时，抗拉强度达到990MPa左右，延伸率达到33％。冷速继续增加，晶粒细化和强度提高趋缓。不锈钢的凝固形态比较复杂，在凝固和冷却过程中存在多个区间的脆性温度区。在高温脆性区铸坯表层受拉应力作用，内部受压应力作用；在中温脆性区正好相反。在CSP的不锈钢铸坯结构中，应主要以较细密的柱状晶构成，而较难有中心等轴晶区的出现。且由于CSP薄板坯的冷却强度远远大于传统的板坯，其原始铸态组织晶粒比传统板坯更细、更均匀，为最终成品板材组织的细化创造了条件。另外，因为拉坯速度快，减少了在脆性区间和γ＋δ两相区的停留时间，因此降低了不锈钢铸坯的裂纹产生的可能性。（5）运用定量金相和概率论知识，在对晶粒形状作出合理假设的基础上，针对CSP薄板坯成品板材凝固组织，提出了柱状晶粒三维尺寸的表征表达式，实测并计算表明，在CSP工艺下，SPA-H钢板材晶粒轴长平均尺寸为9μm左右，长度平均尺寸为12μm左右，各方向上晶粒表征尺寸以5～15μm为主，约占全部晶粒的90％。其成品板材性能优越，强度达到525MPa左右，延伸率接近33％。LCR工艺与非LCR工艺相比较，铸坯表面组织和内部组织有较明显的差异；在两种工艺下，铸坯和板材的性能都有一定差异。但因为液芯压下只有一道次且压下量较小，经过6道次热轧后两种工艺下的成品板组织和性能差别不明显。CSP工艺下铸坯的宏观偏析很少，主要是C、P元素偏析，偏析比在1.1以内，而经LCR工艺后偏析程度更小。磁粉探测铸坯有表面裂纹，裂纹较浅，数量很少；超声波检测铸坯中的各种缺陷和夹杂以中心对称分布，铸坯中心出现不规则坑状缺陷，主要是中心疏松；夹杂物以铝酸盐为主，钙处理后都呈球形，多数小于5μm，不会对钢材质量产生较大影响。可以预见通过合理采用LCR技术，能够改善不锈钢内部结晶组织，消除或者减少不锈钢在薄板坯连铸过程中出现的多数缺陷，最终提高不锈钢产品质量。上述实验和数值模拟研究结果表明，通过制定合理的连铸生产制度和相关工艺参数，在国内应用CSP工艺生产不锈钢是可行可为的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 薄板坯连铸连轧技术的发展
• 1.1.1 薄板坯连铸连轧的特点及技术优势
• 1.1.2 典型的薄板坯连铸连轧工艺技术
• 1.2 CSP薄板坯连铸连轧工艺
• 1.2.1 CSP工艺产生的技术出发点
• 1.2.2 CSP连铸的几项核心技术
• 1.2.3 CSP工艺特点
• 1.3 不锈钢及其连铸生产工艺
• 1.3.1 不锈钢生产背景
• 1.3.2 不锈钢连铸生产工艺技术
• 1.4 课题研究意义及内容
• 1.4.1 课题背景及意义
• 1.4.2 课题研究的内容
• 第2章 CSP薄板坯连铸凝固传热过程数值模拟
• 2.1 薄板坯连铸的凝固冷却过程
• 2.1.1 薄板坯连铸过程钢液的流动行为
• 2.1.2 薄板坯结晶器内的凝固传热行为
• 2.1.3 二次冷却区的传热
• 2.2 薄板坯连铸过程中的流动及凝固传热行为研究进展
• 2.2.1 薄板坯冷态物理模拟研究的基本情况
• 2.2.2 数值模拟研究的优势
• 2.2.3 连铸过程数值模拟的研究进展
• 2.2.4 薄板坯数值模拟研究的基本情况
• 2.3 CSP连铸过程中的传输行为数学模型的建立
• 2.3.1 模型计算平台
• 2.3.2 模型建立所考虑的基本现象
• 2.3.3 流动模型的建立
• 2.3.4 传热凝固模型的建立
• 2.4 相关数值计算方法
• 2.4.1 控制方程的离散化
• 2.4.2 差分方程的求解
• 2.5 CSP连铸过程的计算条件
• 2.5.1 模型建立的基本假设
• 2.5.2 数学模型的几何建立
• 2.5.3 模型计算中参数的选择及处理
• 2.5.4 模型的计算条件
• 2.5.5 计算步骤框图
• 2.6 凝固过程传输行为分析
• 2.6.1 结晶器内流场的基本特征
• 2.6.2 温度场及凝固过程预测
• 第3章 影响凝固行为预测结果的重要模型参数理论分析
• 3.1 湍流模型的选取
• 3.1.1 选用的流体数值仿真模型
• 3.1.2 模型预测结果比较及分析
• 3.1.3 流体数值仿真模型的选取
• 3.2 传输行为的相互作用
• 3.2.1 多场耦合的意义
• 3.2.2 传热及凝固对流场的影响
• 第4章 主要工艺参数对CSP生产不锈钢铸坯凝固过程传输行为的影响
• 4.1 不锈钢物性参数选择
• 4.1.1 液固相线温度的确定
• 4.1.2 其他相关物性参数的选择和确定
• 4.2 CSP生产不锈钢连铸过程流场及温度分布特征
• 4.3 工艺参数变化对流场及温度分布的影响
• 4.3.1 拉速的影响
• 4.3.2 过热度的影响
• 4.3.3 水口浸入深度的影响
• 4.3.4 冷却水流量的影响
• 4.4 数模小结
• 4.4.1 数模实验相关研究结论
• 4.4.2 数值模拟应用中所面临的问题
• 第5章 不锈钢凝固特性与铸态组织及性能的研究
• 5.1 Cr18Ni9Ti不锈钢的组织和性能特点
• 5.2 Cr18Ni9Ti不锈钢凝固特性研究
• 5.2.1 凝固特性测试装置
• 5.2.2 1Cr18Ni9Ti不锈钢冷却曲线分析
• 5.2.3 铸件厚度与凝固时间的关系
• 5.2.4 形核过冷度与冷却速度的关系
• 5.2.5 1Cr18Ni9Ti不锈钢凝固特性分析
• 5.3 1Cr18Ni9Ti不锈钢铸态组织研究
• 5.3.1 铸态凝固组织的宏观特征
• 5.3.2 铸态凝固组织的微观形态
• 5.3.3 冷却速度对枝晶微观结构的影响
• 5.3.4 组织相分析
• 5.3.5 CSP生产的不锈钢铸坯的凝固组织推演
• 5.4 1Cr18Ni9Ti不锈钢铸态力学性能研究
• 5.5 本章小结
• 第6章 LCR技术的应用对CSP的产品质量的影响
• 6.1 LCR技术简介
• 6.1.1 LCR技术发展背景及工艺原理
• 6.1.2 国内外LCR技术研究概况
• 6.2 LCR技术对SPA-H钢质量影响的研究
• 6.2.1 实验材料的取样
• 6.2.2 实验方案及测试设备
• 6.2.3 无损检测结果
• 6.2.4 缺陷及夹杂物对比
• 6.2.5 成分偏析对比
• 6.2.6 显微组织分析
• 6.2.7 板材三维晶粒尺寸
• 6.2.8 组织细化分析
• 6.2.9 力学性能对比
• 6.3 LCR技术对CSP不锈钢产品质量影响的探讨
• 6.4 本章小结
• 第7章 珠钢CSP生产不锈钢的可行性分析
• 7.1 背景分析
• 7.1.1 市场需求
• 7.1.2 CSP生产成本及质量优势
• 7.1.3 珠钢技术、人员和设备优势
• 7.2 珠钢CSP生产不锈钢的可行性初探
• 第8章 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢