Numeryczne modelowanie zjawisk segregacji i pękania wlewka w końcowym etapie ciągłego odlewania stali

Abstract

The main thesis of research was development numerical model of continuous casting process with mechanical soft reduction process. The central segregation occurs in continuously cast ingot influence on mechanical properties, chemical composition and microstructure of final products. Formation and evolution of central segregation in continuously cast ingot dependent on many factors (steel chemistry, casting speed, cooling regime, machine geometry). The researches presented in literature show that segregation in continuous ingot can be decrease by using soft reduction process at the end stage of continuous casting process. Efficiency of soft reduction dependents on the values reduction, contents of liquid phase in center of ingot moreover parameters of continuous casting process. Moreover, the soft reduction process to change the stress-strain state in the slab and it can cause formation cracks on slab surface. The development of optimal parameters of soft reduction process is difficult task. The purpose of this work was develop a numerical FEM model of continuous casting process with soft reduction process and optimization of parameters of soft reduction for industrial example. The proposed numerical model of slabs casting with soft reduction technology takes into ac-count the processes of crystallization, thermal stress, diffusion, macrosegregation and mechanical deformation. Base on developed model continuous casting process a series of computer simulation were performer for the industrial conditions.

Przedmiotem badań było opracowanie modelu numerycznego procesu ciągłego odlewania stali z uwzględnieniem dogniatania wlewka w stanie półciekłym. Istotnym problemem w procesie ciągłego odlewania stali (COS) jest powstawanie segregacji pierwiastków na przekroju wlewka, która wpływa na własności mechaniczne, chemiczne i strukturalne produktów otrzymanych z wlewków ciągłych. Z opublikowanych dotychczas badań wynika, że stopień segregacji pierwiastków we wlewkach ciągłych można obniżyć poprzez dogniatanie wlewka w stanie półciekłym. Podstawową trudnością tej metody jest opracowanie odpowiednich parametrów procesu (np. wielkość gniotu, moment zadania odkształcenia). Przy analizie wpływu procesu dogniatania w stanie półciekłym na segregację pierwiastków należy również uwzględnić parametry maszyny COS (np. prędkość odlewania, warunki chłodzenia), które mają istotny wpływ na zjawisko segregacji. Duża liczba czynników oraz złożoność technologii ciągłego odlewania jak również procesu dogniatania wlewka w stanie półciekłym powodują poważne trudności w doborze parametrów procesu, które efektywnie obniżałyby segregację pierwiastków we wlewku. W oparciu o mechanikę ośrodków ciągłych, teorię wymiany masy i ciepła oraz metodę elementów skończonych opracowano model matematyczny procesu ciągłego odlewania stali, który umożliwił wyznaczenie segregacji pierwiastków we wlewku COS oraz analizę wpływu procesu dogniatania wlewka w stanie półciekłym na obniżenie segregacji we wlewku. Opracowany model ciągłego odlewania stali zaimplementowano do własnego programu komputerowego. Na podstawie zaprojektowanego narzędzia numerycznego przeprowadzono przykładowe symulacje komputerowe procesu ciągłego odlewania stali w których badano wpływ parametrów ciągłego odlewania stali oraz procesu dogniatania wlewka w stanie półciekłym na segregację wybranych pierwiastków oraz zmianę stanu naprężenia i odkształcenia w procesie odlewania ciągłego. Obliczenia przeprowadzono dla wlewków płaskich odlewanych ze stali niskowęglowej. W pracy podjęto próbę optymalizacji parametrów procesu dogniatania wlewka w stanie półciekłym dla których efektywnie zminimalizowana zostanie segregacja pierwiastków i prawdopodobieństwo powstania pęknięć we wlewku ciągłym.