本發(fā)明涉及鋼鐵冶煉，尤其涉及一種確定壓下工藝對(duì)中心偏析定量影響的數(shù)值方法。

背景技術(shù)：

1、中心偏析作為連鑄過(guò)程中鑄坯存在主要缺陷之一，其很難通過(guò)后續(xù)的加熱爐均勻化熱處理和軋制完全消除，最終將遺傳至軋材造成產(chǎn)品性能不足；此問(wèn)題已成為制約連鑄坯高質(zhì)量生產(chǎn)的一個(gè)主要因素，特別是對(duì)于高品質(zhì)特殊鋼生產(chǎn)。目前已有研究表明，解決鑄坯中心偏析缺陷需從源頭鋼液連鑄凝固過(guò)程入手，主要手段有：低過(guò)熱度澆鑄、控制適宜拉速、優(yōu)化二次冷卻區(qū)比水量、結(jié)晶器和末端電磁攪拌以及輕/重壓下工藝等。在諸多減輕鑄坯中心偏析的方法中，輕/重壓下工藝因其對(duì)鑄坯宏觀偏析和致密度均有顯著改善效果而在高品質(zhì)連鑄坯生產(chǎn)中獲得廣泛應(yīng)用。其原理為通過(guò)在連鑄坯末端施加一定壓下力用以抵消鑄坯體積收縮，同時(shí)壓下產(chǎn)生的擠壓作用促使液芯富集溶質(zhì)的鋼液向鑄坯上游流動(dòng)，使得溶質(zhì)元素在鋼液中重新分配，最終達(dá)到改善中心偏析和提升鑄坯致密度的作用。

2、雖然輕/重壓下工藝對(duì)于解決鑄坯中心偏析問(wèn)題具有顯著效果，但在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用該工藝并達(dá)到最佳實(shí)施效果還需對(duì)壓下技術(shù)的關(guān)鍵工藝參數(shù)(壓下區(qū)間、壓下量和壓下率)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)控，例如壓下區(qū)間太靠前，凝固坯殼過(guò)薄，鑄坯容易出現(xiàn)裂紋甚至壓漏，壓下區(qū)間太靠后，凝固坯殼太厚，則無(wú)法起到改善中心偏析的效果。要實(shí)現(xiàn)壓下工藝參數(shù)的優(yōu)化已到達(dá)最佳降低中心偏析的效果，必須獲得實(shí)施輕/重壓下后鑄坯的中心偏析指數(shù)作為反饋調(diào)控的依據(jù)。

3、目前，已有文獻(xiàn)中確定受壓下作用后鑄坯中心偏析指數(shù)最常用方法為通過(guò)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)取鑄坯試樣，然后獲取鉆屑樣并進(jìn)行溶質(zhì)元素檢測(cè)，最終得到鑄坯中心偏析指數(shù)；該方法能夠直接測(cè)得實(shí)際鑄坯的中心偏析，更可靠，但存在的主要問(wèn)題是成本高，過(guò)程繁瑣周期偏長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)壓下工藝參數(shù)的調(diào)控明顯滯后。而對(duì)現(xiàn)有涉及壓下和偏析的專利進(jìn)行檢索，其結(jié)果如下所示。

4、現(xiàn)有技術(shù)中，專利申請(qǐng)?zhí)枮閏n202311517739.5，專利名稱為“改善高碳低合金鋼宏觀和半宏觀偏析的壓下控制方法”，其主要是在連鑄壓下區(qū)域內(nèi)，通過(guò)鑄坯中心固相率的變化來(lái)控制壓下量，其壓下區(qū)間的中心固相率為0.09-1.0，總壓下量為10mm，中心固相率小于0.4所對(duì)應(yīng)的連鑄壓下區(qū)域內(nèi)總壓下量不小于1mm且不大于2mm；該專利通過(guò)控制連鑄坯不同固相率對(duì)應(yīng)的壓下量實(shí)現(xiàn)抑制等軸晶區(qū)域的宏觀偏析和半宏觀點(diǎn)狀偏析形成。其集中在壓下量的控制，并未涉及壓下后鑄坯中心偏析指數(shù)的確定。

5、專利申請(qǐng)?zhí)枮閏n202310863839.7，專利名稱為“一種改善方坯曲軸鋼偏析的壓下方法”，對(duì)全程保護(hù)澆注、恒拉速方坯連鑄機(jī)的壓下區(qū)域，在方坯固相率為65％-95％的區(qū)間中以接近臨界應(yīng)變率確定最大壓下率并作為此區(qū)域入口處的壓下率，之后沿拉坯方向逐漸減?。淮送?，當(dāng)拉速增加時(shí)減小平均壓下率以及時(shí)壓下，從而最大限度利用壓下作用，避免壓下區(qū)域過(guò)于偏向液相區(qū)而無(wú)法發(fā)揮改善中心偏析的作用，壓下區(qū)域偏向固相區(qū)導(dǎo)致對(duì)方坯內(nèi)部質(zhì)量不利，最終實(shí)現(xiàn)降低中心偏析的目的。該專利從壓下率入手調(diào)控壓下參數(shù)進(jìn)而改善中心偏析，同樣未涉及定量確定壓下對(duì)中心偏析影響。

6、專利申請(qǐng)?zhí)枮閏n201910173761.x，專利名稱為“一種基于坯殼鼓肚和機(jī)械壓下的厚板坯宏觀偏析計(jì)算方法”，其主要是針對(duì)厚板坯在機(jī)械壓下過(guò)程中產(chǎn)生坯殼鼓肚時(shí)，經(jīng)過(guò)繁復(fù)的數(shù)學(xué)擬合確定鑄坯鼓肚形貌，然后在此基礎(chǔ)上構(gòu)建厚板坯宏觀偏析計(jì)算模型并進(jìn)行相關(guān)模擬計(jì)算，研究厚板坯凝固末端機(jī)械壓下工藝參數(shù)、鑄坯坯殼鼓肚的非對(duì)稱分布等因素對(duì)富集溶質(zhì)鋼液流動(dòng)與宏觀偏析行為的影響規(guī)律。本發(fā)明主要針對(duì)厚板坯受壓下出現(xiàn)鼓肚過(guò)程進(jìn)行分析，方法的普適性受限；該專利研究的是鼓肚抽吸引起的偏析，并不是壓下擠壓導(dǎo)致富集鋼液向上游回流，機(jī)理不同；另外，在確定鼓肚形貌時(shí)采用的是直接依據(jù)各輥壓下量采用數(shù)學(xué)公式計(jì)算擬合獲得，過(guò)程繁復(fù)存在較大的經(jīng)驗(yàn)性，未能考慮不同工況下壓下作用向鑄坯芯部傳遞時(shí)的衰減作用；最后，本發(fā)明是先確定坯殼鼓肚形貌再進(jìn)行傳質(zhì)計(jì)算，相當(dāng)于只是在未考慮鼓肚模型基礎(chǔ)上把幾何模型形狀改變后再模擬，對(duì)于抽吸作用體現(xiàn)不足。發(fā)明專利cn201910182561.0提供了一種大方坯凸形輥連鑄重壓下偏析行為預(yù)測(cè)方法，該方法和專利cn201910173761.x原理基本一致，僅是研究對(duì)象和條件不同，其同樣存在過(guò)程繁復(fù)存經(jīng)驗(yàn)性強(qiáng)，對(duì)壓下作用衰減考慮不足以及再進(jìn)行傳質(zhì)計(jì)算時(shí)僅是更換模型幾何形狀，未能很好體現(xiàn)壓下造成溶質(zhì)富集鋼液回流這一機(jī)理等缺點(diǎn)。

7、綜上所述，目前對(duì)于確定連鑄輕/重壓下對(duì)鑄坯中心偏析影響存在以下不足之處，大多數(shù)關(guān)于壓下對(duì)鑄坯偏析影響的研究都集中在合理的壓下參數(shù)確定及壓下裝備設(shè)計(jì)；已有的確定壓下對(duì)中心偏析定量影響的基本為生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)取樣進(jìn)行檢測(cè)，很少有通過(guò)數(shù)值仿真進(jìn)行預(yù)測(cè)；而發(fā)表的結(jié)合數(shù)值仿真研究壓下對(duì)中心偏析影響的成果，其過(guò)程繁瑣實(shí)現(xiàn)難度大，另外其傳質(zhì)模擬過(guò)程不能很好體現(xiàn)壓下擠壓造成溶質(zhì)富集鋼液回流而改善中心偏析這一機(jī)理。鑒于此，本發(fā)明提出了一種確定壓下工藝對(duì)中心偏析定量影響的數(shù)值方法，該方法具有獨(dú)創(chuàng)性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種確定壓下工藝對(duì)中心偏析定量影響的數(shù)值方法，獲得施加輕/重壓下前后連鑄坯中心偏析的定量變化規(guī)律，從而為壓下效果評(píng)價(jià)提供重要依據(jù)，明確了連鑄過(guò)程中輕/重壓下工藝對(duì)鑄坯內(nèi)部質(zhì)量改善效果，適用于板坯、方坯、圓坯的連鑄過(guò)程中的輕/重壓下工藝。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

3、一種確定壓下工藝對(duì)中心偏析定量影響的數(shù)值方法，通過(guò)連鑄流動(dòng)、凝固傳熱和傳質(zhì)耦合即為模型ⅰ，模擬獲得鑄坯溫度場(chǎng)、溶質(zhì)分布及中心偏析指數(shù)，將溫度場(chǎng)作為熱載荷，經(jīng)鑄坯壓下熱-力耦合即為模型ⅱ，仿真得到芯部鋼液體積變化量；基于溶質(zhì)分布和芯部鋼液體積變化量計(jì)算壓下結(jié)束時(shí)鑄坯溶質(zhì)含量，再將壓下結(jié)束時(shí)鑄坯溶質(zhì)含量作為入口邊界，進(jìn)行局部流動(dòng)、凝固傳熱和傳質(zhì)耦合即為模型ⅲ，模擬獲得鑄坯完全凝固時(shí)中心偏析指數(shù)與壓下前后偏析變化量。

4、以固相率fs作為固液兩相界面，基于模型ⅰ的計(jì)算結(jié)果求得未壓下時(shí)芯部鋼液體積，利用模型ⅱ的結(jié)果得到施加了壓下后鑄坯芯部體積，最終確定芯部鋼液體積變化量，公式如下：

5、δv＝v0-v1?①

6、公式①中，v0表示未壓下時(shí)芯部鋼液體積，v1表示壓下后鑄坯芯部體積，δv表示芯部鋼液體積變化量。

7、基于模型ⅰ中溶質(zhì)分布獲得壓下前鑄坯橫截面上溶質(zhì)平均含量及整個(gè)壓下區(qū)間溶質(zhì)體積平均含量，再利用芯部鋼液體積變化量獲得壓下結(jié)束時(shí)鑄坯溶質(zhì)含量，公式如下：

8、w1＝w0-δv×waverage?②

9、公式②中，w0表示壓下前鑄坯橫截面上溶質(zhì)平均含量，waverage表示整個(gè)壓下區(qū)間溶質(zhì)體積平均含量，δv表示芯部鋼液體積變化量，w1表示壓下結(jié)束時(shí)鑄坯溶質(zhì)含量。

10、以壓下結(jié)束時(shí)溶質(zhì)平均含量作為初始條件，進(jìn)行連鑄流動(dòng)、凝固傳熱和傳質(zhì)耦合的局部仿真，獲得鑄坯完全凝固時(shí)中心偏析指數(shù)，壓下工藝對(duì)鑄坯中心偏析的定量影響，公式如下：

11、δs＝s0-s1?③

12、公式③中，s1表示鑄坯完全凝固時(shí)中心偏析指數(shù)，δs表示壓下前后偏析變化量，s0表示中心偏析指數(shù)。

13、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

14、1、通過(guò)流動(dòng)、凝固傳熱與傳質(zhì)多場(chǎng)耦合數(shù)學(xué)模型和熱-力耦合有限元數(shù)學(xué)模型相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了數(shù)值仿真計(jì)算實(shí)施輕/重壓下后連鑄坯中心偏析指數(shù)，有助于定量評(píng)價(jià)壓下工藝對(duì)中心偏析的改善效果，從而為壓下工藝參數(shù)的優(yōu)化提供技術(shù)支撐；

15、2)在仿真計(jì)算的中心偏析指數(shù)基礎(chǔ)上，能夠定量評(píng)價(jià)壓下工藝對(duì)連鑄坯質(zhì)量的改善效果，與傳統(tǒng)通過(guò)工業(yè)試驗(yàn)確定壓下工藝對(duì)中心偏析影響相比，本發(fā)明中的方案更為便捷，并可以為連鑄過(guò)程中壓下方案的設(shè)計(jì)與壓下參數(shù)的調(diào)控提供理論基礎(chǔ)；

16、3)利用數(shù)值仿真確定輕/重壓下對(duì)中心偏析定量影響，可為壓下工藝參數(shù)優(yōu)化提供理論與技術(shù)指導(dǎo)，采用本發(fā)明不僅能明顯縮短壓下工藝設(shè)計(jì)和調(diào)整周期，而且能減少工業(yè)試驗(yàn)，從而節(jié)約成本。