宽厚板坯结晶器传热及力学行为模拟

论文摘要

结晶器作为连铸机的心脏,其重要性不言而喻。宽厚板坯连铸生产过程中,结晶器的传热和力学行为对于铸坯的表面质量具有重要影响,由于检测手段的局限性,结晶器的热流、变形和铸坯的凝固状态很难通过实验获得,数值模拟是研究结晶器传热与力学行为的重要手段。本文以宽厚板坯连铸结晶器为对象,针对其传热和力学行为进行研究。基于安装在结晶器铜板不同横截面和纵截面内的热电偶实测温度,构建针对实测温度的二维传热反问题数学模型,通过确定结晶器与铸坯之间的热流分布,模拟能够及时反映实际生产中结晶器传热和铸坯凝固的不均匀性。在此基础之上,以结晶器温度场作为热载荷建立二维力学模型,模拟和分析浇铸过程中结晶器铜板的受力状态,讨论拉速、镀层、铜板厚度、钢水静压力等因素对受力和变形的影响。温度场计算结果表明：温度计算结果与实验值吻合较好,验证了模型的正确性。温度和热流的分布呈现明显的非均匀特征,沿浇铸方向,上下三排温度逐渐降低,但分布和变化特征相同,且不均匀性逐渐减弱,传热在很大程度上体现出“继承”倾向。拉速变化对结晶器不同局部位置的温度和热流影响不同,热面温度对拉速的变化比较敏感,且在其他条件不变的情况下,拉速每增加0.15m/min,热面温度上升约10℃左右；钢水通过结晶器向外散热量的大小决定结晶器出口处坯壳厚度分布。由于传热结果的不均匀,结晶器的力学相关计算结果也具有沿周向分布不均匀的特征。分析力学行为计算结果得到：铜板的最大变形集中在中心区域,由中心向两侧角部,变形逐渐变小。距弯月面105mm处铜板的变形量最大。铜板变形随测点温度的波动而实时变化,变形沿宽面方向的分布与温度分布特征相同,结晶器传热的非均匀性决定其变形非均匀性,距弯月面325mm位置处,实测温度平均每1℃的变化所引起的变形为0.02mm。铜板变形随拉速的增加而增大,拉速由0.75 m/min增至0.9和1.05 m/min时,变形由0.60mm增大至0.63和0.68mm。与外弧面相比,内弧铜板的变形更加明显,拉速1.05 m/min时,内弧面铜板中心变形量最大值为0.87mm,外弧面变形量的最大值为0.68mm,高出外弧面约0.19mm。构建全尺寸模型时,由于两宽面冷却水流量和铜板热流的不同,内外弧铜板变形量也不相同。探讨其他影响结晶器变形的因素发现：随铜板厚度的增加,增大的结晶器热阻使铜板热面温度升高,导致其变形增大；钢水静压力对铜板变形影响较小,因此,在构建模型时可以将其忽略。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 引言
• 1.1 结晶器内传热行为研究
• 1.1.1 结晶器传热行为的在线检测
• 1.1.2 结晶器传热行为模拟
• 1.1.3 结晶器传热反问题算法
• 1.2 结晶器力学行为研究
• 1.3 宽厚板坯连铸技术及其数值模拟
• 1.4 课题的研究背景和研究内容
• 2 宽厚板坯连铸结晶器传热数学模型
• 2.1 模型描述及假设
• 2.2 传热反问题模型
• 2.2.1 反问题
• 2.2.2 收敛性评定
• 2.3 模型的相关条件
• 2.3.1 初始条件
• 2.3.2 边界条件
• 2.4 物性参数的选取
• 2.4.1 钢水凝固潜热的处理
• 2.4.2 温度相关的物性参数
• 2.4.3 其他相关参数
• 2.5 本章小结
• 3 宽厚板坯结晶器力学行为数学模型
• 3.1 热-应力模拟的基础
• 3.2 模拟计算的思路
• 3.3 热-应力模型的建立
• 3.3.1 模型假设
• 3.3.2 控制方程
• 3.4 计算中的相关参数
• 3.5 本章小结
• 4 宽厚板坯连铸结晶器内凝固传热计算结果分析
• 4.1 实验条件
• 4.2 二维传热反问题模型验证
• 4.2.1 结晶器宽度方向温度趋势
• 4.2.2 高度方向结晶器温度变化特点
• 4.2.3 结晶器热流
• 4.3 结晶器内的温度和热流分布
• 4.4 铸坯温度分布
• 4.5 结晶器内坯壳厚度分布
• 4.6 结晶器温度场分布及影响因素
• 4.7 本章小结
• 5 宽厚板坯连铸结晶器应力场结果分析与讨论
• 5.1 结晶器铜板变形
• 5.1.1 结晶器宽面方向变形
• 5.1.2 结晶器沿浇铸方向变形
• 5.1.3 结晶器内弧与外弧铜板变形的对比
• 5.2 拉速对铜板变形的影响
• 5.3 实测温度对变形的影响
• 5.4 影响铜板变形的其他因素
• 5.4.1 铜板厚度对结晶器变形的影响
• 5.4.2 钢水静压力对结晶器变形的影响
• 5.4.3 不同镀层对结晶器变形的影响
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢