铝碳质滑板在铸钢过程中的热机械侵蚀行为

With the development of continuous casting technology, more attentions were focused on refractories with high mechanical properties and long lifetime. Refractories as a multicomponent system always has a problem of radial cracks distribution.Thermo-mechanical erosion behavior studies of refractories during the casting process are of critical significance for optimizing the refractories quality.The experiments will be conducted by refractories (Al2O3-C composite) in the course of casting. The effect of the physical characteristics of multicomponents and geometry of the refractories on microstructures and the mechanical properties of the refractories after casting will be evaluated. The casting process of refractories will be simulated by the adoption of variable material constitutive model of temperature, thermal wear model, damage model and contact model with FEM (Finite Element Method). Then, the models and numerical results are contrasted with the experiment results. Based on the numerical results and experiments results, the heat transfer mechanism, stress distribution and the thermo-mechanical erosion behaviors of the refractories during casting will be established. This work can offer good help for the optimal design of the geometrical size of refractories and provide a theoretical basis for fabrication and design of high performance refractories.

随着快速、高效连铸技术的发展，对滑板的性能、使用寿命提出了更高的要求。耐火材料滑板是一个多组分复杂体系，在铸钢过程中易在铸孔周围产生放射状裂纹，研究滑板在铸钢过程中的这种热机械侵蚀行为对改善滑板质量具有重要的意义。本项目拟对铸钢过程中耐火材料滑板（以铝碳质复合材料为例）多组分物理性能、滑板几何形状对其显微组织和力学性能的影响进行分析。拟建立温度变量的碳铝质复合材料的本构模型，结合热磨损模型、损伤模型等，采用有限元法对耐火材料滑板的铸钢过程进行数值模拟。研究铸钢过程中耐火材料的温度、应力、应变的变化情况以及裂纹的扩展行为。基于模拟得到的相关数据和实验结果，揭示铸钢过程中复合材料的传热规律、热应力分布和热机械侵蚀机理，以指导优化实际生产中的滑板几何尺寸和成分配比，为制备和设计高性能滑板提供理论依据。

本项研究中耐火材料滑板以铝碳质复合材料为研究对象，研究铸钢过程对其显微组织和力学性能的影响规律。具体为通过调整金属铝、添加Si粉改变硅比例和替换耐火骨料来设计不同成分配比的耐火材料，对下水口铸孔附近区域所用的耐火材料进行成分优化。对不同配比耐火材料所制成的试样进行物理力学性能和静态抗渣测试，选出综合性能最优的水口用耐火材料。结果表明添加Si粉和选用板状刚玉作为滑板水口用耐火材料骨料可以有效提高耐火材料的物理力学性能以及抗氧化抗侵蚀性能；滑板中金属：铝单质硅为3:5时，滑板耐火材料的抗侵蚀性能最好。建立了多种材质组成的复合材料本构模型及相关的接触模型、磨损模型等，采用有限元法研究该复合材料在铸钢过程中的温度场、应力场、应变场，并对耐火材料滑板在高温钢水的流动冲刷作用下的裂纹扩展行为进行模拟预测，揭示铸钢过程中耐火材料滑板的传热规律、热机械侵蚀机理。具体措施为：滑板与水口用耐火材料的热物性参数通过高温动态杨氏模量试验方法、热膨胀试验和闪射法测得，耐火材料的力学性能通过测试其常温抗折强度、高温抗折强度和热冲击试验来表征，物理性能通过测试显气孔率和体积密度进行表征，抗渣侵蚀性能通过静态抗渣试验来表征。在结构优化方面，以热应力为优化指标，对均质滑板和水口进行有限元仿真，发现了滑板和水口产生的热应力主要集中在浇铸孔周围区域。针对这一发现，在均质结构的基础上设计出由两种不同材料构成的新型复合结构。对于直接受到高温钢液热冲击和侵蚀的铸孔附近区域，使用热物理学性能和抗侵蚀性能优异的耐火材料，其他区域则选用成本较低的耐火材料。通过调整浇铸孔周围区域的结构参数来改善热应力对滑板和水口的不利影响。基于新型复合结构模型，针对实际工况，利用有限元仿真结合材料本构模型、接触力学模型和传热模型，取滑板与水口内部具有代表性的关键点，研究浇铸过程中复合结构滑板与水口温度和热应力的变化分布情况。发现在浇铸孔附近区域有较大的温度梯度，距浇铸孔越远温度变化越小。将优化后的复合结构与初始均质结构进行对比分析，结果表明，优化后的复合结构在热冲击作用下，热应力极值显著降低，其中滑板优化后的热应力极值为246.1MPa，减小了117.6Mpa，水口优化后热应力极值减小了22.9%。同时，热应力分布趋于均匀，可以在很大程度上降低裂纹的产生的几率。本研究对于提高钢包滑板水口的性能、降低其生产成本具有重要意义。