Более широкое применение проката из стали отлитой методом
непрерывного литья требует особого внимания к вопросам связанным
с управлением качеством непрерывнолитого слитка. Одним из
технологическим приёмом, позволяющим решить эти вопросы, является
«мягкое обжатие». Сущность данного технологического приема состоит в
том, что слиток получает обжатие несколькими парами роликов в области
окончательного затвердевания слитка, в то время как его сердцевина
находится в двухфазном состоянии. При этом устраняются осевые пористость и ликвация.
Принципиальное значение при разработке технологии «мягкого обжатия» имеет вопрос правильного определения напряженно-деформированного состояния непрерывнолитого слитка возникающего в зоне обжатия роликами.
При этом, формируемые напряжения не должны превышать критические значения. В противном случае, в слитке могут образоваться наружные и внутренние трещины, приводящие к ухудшению его качества.
Напряженно-деформированное состояние непрерывнолитого слитка в зоне редуцирования определяется тремя составляющими:
- Термическими напряжениями, которые возникают из-за перепада температуры по сечению слитка; ;
- Напряжения, возникающие от действия ферростатического давления жидкого металла;
- Напряжения, возникающие от деформации металла валками. В общем случае, для моделирования необходимо знать геометрические размеры слитка, распределение температуры по его сечению, зависимость механических свойств стали от температуры, технологические параметры процесса, а также критерии по которым будет оцениваться правильность результатов. Расчет производился для непрерывнолитого блюма сечением 355Х400 мм из стали 09Г2С. Для определения распределения температур по сечению слитка была создана конечно-элементная модель кристаллизации слитка. Результаты расчета температуры послужили исходными данными для расчета термических напряжений. Первоначальную оценку величины термических напряжений и характера их распределения по сечению закристаллизававшейся оболочки слитка выполняли по следующей зависимости:
где b- коэффициент термического расширения 1/К; E- модуль упругости МПа; n-коэффициент Пуассона; Тs- температура солидус °С; Тп- температура поверхности слитка °С; Х- относительная координата; j- фиктивный слой твердой фазы.
При высокой температуре возникающие напряжения релаксируют по закону Максвелла. Термические напряжения с учетом релаксации можно определить из выражения: ,
где t- текущее время с; tрел- время релаксации с.
Произведенный расчет показал, что в интересуемом сечении максимальные напряжения растяжения образуются в середине закристаллизававшейся оболочки. Их величина колеблется на уровне 45 МПа. В поверхностных слоях знак напряжений меняется - они переходят в растягивающие, а их величина составляет около 120 МПа. В углах слитка (имеют более низкую температуру) возникающие напряжения характеризуются более высокими значениями. Результаты расчета представлены на рисунке 1
Рисунок 1 – Распределение термических напряжений в закристаллизававшейся оболочке непрерывнолитого блюма сечением 355Х400 мм, марка стали 09Г2С, расстояние от мениска жидкой лунки 15 метров.
В тоже время, такой подход не позволяет определять поля напряжений, что является обязательным условием для расчета напряжений при редуцировании роликами. Для получения полей напряжений в поперечном сечении блюма был проведен расчет с помощью метода конечных элементов. При разработке математической модели для расчета термических напряжений были приняты следующие допущения:
а) распределение температуры по толщине закристаллизававшейся корочки линейное;
б) закристаллизававшаяся корочка блюма находится в упруго- пластическом состоянии;
в) свойства материала зависят от температуры;
г) грани слитка представляют собой «жесткую раму».
Анализ полученных результатов математического моделирования позволил предложить новый способ обжатия
непрерывнолитых блюмов, в соответствии с которым обжатие слитка производят дифференцированно по его ширине.
В этом случае, как показала предварительная оценка, снижается риск появления наружных и внутренних трещин,
за счет создания более благоприятного напряженно-деформированного состояния.
