板坯连铸凝固过程中温度与应力的有限元分析

论文摘要

连铸过程中,铸坯的传热及受力状况与铸坯的最终质量密切相关。因此,应用数学方法分析铸坯的温度及应力场对连铸生产具有重要的现实意义。论文针对某钢厂直弧型板坯连铸机部分钢种生产过程中铸坯角部和内部裂纹缺陷问题,以该铸机的基本结构和工艺参数作为基础,根据该厂直弧型板坯连铸机的铸坯具体的凝固传热和受力的边界条件,构建二维温度与应力的有限元模型。论文中分别分析板坯连铸过程中二维横向和纵向的凝固传热,并应用非稳态热传导方程对铸坯的传热进行分析。在MSC.Marc中有限元传热分析求解采用加权残差的Galerkin方法。凝固传热模型中考虑了热物性参数的非线性变化,以及由于钢液引起的强制对流边界条件。在二维温度场的基础上,考虑了高温下的铸坯材料非线性力学行为、铸坯与夹辊的接触状态、钢水静压力的影响,运用由屈服应力和硬化模量决定的冯米塞斯屈服准则,分别建立了板坯的二维横向和纵向的热弹塑性应力模型。有限元模型采用单元边长比接近于1的高精度四边形单元划分网格。基于MSC.Marc?有限元商业软件的温度和弹塑性分析相结合的方式对模型求解,其中的非线性分析采用具有很好收敛性的牛顿瑞佛森法求解。凝固传热计算得到了二维横向特定夹辊位置下铸坯断面温度场,以及铸机整个纵断面的铸坯温度场。选取结晶器出口断面,凝固前期弯曲过渡段和中后期的矫直段在三个拉速下的温度场进行分析。结果表0明凝固前期结晶器和足辊段冷却水量不合理是造成连铸坯角部纵裂纹的主要原因。弯曲矫直段铸坯的温度场应结合铸坯的高温力学性能制定适宜的目标温度,避免铸坯微裂纹的生成或加剧扩展。在温度场的计算结果上,计算分析了连铸过程中铸坯坯壳内的等效应力伴随凝固过程的变化情况,内外弧等效应力变化规律,以及夹辊与坯壳间接触受力情况。结果表明弯曲过渡段外弧前部和矫直段内弧后部等效应力值在各自区域内最大。在低拉速下的二冷前期,弯曲过渡段的铸坯容易在内外弧的角部产生较大的应力集中区域,随着凝固的进行,应力集中区域会沿铸坯宽面向内推移。论文中对横向二维应力模型的固定约束的接触处理方式进行了评估。结果表明在横向二维应力模型中,固定约束和加载法向接触力两种方式的等效应力结果相当。同时将横向与纵向二维应力模型在铸坯宽度方向中心线位置的等效应力值进行对比,分析表明纵向应力模型分析连铸过程铸坯整体受力情况具有优势。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 连铸技术的发展概况
• 1.1.1 国外连铸技术的发展概况
• 1.1.2 国内连铸技术的发展概况
• 1.2 国内外连铸过程铸坯仿真研究现状
• 1.2.1 连铸坯温度场仿真研究概况
• 1.2.2 连铸坯应力应变场仿真研究概况
• 1.2.3 商用有限元软件简介
• 1.3 问题的提出及研究的方法和主要内容
• 1.3.1 问题的提出
• 1.3.2 研究的方法和主要内容
• 2 板坯连铸凝固传热模型的建立
• 2.1 板坯连铸凝固传热模型的数学描述
• 2.1.1 基本假设及控制方程
• 2.1.2 凝固传热的边界条件
• 2.1.3 凝固传热的物性参数
• 2.2 MSC.Marc 中的传热数学描述及有限元求解
• 2.2.1 热传导的数学描述及有限元离散
• 2.2.2 传热方程的时间积分方案
• 2.2.3 热传导分析的收敛判定
• 2.3 本章小结
• 3 板坯连铸弹塑性应力模型的建立
• 3.1 板坯连铸弹塑性模型的数学描述
• 3.1.1 基本假设及弹塑性本构关系
• 3.1.2 弹塑性本构方程
• 3.1.3 连铸坯的受力状态
• 3.1.4 连铸坯的高温力学性能
• 3.2 弹塑性模型的MSC.Marc 有限元求解
• 3.2.1 热弹塑性应力分析的有限元法
• 3.2.2 MSC.Marc 弹塑性分析准则
• 3.3 本章小结
• 4 板坯连铸的温度与应力分析模型
• 4.1 铸机的结构及工艺参数
• 4.2 板坯连铸传热模型在MSC.Marc 中的实现
• 4.2.1 铸坯断面的网格生成
• 4.2.2 凝固传热模型的边界条件
• 4.2.3 连铸板坯的热物性参数
• 4.2.4 凝固传热分析
• 4.3 板坯连铸应力模型在MSC.Marc 中的实现
• 4.3.1 网格生成及边界条件
• 4.3.2 应力模型的材料特性参数
• 4.3.3 热弹塑性应力问题分析
• 4.4 本章小结
• 5 铸坯断面的温度与应力结果分析
• 5.1 铸坯凝固过程的温度场
• 5.1.1 0.8m/min 拉速下的铸坯温度场
• 5.1.2 1.2m/min 拉速下的铸坯温度场
• 5.1.3 1.6m/min 拉速下的铸坯温度场
• 5.1.4 铸坯温度场讨论分析
• 5.2 铸坯凝固过程中应力场
• 5.2.1 0.8m/min 拉速下的铸坯应力场
• 5.2.2 1.2m/min 拉速下的铸坯应力场
• 5.2.3 1.6m/min 拉速下的铸坯应力场
• 5.2.4 铸坯应力场讨论分析
• 5.3 铸坯断面的温度与应力结果讨论
• 5.3.1 铸坯温度验证
• 5.3.2 铸坯质量检验
• 5.3.3 接触状态对应力的影响
• 5.4 本章小结
• 6 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录