مجله بین‌المللی انجمن آهن و فولاد ایران

مجله بین‌المللی انجمن آهن و فولاد ایران

بررسی تشکیل ناحیه خمیری و خصوصیات آن در ریخته‌گری پیوسته بیلت‌های فولادی با فرآیند مدل‌سازی و شبیه‌سازی آسان

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده
گروه مهندسی مواد، دانشکده فنی مهندسی، دانشگاه میبد، یزد
10.22034/ijissi.2025.2048426.1313
چکیده
در این پژوهش از مدل‌سازی و شبیه‌سازی ساده استفاده شد و ابعاد و ویژگی‌های ناحیه خمیری در فولاد متوسط‌کربن طی فرآیند ریخته‌گری پیوسته مورد بررسی قرار گرفت. برای این منظور، حل عددی معادله انتقال حرارت و همچنین معادلات تحلیلی ریزجدایش به‌کار گرفته شد و ویژگی‌های زیر به‌عنوان مشخصات ناحیه خمیری تعیین شدند: عرض ناحیه خمیری، هسته خمیری، مساحت ناحیه خمیری، زمان انجماد کلی و موضعی، نرخ سردشدن موضعی و ویژگی‌های ناحیه ترد. عرض ناحیه خمیری در امتداد طول بیلت ابتدا افزایش یافته و پس از رسیدن به یک مقدار مشخص، دوباره کاهش یافته و در نهایت به صفر می‌رسد. بخشی از طول بیلت که در آن عرض ناحیه خمیری از مقدار بیشینه به صفر کاهش می‌یابد، هسته خمیری نام دارد؛ در این ناحیه، گرادیان دمایی با آهنگ افزایشی رشد می‌کند. با افزایش فاصله از سطح منیسک (محل تماس مذاب با قالب)، زمان انجماد موضعی در ناحیه خمیری به‌صورت خطی افزایش می‌یابد و نرخ سردشدن این ناحیه به‌سرعت کاهش پیدا می‌کند. نرخ انجماد کلی و موضعی در طول بیلت کاهش می‌یابد، اما نرخ انجماد موضعی در ابتدای هسته خمیری یک افزایش ناگهانی را تجربه می‌کند. رفتار عرض ناحیه ترد مشابه ناحیه خمیری است، اما شیب کاهش آن بسیار بیشتر است.
کلیدواژه‌ها

[1] Wang W, Zhu M, Cai Z, Luo S, Ji C, Microsegregation behavior of solute elements in the mushy zone of continuous casting wide-thick slab. Steel Res Int. 2012; 83: 1–11.
[2] Won Y.M, Thomas B.G, Simple model of microsegregation during solidification of steels, Metall Mater Trans A. 2001; 32: 1755–67.
[3] Pequet C.H, Gremaud M, Rappaz M, Modeling of microporosity, macroporosity, and pipe-shrinkage formation during the solidification of alloys using a mushy-zone refinement method: applications to aluminum alloys, Metall Mater Trans A. 2002; 33: 2095–106.
 [4] Gao Y, Bao Y, Wang M, Zhang M, On the macrosegregation of continuous casting of high carbon steel billet with strand reduction process, Metals. 2024; 14: 157.
 [5] Quinelato F.P, Garcao W.J.L, Paradela K.G, Sales R.C, Baptista L.A.S, Ferreira A.F, An experimental investigation of continuous casting process: effect of pouring temperatures on the macrosegregation and macrostructure in steel slab. Mater Res. 2020; 23: e20200023.
 [6] Kim J.C, Kim J.J, Choi J.Y, Choi J.H, Kim S.K, Control of columnar-to-equiaxed transition in continuous casting of 16%Cr stainless steel. La Metall Ital. 2009: 43–8.
[7] Yang X.G, Xu Q.T, Wu C.L, Chen Y.S, Experimental study of the continuous casting slab solidification microstructure by the dendrite etching method, Mater Sci Eng. 2017; 283: 012017.
[8] Eskin D.G, Suyitno, Katgerman L, Mechanical properties in the semi-solid state and hot tearing of aluminium alloys, Prog Mater Sci. 2004; 49: 629–711.
 [9] Alizadeh M. Study on hot tearing tendency during continuous casting of steel by overall hot tearing susceptibility (OHTS). Int J Cast Met Res. 2015; 28: 20–7.
 [10] Kim K.H, Yeo T.J, Oh K.H, Lee D.N, Effect of carbon and sulfur in continuously cast strand on longitudinal surface cracks. ISIJ Int. 1996; 36: 284–9. 
[11] Mosayebidorcheh S, Gorji-Bandpy M, Solidification and thermal performance analysis of the low carbon steel during the continuous casting process, J Adv Mater Process. 2017; 5: 3–11.
[12] Meng Y.A, Thomas B.G, Heat-transfer and solidification model of continuous slab casting: CON1D, Metall Mater Trans B. 2003; 34: 685–705.
[13] Petrus B, Zheng K, Zhou X, Thomas B.G, Bentsman J, Real-time, model-based spray-cooling control system for steel continuous casting, Metall Mater Trans B. 2011; 42: 87–103.
[14] Sadat M, Honarvar Gheysari A, Sadat S, The effects of casting speed on steel continuous casting process, Heat Mass Transf. 2011; 47: 1601–9.
[15] Ma J, Xie Z, Jia G, Applying of real-time heat transfer and solidification model on the dynamic control system of billet continuous casting, ISIJ Int. 2008; 48: 1722–7.
[16] Yu Y, Luo X, Zhang H.Y, Zhang Q, Dynamic optimization method of secondary cooling water quantity in continuous casting based on three-dimensional transient nonlinear convective heat transfer equation, Appl Therm Eng. 2019; 160: 113988.
[17] Liu Q, Wang L, Zhang L, Cao L, Ding X, Liang M, Qi Y, Mathematical model of heat transfer for bloom continuous casting, J Univ Sci Technol Beijing. 2008; 15: 17–23.
 [18] Zeng J, Chen W, Wang Q, Wang G, Improving inner quality in continuous casting rectangular billets: comparison between mechanical soft reduction and final electromagnetic stirring. Trans Indian Inst Met. 2016; 69: 1623–32.
[19] Yang B, Deng A, Li Y, Xu X, Wang E, Numerical simulation of flow and solidification in continuous casting process with mold electromagnetic stirring. J Iron Steel Res Int. 2019; 26: 219–29.
[20] Pourfathi A, The effect of slab thickness on the solidification of low carbon steel in continuous casting process: a simulation case study, Int J ISSI. 2022; 19: 67–80.
 [21] Hardin R.A, Kailiu, Kapoor A, Beckermann C, A transient simulation and dynamic spray cooling control model for continuous steel casting. Metall Mater Trans B. 2003; 34: 297–306.
[22] Sismanis P, Evaluation of solidification times for medium and high carbon steels based upon heat transfer and solidification phenomena in the continuous casting of blooms. In: Heat Transfer Studies and Applications. 2015; 12: 315–39.
[23] Clyne T.W, Kurz W, Solute redistribution during solidification with rapid solid state diffusion, Metall Mater Trans A. 1981; 12: 965–71.
[24] Seol D.J, Won Y.M, Oh K.H, Shin Y.C, Yimi C.H, Mechanical behavior of carbon steels in the temperature range of mushy zone, ISIJ Int. 2000; 40: 356–63.
[25] Won Y.M, Kim K, Yeo T.J, Oh K.H, Effect of cooling rate on ZST, LIT and ZDT of carbon steels near melting point. ISIJ Int. 1998; 38: 1093–9.