تاثیر تغییرات دمایی، تنش حرارتی و منطقه منیسک قالب مسی برکیفیت شمش تولید شده توسط روش ریخته گری پیوسته

نوع مقاله: مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسنده

دانشجوی دکتری تخصصی مهندسی مواد و متالورژی دانشگاه تهران و ‏‎ ‎کارشناس ارشد پروژه گندله‌سازی شرکت فولاد کاوه جنوب کیش

10.22034/frj.2019.154760.1059

چکیده

کیفیت مطلوب شمش تولیدی به روش ریخته‌گری پیوسته همواره یکی از دغدغه‌های اساسی در صنعت فولاد است. ‏قالب مسی یکی از اصلی‌ترین اجزای ریخته‌گری پیوسته فولاد است که پدیده‌های فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی که در منطقه ‏نزدیک منیسک آن رخ می‌دهند نقش مهمی در کیفیت سطحی شمش دارند. در این مقاله چند متغیر موثر شامل اثر روانکاری ‏سطح قالب، ایجاد منیسک و تشکیل نوع خاصی از سل گالوانیک مورد بر کیفیت شمش مورد بررسی قرار گرفته‌اند. با توجه به ‏نظریه ساختار یونی مذاب و تحلیل‌های صورت گرفته بر سرباره متالورژیکی، می‌توان گفت که فاز سرباره مذاب پودر قالب، یک مایع ‏یونی(فصل مشترک مس/ آهن) است به طوری که در پودر تولید شده توسط شرکت ‏STOLLBERG‏ نیرو محرکه تا 9/1 ولتی ایجاد ‏می شود. بر اساس  متغیرهای خنک کنندگی قالب مسی، مدل محاسبه سه بعدی ایجاد شد و توزیع سه بعدی درجه حرارت، تنش و ‏کرنش حرارتی به صورت عددی با استفاده از روش المان محدود (‏FEM‏) شبیه سازی شده و حداکثر تغییر شکل قالب مسی ‏حدودmm ‎‏ 04/0- ، بالاترین دمای داخلی تیوب مسی ‏‎°C‏220 و حداکثر تنش حرارتی ‏MPa‏390 بدست آمد. بر اساس نتایج ‏بزرگ‌ترین اختلاف دما از بالا به پایین قالب بیش‌تر از 10 درجه نبوده و حداکثر تغییر شکل حرارتی قالب مسی در ‏موقعیت 30 میلی‌متر پایین‌تر از منیسک ظاهر می‌شود، اما به اندازه کافی قوی نیست که باعث ایجاد ترک شود. علاوه بر ‏این، تأثیر پودر با قلیائیت‌های مختلف بر خصوصیات علامت‌های ناشی از نوسان قالب بر روی سطح شمش در نظر گرفته شد. بر ‏اساس تصاویر میکروسکوپی از نشانه‌های نوسان می‌توان گفت که استفاده از پودر ریخته‌گری اسکریولیت سبب می‌شود ‏که نشانه‌های نوسان کوتاه‌تر و با عمق کم‌تر نسبت به استفاده از پودر ریخته‌گری آکوترم است. ‏

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Effect of Temperature Variations, Thermal Stresses and Region of ‎Meniscus of Copper Mold on Quality of Billet Produced by Continuous Casting Process of Steel

نویسنده [English]

  • Hedayat Gholami
PhD Student of Metallurgy and Materials Engineering, School of Metallurgy and Materials, University of Tehran
چکیده [English]

The optimal quality of continuous casting is always one of the main concerns in the steel industry. ‎Copper mold is one of the main components of the continuous casting of steel. The physical, chemical and ‎mechanical phenomena that occur in the near-meniscus region play an important role in the surface ‎quality of the ingot. In this paper, several effective parameters including the effect of lubrication on the ‎mold surface, the formation of the meniscus and the formation of a specific type of galvanic cell on the ‎quality of the ingot have been investigated. According to the theory of molten ionic structure and ‎analysis of metallurgical slag, it can be said that the molten slag phase of the mold powder is an ionic ‎liquid (copper/iron), so that in the powder produced by stollberg, the force is driven to 1.9 volt. Based ‎on the cooling parameters of the copper mold, a three dimensional calculation model was created and a ‎three dimensional temperature, stress and thermal strain distribution was simulated numerically using ‎the finite element method (FEM) and the maximum deformation of the copper mold was about -0.04 ‎mm, The highest internal temperature of the copper tube is 2200°C and the maximum thermal stress of ‎‎390MPa. Based on the results, the largest difference in temperature from top to bottom of the mold is ‎not more than 10 degrees, and the maximum thermal deformation of the copper mold appears at a ‎position 30 mm below the meniscus, but not strong enough to cause cracking. In addition, the effect of ‎powder with different alkalinity on the characteristics of the oscillating marks on the surface of the ‎ingot was considered. Based on microscopic images of oscillation symptoms, it can be said that the use ‎of Scorialit powder makes the swinging signs shorter and with a lower depth than using the Accutherm ‎powder.‎

کلیدواژه‌ها [English]

  • Continuous Casting
  • thermal stress
  • copper mold
  • Galvanic cell
  • meniscus area

[1]    غلامی هـ..، سلماسی حـ..، بررسی عوامل شکست و تخریب قالب مسی ریخته‌گری پیوسته فولاد، ریخته‌گری، 1397، 37)117) 23- 18.

[2]   Li M., Stubbins J.F., Creep-fatigue behavior in high strength copper alloys, Journal of ASTM International, 2005, 251-264.

[3]   Thomas B.G., Li G., Moitra A., Habing D., Analysis of thermal and mechanical behavior of copper molds during continuous casting of steel slabs, 80th steelmaking conference, 1997, (Chicago, IL, April 13–16), ISS Herty Award, 1-19.

[4]   Wang E., Finite element analysis of thermal elasto-plastic stress on the continuous casting billet in mold. Journal of Northeastern University (Natural Science), 1998, 19(6) 555-557.

[5]   Risso J.M., Huespe A.E., Cardona A., Thermal stress evaluation in the continuous casting process, International Journal for Numerical Methods in Engineering, 2006, 65, 1355-1377.

[6]   Thomas G. O., Dantzig J.A., Modeling the thin-slab continuous-casting mold, Metallurgical and Materials Transactions B, 1994, 25(3) 443-457.

[7]   Baofeng W., Gguo D., Jianguo Z, Optimum of mould taper design for slab casting of austenite stainless steel, Journal of Special Steel, part 2 2005, 26(2) 38-40.

[8]   Yang G., Li B.K., Yu Y., There dimensional heat transfers of cooling copper plate of thin slab continuous casting mold, Acta Metal., 2007, 43, 332-336.

[9]   Feng K., Han Z. W., Mao J. H., Finite element simulation of temperature field of mold copper plate for continuous casting, Foundry Technolgy, 2007, 28, 135-138.

[10]Liu X.D., Zhu M.Y., An analysis of thermal elastoplastio behavior of continuous casting slab mold, Acta Metallurgica Sinica., 2006, 42, 1137-1142.

[11]Wang J.G., Wang B.F., Dong F., Optimization of the mold taper in high speed casting of steel billets, China Foundry Journal, 2009, 10-14.

[12]Long X.S., Peng X.H., FEM analysis of thermal and deformation of mold copper, Iron and Steel journal, 2006, 41, 35-38.

[13]Srnec Novak J., Stanojevic A., Benasciutti D., De Bona, Huter F.P., Thermo-mechanical finite element simulation and fatigue life assessment of a copper mould for continuous casting of steel, Procedia Engineering, 2015, 133, 688–697.

[14]Moro L., Srnec Novak J., Benasciutti D., De Bona F., Copper mold for continuous casting of steel: modelling strategies to assess thermal distortion and durability, Key Engineering Materials, 2017, 287-290.

[15]Moro L., Srnec Novak J., Benasciutti D., De Bona F., Thermal distortion in copper moulds for continuous casting of steel: numerical study on creep and plasticity effect, Ironmaking and Steelmaking, 2017, 46(1) 1-7.

[16]Moro L., Benasciutti D., De Bona F., Simplified numerical approach for the thermo-mechanical analysis of steelmaking components under cyclic loading: an anode for electric arc furnace, Ironmaking and Steelmaking, 2017, 44(1) 1-10.

[17]Park J.K., Thomas B.G., Samarasekera I.V., Yoon U.S., Thermal and mechanical behaviour of copper molds during thin slab casting (II): Mold crack formation, Metallurgical and Materials Transactions B , 2002, 33, 437–449.

[18]O'Connor T.G., Dantzig J.A., Modeling the thin-slab continuous-casting mold, Metall. Mater. Trans. B., 1994, 25B, 443–457.

[19]Barella S., Gruttaduria A., Mapelli C., Mombelli D., Investigation of failure and damage on a continuous casting copper mould, Eng. Fail. Anal., 2014, 36 432–438.

[20]Mujun L., Mathematical modeling of heat transfer in mold copper coupled with cooling water during the slab continuous casting process, Metallurgical and Materials Transactions B, December 2014, 2442-2452.

[21]ASTM B124M, Standard specification for copper and copper alloy forging rod, bar, and shapes, ASTM International, 2008.

[22]  غلامی هـ..، سلماسی حـ..، عیوب رایج در فرآیند تولید شمش فولاد به روش ریخته‌گری پیوسته و راهکارهای مقابله با آنها، ریخته‌گری، 1397، 37)118( 60-51.

[23]Liu M.Y., Li P., Luan X. J., Slab Continuous Caster, Beijing: Mechanical Industry Press, 1990.

[24]Sun J.Q., Liu Q.G., Heat Transfer, Harbin: Northeat Forestry Univeristy Press, 1997.