薄板坯连铸二冷仿真软件的开发及数值分析

论文摘要

薄板坯连铸技术是近年来连铸领域最重要的技术进展,二次冷却作为连铸生产的一个重要工艺环节,对生产高质量铸坯具有举足轻重的作用。薄板坯连铸凝固过程的传热计算和应力分析有着重要意义。论文根据薄板坯连铸的特点,研究开发了薄板坯连铸二冷通用仿真软件,并对薄板坯连铸的凝固传热过程及应力状态进行了研究分析。针对具体薄板坯连铸机的结构和生产工艺,研究确定其在纵向和横向上的结晶器边界条件和二冷边界条件,建立了薄板坯连铸二维凝固传热数学模型,并采用差分数值分析方法对数学模型进行了离散求解。对大部分薄板坯结晶器为漏斗型的特点,采取了结晶器总传热量相同和热流密度在拉坯方向上的变化规律相同等原则进行处理,使薄板坯的二冷传热软件实现了通用化。同时,研究确定了相关钢种的物性参数。研究薄板坯连铸机的特点,应用VisualBasic语言,设计开发了薄板坯连铸二冷通用仿真软件。软件考虑了薄板坯连铸在铸坯横向上二次冷却不均匀的特点,考虑了水流密度在横向上的叠加,软件能够模拟铸坯横向表面温度的变化和不均匀性,能够优化喷嘴的布置、能够模拟凝固壳的形貌。通用软件主要功能包括薄板坯连铸凝固传热过程仿真计算、横向凝固壳生长形貌分析和数据图形后处理。结合薄板坯连铸实际生产工艺,对铸机结构、二冷制度等进行了详细分析,并采用通用仿真软件对薄板坯在实际生产中的凝固传热进行仿真计算。计算得到的薄板坯凝固壳生长规律和温度分布变化规律均符合连铸生产实际和冶金准则。根据通用仿真软件中建立的数学模型边界条件,借助商业软件MSC.Marc,建立了薄板坯连铸凝固二维有限元传热模型,并进行仿真计算。Marc计算获得的薄板坯的温度场数据与通用仿真软件计算结果进行比较分析。结果表明在同一拉速和断面位置条件下,通用软件仿真得到的铸坯表面温度和坯壳厚度基本上跟Marc模拟计算结果基本吻合,这证实了仿真软件的可靠性与软件对实际生产中的指导意义。结合热弹塑性应力理论,在Marc软件中建立了薄板坯连铸热弹塑性应力数学模型,并对薄板坯连铸过程中的应力应变状态进行了模拟计算。模拟结果表明在宽面内弧坯壳中的表层等效应力σ值较大,内部σ值较小,侧面和角部表层的σ较大。随着拉速的提高,坯壳内的等效应力σ值有所增加,在拉速相同条件下夹辊接触区域的σ值则比非夹辊接触区大。同时,对薄板坯在连铸过程中各个部位的裂纹形成指数进行了分析。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 薄板坯连铸技术发展的现状及趋势
• 1.1.1 国外薄板坯连铸技术的发展概况
• 1.1.2 国内薄板坯连铸技术的发展概况
• 1.1.3 典型薄板坯连铸工艺的介绍
• 1.2 连铸凝固过程的数值模拟概况
• 1.3 课题研究内容
• 1.3.1 选题背景
• 1.3.2 本文研究的主要内容
• 2 薄板坯连铸凝固传热数学模型
• 2.1 建立薄板坯凝固传热数学模型
• 2.1.1 薄板坯连铸凝固传热的数学描述
• 2.2.2 差分方程
• 2.2 冶金准则的设定
• 2.3 时间步长的选择
• 2.4 边界条件的确定
• 2.4.1 结晶器传热
• 2.4.2 喷淋水与铸坯表面间传热
• 2.4.3 夹辊与铸坯传热
• 2.4.4 水聚集蒸发传热
• 2.4.5 辐射区和空冷段传热
• 2.5 钢种的热物性参数
• 3 薄板坯连铸二冷传热仿真软件开发
• 3.1 引言
• 3.2 软件的输入输出参数示意说明
• 3.3 软件的程序流程图
• 3.4 软件的功能结构图
• 3.5 软件的主要特点
• 3.6 传热软件的主要功能及运行过程说明
• 3.7 铸坯横向凝固形貌模拟
• 4 薄板坯连铸二冷传热仿真研究
• 4.1 薄板坯连铸机的结构参数
• 4.1.1 结晶器结构参数
• 4.1.2 二冷区的结构参数
• 4.1.3 水流密度计算式中D 值的计算
• 4.2 软件仿真的二冷水量
• 4.3 薄板坯连铸的传热仿真软件结果及分析
• 4.3.1 三个钢种纵向温度的分析
• 4.3.2 薄板坯纵向温度的变化
• 4.3.3 薄板坯断面温度分布
• 4.3.4 薄板坯坯壳厚度的变化规律
• 4.4 薄板坯MARC 温度场数值模拟研究
• 4.4.1 MSC.Marc/Mentat 软件简介
• 4.4.2 Marc 的凝固传热方程有限元解法
• 4.5 仿真软件与MARC 仿真结果对比分析
• 5 薄板坯应力数值模拟研究
• 5.1 热弹塑性应力模型的建立和求解
• 5.1.1 应力模型的基本假设
• 5.1.2 热弹塑性应力数学模型的建立
• 5.1.3 应力模型的有限元求解
• 5.1.4 边界条件的处理
• 5.1.5 高温力学性能参数
• 5.2 仿真结果分析
• 5.2.1 等效应力结果及分析
• 5.2.2 裂纹形成指数结果及分析
• 6 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录