圆坯连铸结晶器内热—力学行为的分析

论文摘要

在连铸结晶器内,热—力学行为互相影响相互作用。结晶器传热能力和特征决定铸坯温度场、坯壳凝固厚度及其分布,影响坯壳收缩和结晶器变形等力学行为;反之,铸坯收缩和结晶器变形影响铸坯和结晶器之间的传热。因此,清楚了解结晶器内的热—力学行为必须建立合适的耦合数学模型。 坯壳和结晶器之间的相对运动形成摩擦力,坯壳受摩擦力的影响而发生力学行为的变化。在实际生产过程中,非理想的复杂的结晶器传热状态使摩擦力发生异常变化。方坯、板坯的形状决定了部分坯壳优先生长。圆坯结晶器由于沿各个方向都对称,其生长不均匀性是随机的,由结晶器各处的传热条件决定。因此,理想状态下的模拟计算不能反映实际生产中连铸结晶器内的热—力学状态。 以安装在圆坯结晶器不同横截面和纵截面内的热电偶所获得的温度为基础,建立基于实测温度数据的多维反问题数学模型。通过确定结晶器和铸坯之间的热阻分布,计算出能及时反映实际生产中沿周向不均匀分布的传热。 以结晶器和铸坯的温度场作为热载荷建立三维力学模型。该模型耦合了摩擦力和铸坯/结晶器的接触状态以及它们的应力、变形,并考虑了结晶器锥度的影响。计算出生产过程中圆坯结晶器和铸坯的热—力学行为,并讨论了摩擦力的影响;同时计算出结晶器和铸坯之间的间隙,包括固液渣膜厚度、气隙尺寸和接触状态,并分析它们之间的互相影响关系。由于实测的传热结果不均匀,结晶器和铸坯的热—力学相关计算结果也具有沿周向分布不均匀特征,更加反映了真实的连铸状态。 基于现场实测数据,研究了正常生产过程中圆坯结晶器热流的实时分布特性,从而分析结晶器的传热行为,为达到实时监控提供基础。 监测分析表明:热流沿结晶器周向分布处于频繁变化中。弯月面区传热很低,但在液面下70—110mm区域内存在热流峰值,并且对工艺参数变化较为敏感,比如浇注温度、拉速、钢水碳含量、保护渣类型等等。本文也分析了正常和异常传热条件下局部温度、热流的稳定性和沿周向不均匀性的变化。在稳定拉坯时,一定变化范围内的工艺参数对结晶器传热的波动性和不均匀性的影响很小,而钢水碳含量、保护渣类型以及结晶器安装等很大程度上决定结晶器传热的波动性和沿周向的不均匀性。 研究发现:结晶器热流和坯壳厚度沿周向的分布特征受结晶器安装状态的影响。统计发现,同一次安装其分布相似,不同安装分布规律不同。高热流区热流沿周向分布的

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 结晶器内热一力行为研究现状
• 1.2.1 结晶器热行为检测
• 1.2.2 结晶器摩擦力检测
• 1.2.3 传热凝固数值模拟
• 1.2.4 摩擦力数值模拟
• 1.2.5 热一力耦合数值模拟
• 1.2.6 实测数据和数值模拟相结合模型
• 1.2.7 结晶器／铸坯相互作用研究
• 1.2.8 裂纹预测研究
• 第二章 圆坯连铸结晶器传热数学模型
• 2.1 二维传热数学模型的建立
• 2.1.1 数学模型的描述和假设
• 2.1.2 数学模型的初始条件和边界条件
• 2.1.3 反问题传热数学模型
• 2.1.4 计算中的几个相关参数
• 2.2 三维反问题传热模型
• 2.2.1 数学模型建立的必要性
• 2.2.2 数学模型建立的假设
• 2.2.3 模型的初始边界条件
• 2.3 本章小结
• 第三章 结晶器和铸坯力学行为计算模型
• 3.1 结晶器内液态润滑的计算
• 3.1.1 结晶器内固液渣膜的计算
• 3.1.2 结晶器内液态润滑的计算
• 3.2 固态摩擦及其应力
• 3.3 结晶器内热应力计算模型
• 3.3.1 热应力模拟的基础
• 3.3.2 热应力模型的建立
• 3.3.3 相关参数的选择
• 3.4 结晶器内三维耦合模型的建立
• 3.4.1 考虑摩擦力的铸坯力学行为计算模型
• 3.4.2 渣膜厚度计算的新方法
• 3.5 本章小结
• 第四章 结晶器热流在线检测方法
• 4.1 结晶器组成
• 4.2 热流传感器
• 4.3 检测系统
• 4.4 系统的精确度
• 4.4.1 测温系统标定
• 4.4.2 冷态不拉坯的温度检测
• 4.4.3 拉坯下的温度检测
• 第五章 结晶器传热检测结果
• 5.1 热流分布特征
• 5.1.1 热流沿结晶器高度分布
• 5.1.2 热流沿结晶器周向分布
• 5.2 结晶器热流的影响因素
• 5.2.1 安装状态的影响
• 5.2.2 拉坯速度的影响
• 5.2.3 电磁搅拌电流的影响
• 5.2.4 钢水含碳量的影响
• 5.2.5 结晶器保护渣的影响
• 5.2.6 浇注温度的影响
• 5.2.7 水垢的影响
• 5.3 结晶器异常传热
• 5.3.1 温度热流分布不一致性
• 5.3.2 漏钢前的温度特征
• 5.4 结晶器传热波动性和不均匀性
• 5.4.1 结晶器传热的波动性
• 5.4.2 结晶器传热的不均匀性
• 5.5 本章小结
• 第六章 结晶器内凝固传热计算结果分析
• 6.1 二维传热模型的验证和改进
• 6.1.1 传热模型正确性的验证
• 6.1.2 提高传热模型计算速度的方法
• 6.1.3 三维传热模型的验证和特点
• 6.2 传热模型计算结果分析
• 6.2.1 结晶器热流和界面热阻
• 6.2.2 结晶器沿周向热流
• 6.2.3 结晶器内坯壳厚度分布
• 6.2.4 结晶器内热流和坯壳的关系
• 6.3 几点讨论
• 6.3.1 弯月面下结晶器热流偏低现象
• 6.3.2 高热流区热流研究的重要性
• 6.3.3 检测热流的必要性
• 6.4 本章小结
• 第七章 结晶器内力学行为计算结果分析
• 7.1 渣膜厚度和摩擦力的计算结果
• 7.2 二维力学行为计算结果讨论
• 7.3 结晶器内耦合模型计算结果讨论
• 7.4 本章小结
• 第八章 反问题计算的其它应用
• 8.1 铸坯裂纹敏感区的计算
• 8.1.1 裂纹敏感区计算方法的实验基础
• 8.1.2 坯壳厚度及其不均匀性
• 8.1.3 裂纹标准（模型）的提出
• 8.2 单只热电偶测热流方法的研究
• 8.2.1 单点测热流的意义
• 8.2.2 单点测热流系统的建立
• 8.2.3 单点测热流方法的验证
• 8.3 板坯连铸传热反问题的计算
• 8.3.1 板坯计算的基础
• 8.3.2 实测数据的获取
• 8.3.3 板坯反问题的模型
• 8.3.4 板坯计算结果
• 8.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 创新点摘要
• 致谢
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