板坯连铸机结晶器内三维流场和温度场的有限元分析

论文摘要

作为板坯连铸机的心脏,结晶器将完成液态钢向固相转变的第一步,由于分别存在钢液进入时引发的湍流流动,钢液遇冷时的凝固和传热以及熔池液面波动起伏等冶金现象。连铸过程是一个包含流动、传质、传热等复杂现象的液态金属凝固成形的过程,其中包括流动、传质、传热等过程。连铸结晶器内钢液流动和传热是一个在高温下极其复杂的物理过程,直接测量结晶器内钢液流动和温度分布非常困难。利用数值模拟,尤其是利用有限元法对结晶器内的流场和温度场分布进行研究,定量地了解结晶器内流体运动状态和传热特征是一种行之有效的研究方法。由于结晶器内流体的流动特性不仅关系到结晶器的传热、气泡和夹杂物的上浮,而且还与铸坯的表面及内部质量有着非常密切的关系。合理的流场和温度场分布能有利于保护渣的上浮、减少夹杂物的夹杂,避免裸钢,确保初生凝固坯壳稳定地生长以防止拉漏钢等危险情况发生,有效地保护生产安全。因此,开展板坯连铸结晶器内钢液流场和温度场的分析研究就显得尤为重要。本文采用有限元软件ANSYS中的FLOTRAN模块,对结晶器进行流场和温度场的耦合分析。流场的计算采用的三维模型,考虑X,Y,Z三个方向的流动,温度场则忽略了拉坯方向的传热,考虑的是二维的传热模型。本文液相穴内的湍流流动采用高雷诺数k—e方程模型模拟,温度场模拟核心内容之一—结晶潜热的处理,本文采用有效热容法来处理相变潜热源项。本文以国内某钢铁公司的板坯连铸机结晶器为研究对象,重点分析了拉坯速度、水口倾角和水口浸入深度对流场和温度场的影响,以及过热度对温度场的影响。通过对流场和温度场的模拟,对影响结晶器内合理流场和温度场的因素进行了分析,并对板坯结晶器模型、浸入式水口的参数设计和实际生产时参数设定进行了优化。数值模拟结果跟现场生产数据吻合可以在保证生产安全的基础上最大地提高产量,为实际生产提供了有效的指导。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 连铸技术的发展及其应用
• 1.2 结晶器的介绍
• 1.3 板坯结晶器流场和温度场的研究现状
• 1.3.1 板坯结晶器内流场的研究现状
• 1.3.2 板坯结晶器内温度场的数值模拟的现状
• 1.3.3 耦合模型的研究现状
• 1.4 课题背景及本文的主要工作
• 1.5 本章小结
• 第二章 板坯结晶器内流场和温度场数值建模
• 2.1 现场工艺参数
• 2.2 有限元法与有限元软件ANSYS
• 2.2.1 有限元法
• 2.2.2 ANSYS的介绍
• 2.3 板坯结晶器内流场数值模型的建立
• 2.3.1 流场模拟条件假设和模型简化
• 2.3.2 模拟控制方程
• 2.4 板坯结晶器内温度场数值模型的建立
• 2.4.1 温度场模拟条件假设和模型简化
• 2.4.2 模拟控制方程
• 2.4.3 温度场相关参数的处理
• 2.4.3.1 导热系数的确定
• 2.4.3.2 凝固模型的处理
• 2.4.3.3 板坯表面的热量传输
• 2.5 本章小结
• 第三章 板坯结晶器内流场的数值分析
• 3.1 模拟方案
• 3.2 有限元模型和网格的处理
• 3.3 求解初始条件和边界条件
• 3.4 流场计算结果分析与讨论
• 3.4.1 板坯结晶器内流场的一般规律
• 3.4.2 水口插入深度对板坯结晶器内流场分布的影响
• 3.4.3 水口倾角对板坯结晶器内流场分布的影响
• 3.4.4 拉坯速度对板坯结晶器内流场分布的影响
• 3.4.5 钢液粘度对结晶器内流场分布的影响
• 3.4.6 过热度对板坯结晶器内流场的影响
• 3.5 对板坯结晶器窄面的冲击压力及对其的影响因素
• 3.5.1 拉坯速度对窄面冲击压力的影响
• 3.5.2 水口倾角对窄面冲击压力的影响
• 3.6 对影响结晶器液面参数的探讨
• 3.7 板坯结晶器内流场的APDL分析
• 3.7.1 APDL语言分析程序
• 3.7.2 分析的命令流和代码
• 3.8 本章小结
• 第四章 板坯结晶器内温度场数值分析
• 4.1 温度场数值模拟方案
• 4.2 温度场的边界条件和初始条件
• 4.3 凝固坯壳的计算方法
• 4.4 温度场分析结果与讨论
• 4.4.1 拉坯速度对传热与凝固影响分析
• 4.4.1.1 拉坯速度对温度场分布的影响
• 4.4.1.2 拉坯速度对凝固坯壳分布的影响
• 4.4.2 过热度对传热与凝固影响分析
• 4.4.3 板坯结晶器出口处铸坯温度的变化规律
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 板坯结晶器内流场与温度场模拟结论
• 5.2 问题与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文