Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана, Москва, Россия

A. В. Иванов, доцент кафедры оборудования и технологий прокатки (ОиТП), эл. почта: avivanov@bmstu.ru
В. В. Стулов, профессор кафедры ОиТП1, докт. техн. наук, эл. почта: stu@bmstu.ru
О. М. Шафиев, аспирант кафедры ОиТП1, эл. почта: oleg.shafiev2016@gmail.com

Представлены подходы по численному исследованию термомеханического состояния корочки непрерывнолитого слитка на ранней стадии затвердевания в кристаллизаторе. Предложены способы построения конечноэлементных моделей, позволяющих адекватно описывать состояние непрерывнолитого слитка на стадии затвердевания в кристаллизаторе и в зоне вторичного охлаждения с учетом реальных граничных условий и свойств материалов слитка и кристаллизатора. Разработан подход определения на основе экспериментальных данных значений материальных констант моделей материалов при высокотемпературной ползучести. Для нелегированных углеродистых сталей с содержанием углерода 0,005–1,540 % получен вид наиболее подходящих уравнений для описания состояния корочки слитка в кристаллизаторе и зоне вторичного охлаждения при высоких гомологических температурах в интервале скоростей деформаций 2,3·10^–2–5,5·10^–6 с^–1 и степени деформации до 2 %. На основе разработанной конечноэлементной модели в плоской постановке исследованы термомеханические процессы, протекающие в корочке непрерывнолитого слитка прямоугольного сечения из стали 3сп при затвердевании в кристаллизаторе и зоне вторичного охлаждения с учетом реальных тепловых и механических граничных условий, свойств материала, а также определено температурное и напряженно-деформированное состояние кристаллизатора. На основе решения итерационной задачи найден профиль кристаллизатора, при котором теплообмен достигает наибольшей величины. Численное исследование работы установки непрерывной разливки заготовок на основе разработанных подходов позволяет определять термомеханическое состояние слитка и режимы работы кристаллизатора, а также оценивать влияние всевозможных факторов разливки на риск зарождения и развития трещин различной природы.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 24-29-00055, https://rscf.ru/progect/24-29-00055/.

1. Ульянов В. А., Гущин В. Н. Непрерывное литье заготовок. Кристаллизаторы и зона вторичного охлаждения: учебное пособие. — Москва; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. — 184 с.
2. Габелая Д. И., Кабаков З. К., Грибкова Ю. В. Математические модели и совершенствование технологии непрерывной разливки стали: монография. — Череповец : ЧГУ, 2016. — 182 с.
3. Siddiqui M. I. H., Maurya A., Asiri F. Mathematical modeling of continuous casting tundish-A Review // VW Appl. Sci. 2021. Vol. 3, Iss. 1. P. 92–103.
4. Каменев С. В. Основы метода конечных элементов в инженерных приложениях : учебное пособие. — Оренбург : ОГУ, 2019. — 110 с.
5. Petrus B., Chen Z., Bentsman J., Thomas B. G. Investigating dynamic thermal behavior of continuous casting of steel with CONOFFLINE // Metallurgical and Materials Transactions B. 2020. Vol. 51, Iss. 6. P. 2917–2934. DOI: 10.1007/s11663-020-01941-6
6. Wu Zh. et al. Determination of high-temperature creep and post-creep response of structural steels // Journal of Constructional Steel Research. 2022. Vol. 193. DOI: 10.1016/j.jcsr.2022.107287
7. Волков И. А., Игумнов Л. А., Казаков Д. А., Шишулин Д. Н. Уравнения состояния нестационарной ползучести при сложном нагружении // Прикладная механика и техническая физика. 2018. Т. 59. № 3. С. 191–202.
8. Novak J. et al. Accelerated cyclic plasticity models for FEM analysis of steelmaking components under thermal loads // Procedia Structural Integrity, 2018. Vol. 8. Р. 174-183.
9. Стулов В. В., Шафиев О. М. К вопросу деформации корочки стальной заготовки в кристаллизаторе МНЛЗ // Сталь. 2021. № 6. С. 13–16.
10. Muhammad K. et al. Effect of temperature, cooling rate and casting speed on quality of continuous cast steel billets // Advanced Materials Research. 2022. Vol. 1171. P. 61-72.
11. Thomas B. G. Simulation of longitudinal surface defect in steel continuous casting // MCWASP XV, Jönköping, Sweden, June 22–23, 2020, 2020 IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. Vol. 861. 012016. DOI: 10.1088/1757-899X/861/1/012016
12. Kong Y. W. et al. A prediction model for internal cracks during slab continuous casting // Metals. 2019. Vol. 9, Iss. 5. P. 587-604.