薄板坯连铸液芯压下工艺数值模拟研究

论文摘要

薄板坯连铸连轧技术是继氧气转炉炼钢、连续铸钢之后钢铁工业最重要的革命性技术之一。自上世纪末我国引入第一条生产线以来,薄板坯连铸连轧技术得到了飞速发展,各种研究工作也相继展开。与传统生产工艺相比,该技术属于一种紧凑型短流程近终形连铸技术(NNSCC),既可节约投资、降低成本,又能提高铸坯质量和生产效率。它充分地利用了结晶潜热和显热,显著节约轧制能耗,缩短工艺流程,还可以起到细化晶粒,减少偏析,提高金属内部质量的作用。该技术是一种融冶金浇注凝固与塑性变形为一体的新工艺。在液芯压下过程中,连铸坯温度分布不均匀,内部液芯流动形态使得铸坯不同位置的变形和应力有很大的差异,而且内部液芯的流动与外部凝固坯壳变形相互作用,所以液芯压下过程是一个集凝固传热、铸坯变形和液芯流动的多物理场耦合成形过程。本文对以往国内外的板坯液芯压下研究工作进行了分析和总结,针对薄板坯连铸液芯压下过程中的凝固传热、铸坯变形和液芯流动等行为,结合材料热压缩模拟实验,提出使用多物理场耦合方法,包括热流耦合和流固耦合,来研究液芯压下过程中的温度场、流场、坯壳变形特点和规律以及液芯反流情况。针对液芯压下过程中的温度分布、坯壳厚度、压下量和辊间距四个主要因素进行研究,探讨各工艺参数对铸坯质量和生产的影响,并对液芯压下工艺参数进行优化设计,确定液芯压下最佳工艺。为了提高模拟精度,合理制定液芯压下工艺规程,本文提出采用铸态钢来进行高温模拟实验的方法为液芯压下结构提供材料高温流变应力模型,选取沿柱状晶方向的铸态钢试样分别在不同温度和应变速率下进行热压缩模拟实验与分析,了解铸态钢在高温条件下的流变行为,研究温度和应变率对材料流动应力的影响,建立铸态钢高温流变应力应变关系模型。本文利用热流耦合方法对板坯连铸温度场和流场进行数值计算,为连铸液芯压下

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 薄板坯连铸连轧技术及其研究意义
• 1.1.2 薄板坯连铸连轧技术的应用
• 1.2 连铸连轧中的液芯压下技术
• 1.2.1 液芯压下过程描述
• 1.2.2 液芯压下技术的先进性
• 1.3 液芯压下国内外研究现状
• 1.3.1 液芯压下过程物理研究
• 1.3.2 液芯压下数值模拟研究
• 1.3.3 液芯压下实验研究
• 1.4 流固耦合方法简述
• 1.4.1 流固耦合数值模拟理论方法的发展
• 1.4.2 流固耦合研究方法
• 1.4.3 流固耦合求解方法
• 1.5 液芯压下数值模拟中的问题提出与解决方法
• 1.6 论文的研究内容和组织结构
• 1.6.1 研究目标
• 1.6.2 研究内容
• 第二章 连铸板坯铸态高温力学性能研究
• 2.1 引言
• 2.2 铸态钢的热压缩模拟实验
• 2.2.1 试样的制备
• 2.2.2 实验设备与实验参数
• 2.3 实验结果与讨论
• 2.3.1 不同温度下材料应力应变关系
• 2.3.2 不同应变率下材料应力应变关系
• 2.4 铸态钢的高温流变应力应变模型
• 2.4.1 铸态钢流变应力模型数学表达式
• 2.4.2 实验数据与模型结果比较
• 2.5 本章小结
• 第三章 板坯连铸热流耦合数值模拟
• 3.1 引言
• 3.2 板坯连铸热流耦合研究
• 3.2.1 热流耦合的数学描述
• 3.2.2 基本方程的离散
• 3.2.3 动量方程的离散
• 3.2.3.1 压力与速度的校正
• 3.2.3.2 压力修正方程
• 3.2.4 能量方程的离散化
• 3.2.5 SIMPLE 算法
• 3.3 板坯连铸流场与温度场计算初始边界条件
• 3.3.1 速度边界条件
• 3.3.2 温度边界条件
• 3.3.3 凝固潜热的处理
• 3.3.4 板坯连铸热流耦合计算模型
• 3.3.4.1 结晶器内流场、温度场特征
• 3.3.4.2 凝固壳厚度的变化规律
• 3.3.5 不同工艺条件对结晶器内部流场和温度场的影响
• 3.3.5.1 浇铸速度对结晶器内流场、温度场的影响
• 3.3.5.2 水口浸入深度对结晶器流场、温度场的影响
• 3.4 板坯连铸现场试验验证与分析
• 3.5 板坯连铸二冷动态配水系统的开发
• 3.5.1 铸坯凝固传热模型的建立
• 3.5.2 二冷动态配水模型设计原则
• 3.5.2.1 连铸冷却冶金准则
• 3.5.2.2 目标温度的确定
• 3.5.3 板坯连铸二冷动态配水系统的开发
• 3.5.4 连铸二冷区配水实例
• 3.6 本章小结
• 第四章 液芯压下过程中的流固耦合方法研究
• 4.1 引言
• 4.2 流固耦合中的ALE 算法提出
• 4.3 液芯压下流固耦合中的ALE 算法
• 4.3.1 ALE 法运动描述
• 4.3.2 ALE 算法的实现
• 4.4 液芯压下流固耦合数值建模
• 4.4.1 液芯流动控制方程
• 4.4.2 坯壳变形控制方程
• 4.4.3 流固界面的控制条件
• 4.5 液芯压下流固耦合求解框架
• 4.6 液芯压下数值求解方法
• 4.6.1 液芯流场求解方法
• 4.6.2 坯壳变形求解方法
• 4.6.3 网格域求解方法
• 4.6.4 流固耦合交界面处的数值传递问题
• 4.7 本章小结
• 第五章 板坯连铸液芯压下过程数值模拟
• 5.1 引言
• 5.2 三维液芯压下流固耦合模型－接力模型的建立
• 5.3 液芯压下模型参数确定
• 5.4 液芯压下过程数值模拟计算
• 5.4.1 液芯压下研究方案
• 5.4.2 液芯压下过程中铸坯和液芯变形特点
• 5.4.3 板坯连铸连轧液芯压下过程中应力应变分析
• 5.4.3.1 板坯压下率对坯壳应力应变的影响
• 5.4.3.2 液芯率对坯壳应力应变的影响
• 5.4.4 板坯连铸连轧液芯压下过程中液芯流动形态研究
• 5.4.4.1 压下率对液芯形态变化的影响
• 5.4.4.2 液芯率对液芯形态变化的影响
• 5.5 本章小节
• 第六章 板坯连铸液芯压下工艺优化
• 6.1 引言
• 6.2 板坯连铸液芯压下优化策略
• 6.2.1 响应面设计法
• 6.2.2 近似模型的评价
• 6.2.3 遗传算法
• 6.3 液芯压下工艺优化的实施
• 6.3.1 液芯压下工艺优化目标的确定
• 6.3.2 板坯连铸液芯压下响应面的建立
• 6.3.3 基于遗传算法的板坯连铸液芯压下工艺优化
• 6.4 最优参数组合工艺分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 全文结论与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 本研究创新点
• 7.3 研究展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间论发表与参与课题
• 致谢
• 上海交通大学 学位论文原创性声明
• 上海交通大学 学位论文版权使用授权书