توصيفگر ها :
ريختهگري پيوسته , انجماد تختال نازك، , تحليل حرارتي-مكانيكي , فوالد متوسط كربن , تنش و كرنش حرارتي
چكيده فارسي :
فرآيند ريختهگري پيوسته اكنون بيش از 90درصد فوالد جهان را توليد ميكند و بهدليل هزينهي سرمايهاي باالتر ولي هزينهي
عملياتي پايينتر، به كاراترين روش ساخت محصوالت نيمه تمام فوالدي تبديل شده است. در سالهاي اخير، فناوري ريخته گري
تختال نازك با كاهش ضخامت مقطع به حدود 30 تا 60 ميليمتر، امكان كاهش طول خط توليد و افزايش سرعت ريخته گري را
فراهم كرده و بهبود ريزساختار و صرفه جويي انرژي را به دنبال داشته است. با اين حال كاهش ضخامت، فرآيند را از نظر حرارتي و
مكانيكي حساستر كرده و ناپايداري در خنككاري ثانويه ميتواند منجر به ايجاد تركهاي سطحي شود. در اين پژوهش، يك مدل
عددي دوبعدي براي تحليل حرارتي-مكانيكي و ساختار انجماد براي تختال نازك فوالدي با درصد كربن متوسط در فرآيند ريخته گري
پيوسته تختال نازك براي شركت فوالد سبا توسعه يافته است. در مدل حرارتي، معادلهي انتقال حرارت همراه با آزادشدن گرماي
نهان انجماد براي پيشبيني توزيع دما و رشد پوسته جامد توسط نرم افزار Multiphysics COMSOL نسخه 6/2 حل شد.
شرايط مرزي شار حرارتي قالب و ضرايب انتقال حرارت جابجايي ناحيه خنك كاري ثانويه با استفاده از همبستگيهاي تجربي و
دادههاي صنعتي تنظيم و نتايج دماي سطح با اندازهگيري پيرومتر مقايسه و اعتبارسنجي شد. طول متالورژيكي، توزيع ضخامت
پوسته و پروفيل دما در مركز سطح پهن تختال تعيين گرديد. در مدل مكانيكي، تنشهاي حرارتي و كرنشهاي حرارتي در امتداد
مسير ريخته گري وابسته به دما محاسبه شدند و نسبت تنش حرارتي به تنش تسليم 0/2 درصد بر حسب دما استخراج شده از نرمافزار
Pro-JMAT بهعنوان شاخص نزديكشدن به منطقه پلاستيك مورد استفاده قرار گرفت. نتايج نشان دادند كه بيشترين تنشها و
كرنشها در بخش ابتدايي ناحيهي خنك كنندهي ثانويه در مركز سطح پهن ايجاد ميشود. در اين ناحيه، نسبت تنش به تنش تسليم
تا بيشتر از 0/7 افزايش يافته اما از 1 تجاوز نكرده است. دماي سطح پهن در طول ناحيه ي ثانويه بين 850 تا 1160 درجه سانتيگراد
نوسان دارد و نوسانات ناشي از پاشش آب سبب تغييرات سيكلي تنش و كرنش ميشود. تحليلهاي پارامتري نشان داد كه كاهش
شدت خنك كاري در بخشهاي ابتدايي و توزيع يكنواخت تر اسپري ميتواند شيبهاي حرارتي و بنابراين تنشهاي اوج را كاهش
دهد و بهبود كيفيت سطحي تختال را بهدنبال داشته باشد. اين مطالعه نشان ميدهد كه مدل دوبعدي قادر است توزيع دما، انجماد
و تنشهاي حرارتي را در مركز سطح پهن تختال نازك با دقت مناسبي پيشبيني كند و با استفاده از شاخص اتا، كه برابر با حاصل
تقسيم تنشهاي حرارتي وارد شده بر سطح تختال به تنش تسليم 0/2 درصد بر حسب دما است، نواحي بحراني را شناسايي نمايد.
نتايج حاصل ميتواند بهعنوان مبنايي براي بهينهسازي الگوي خنككاري ثانويه و انتخاب سرعت ريخته گري مناسب در خطوط
صنعتي شركت فوالد سبا و واحدهاي صنعتي مشابه مورد استفاده قرار گيرد.
چكيده انگليسي :
Continuous casting now produces more than 90 % of the world’s steel and, despite its high capital cost, is the
most cost- and energy-efficient means of mass-producing semi-finished metal products. Thin slab casting
technology, which reduces slab thickness to about 30–60 mm, shortens the production line, increases casting
speed and enhances solidification, thereby improving microstructure and reducing energy consumption.
Nevertheless, the reduced thickness makes the process highly sensitive to thermal–mechanical instabilities;
inappropriate secondary cooling may lead to surface cracking due to excessive thermal stresses. This thesis
develops a two-dimensional thermo-mechanical model for a medium-carbon steel thin slab in continuous casting.
In the thermal model, the heat-convection equation with latent heat release is solved using COMSOL
Multiphysics 6.2 to predict temperature distribution and solid shell growth. Boundary heat-flux functions for the
mold and secondary cooling zones are calibrated using empirical correlations and plant data, and surface
temperatures are validated against pyrometer measurements. The resulting shell thickness, metallurgical length
and temperature profiles along the center of the wide face are obtained. The mechanical model calculates
Thermal stresses and thermal strains along the casting direction, assuming temperature-dependent behavior, and
compares the computed stress with the 0.2 % proof strength from JMAT-Pro to assess the risk of yielding. Results
indicate that the highest stresses and strains occur in the early segments of secondary cooling at the wide-face
center; the stress-to-strength ratio reaches about 0.7 but remains below unity, indicating a limited safety margin.
Surface temperatures oscillate between about 850 °C and 1160 °C, and cyclic spray cooling causes corresponding
stress and strain fluctuations. Parametric studies show that reducing spray intensity in initial segments and
homogenizing the water-spray distribution lower thermal gradients and peak stresses, improving surface quality.
The study demonstrates that a two-dimensional model can reliably predict temperature, solidification and
thermal stresses in the center of a thin-slab wide face, and that the 𝜂 is a useful criterion for locating critical
zones. The results provide a foundation for optimizing secondary-cooling strategies and selecting casting speeds
in industrial lines such as the Saba Steel Company and similar facilities.