钢坯连铸结晶器铜管结构模拟优化设计

论文摘要

结晶器是连铸设备的“心脏”,是连铸生产中的核心部件。连铸结晶器内钢水凝固收缩现象具有特殊性和复杂性,目前对这些现象进行实验研究仍然存在困难,但是利用数值模拟技术可以对结晶器内钢水凝固收缩过程进行有效研究。同时,掌握结晶器内钢水凝固收缩的特点和规律,可以为优化设计新型钢坯连铸结晶器提供理论依据。基于对结晶器内钢水凝固收缩现象物理本质的理解,利用ANSYSTM建立结晶器内钢水凝固传热和弹塑性应力分析的有限元模型。温度场边界条件考虑气隙的影响,采用修正热流密度函数作为传热边界条件,特别是对方坯角部热流密度进行加权处理。材料的热物性参数与力学性能均建立对应的温度函数。在二次开发的基础上,采用间接耦合法对不同工况的四种圆坯和两种方坯结晶器内的钢水凝固过程进行数值模拟研究。计算结果表明,不同花瓣模型对结晶器出口处铸坯的形状有显著影响。以结晶器出口处铸坯形状为判定依据,六瓣状结构明显优于两瓣、三瓣和四瓣结构。在新型结晶器出口处,四种圆坯表面(12CrMoV、37Mn5、ST45EQ和X42)圆弧中点(M点)的最大收缩量分别达到1.79mm、1.21mm、0.986mm和1.75mm；圆弧端点(N点)的最大收缩量则为1.35mm、1.1mm、0.859mm和1.35mm；在方坯横截面上,铸坯表面中心和角部的收缩量明显大于偏角部。在结晶器出口处,B72LX和ER70S6铸坯表面中心收缩量分别达到1.19mm和1.4mm,而角部则为2.19mm和3.54mm。基于凝固补缩原理建立不同钢种和工况的圆方坯结晶器优化设计方案。依据计算结果的相似性,利用铸坯表面平均凝固收缩曲线确定结晶器的最优锥度。在结晶器横截面上,依据铸坯表面凝固收缩规律反变形建立新型圆坯结晶器的内腔形状,并且从弯月面到弯月面以下350mm处,结晶器内腔由花瓣状结构逐渐转变为传统的圆形内腔结构。在锥度上,圆坯结晶器为连续的抛物线型锥度。方坯结晶器距离弯月面350mm以上设计为大锥度结构,角部设计为大圆角；在弯月面以下350mm到结晶器出口处,结晶器圆角半径保持5mm不变,同时结晶器内腔边界转变为直线结构。在锥度方向上,结晶器边界依据方坯表面中点和角部凝固收缩曲线从弯月面到结晶器出口处逐渐变化。在企业对优化设计结晶器进行现场试验。结果表明,新型圆坯结晶器使用寿命达到322炉以上,远高于企业要求200炉以上的目标；方坯由于缺少生产任务,未测试使用寿命。采用新型结晶器生产铸坯质量与以往相比更好或相当。总之,企业认为本课题优化设计的新型结晶器在使用质量上与原来使用的进口结晶器相比更好或者相当。目前本课题优化设计的新型结晶器在企业已经全面取代原有进口结晶器。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 前言
• 1.1 结晶器内钢水凝固收缩的物理本质
• 1.2 结晶器内钢水凝固收缩数值模拟研究现状
• 1.2.1 凝固传热数值模拟
• 1.2.2 热力耦合数值模拟
• 1.3 新型结晶器的发展及其简介
• 1.4 课题的研究背景和研究内容
• 2 钢坯连铸热力耦合数值模拟模型
• 2.1 实体模型及网格剖分
• 2.2 计算模型
• 2.2.1 计算思路
• 2.2.2 数学模型
• 2.3 物性参数
• 2.3.1 液固相线处理
• 2.3.2 温度相关的物性参数
• 2.3.3 凝固潜热的处理
• 2.3.4 线膨胀系数的处理
• 2.4 初始及边界条件
• 3 圆方坯计算结果及讨论
• 3.1 圆形结晶器内铸坯计算结果
• 3.1.1 温度场
• 3.1.2 应力场
• 3.2 花瓣状圆坯结晶器内铸坯计算结果
• 3.2.1 花瓣模型计算思路
• 3.2.2 花瓣数目确定
• 3.2.3 花瓣模型温度场
• 3.2.4 花瓣模型应力场
• 3.3 方形结晶器内铸坯计算结果
• 3.3.1 温度场
• 3.3.2 应力场
• 4 新型结晶器结构优化设计
• 4.1 新型结晶器设计原则
• 4.2 圆坯结晶器优化设计
• 4.3 方坯结晶器优化设计
• 5 新型结晶器试验结果与讨论
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢